智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

張震宇 余林 黃文慶 季于東 孫克仲

摘 要：我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在加快向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，而智慧農(nóng)業(yè)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的趨勢。“智慧農(nóng)業(yè)”指充分運用現(xiàn)代信息技術(shù)成果，集成應(yīng)用計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)云平臺等，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可視化遠程診斷、遠程控制、災(zāi)變預(yù)警等智能管理，通過無線傳感器實時對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的溫濕度、光照、CO2濃度等參數(shù)進行采集，遠程監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，同時將采集的參數(shù)和獲取的信息進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換和匯總后，經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)實時上傳到相關(guān)農(nóng)業(yè)智能管理系統(tǒng)中，對農(nóng)作物生長環(huán)境進行有效持續(xù)的監(jiān)控并驅(qū)動電機等設(shè)備對環(huán)境實施相應(yīng)的調(diào)控措施。同時，隨著大數(shù)據(jù)和Android技術(shù)的發(fā)展，通過云平臺和便攜式移動終端與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、WiFi技術(shù)，可以讓人們從遠端獲知農(nóng)作物的生長環(huán)境情況。

關(guān)鍵詞：ZigBee;WiFi;Android;大數(shù)據(jù)云平臺;智能語音

1 設(shè)計需求分

我國是農(nóng)業(yè)大國，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在國際市場上的優(yōu)勢主要依賴于豐富的自然資源和低廉的勞動力成本。但我國傳統(tǒng)的農(nóng)作物管理方式極易受環(huán)境影響，很大程度上限制了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，因此農(nóng)業(yè)經(jīng)營者的利潤縮水嚴(yán)重。利用ZigBee技術(shù)能夠?qū)r(nóng)作物生長環(huán)境包括溫濕度、光照、CO2濃度等數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測，通過WiFi傳輸，人們可方便地從手機APP和大數(shù)據(jù)云平臺上查看農(nóng)作物的生長情況。對農(nóng)作物進行24小時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)異常，便可迅速有效采取措施以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，此外，智能化監(jiān)控還可以降低勞動力成本，大幅提高農(nóng)業(yè)經(jīng)營者的收益。尤其在突發(fā)狀況下，農(nóng)業(yè)經(jīng)營者如果能夠及早發(fā)現(xiàn)并采取措施，將有力減少經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理缺乏人性化設(shè)計，隨著智能語音技術(shù)的發(fā)展，通過對環(huán)境參數(shù)的語音播報提醒可以彌補這一不足，讓生產(chǎn)者方便地獲知作物的生長環(huán)境信息?；谶@一需求，本文結(jié)合ZigBee組網(wǎng)、WiFi通信、大數(shù)據(jù)云平臺、智能語音技術(shù)，設(shè)計了一種 “智能”“便捷”的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。

2 特色與創(chuàng)新

2.1 太陽能供電及追蹤系統(tǒng)

為了有效利用農(nóng)業(yè)的光能優(yōu)勢，我們?yōu)樽髌返墓δ懿糠衷O(shè)計了太陽能鋰電池供電模塊，太陽能面板能夠根據(jù)光線的變化旋轉(zhuǎn)葉面達到最佳采光效果，很大程度上提升了自然資源的利用率和監(jiān)測節(jié)點放置的自由度。太陽能PCB設(shè)計如圖1所示，太陽板追蹤演示如圖2所示。

2.2 大數(shù)據(jù)云平臺

ZigBee節(jié)點通過農(nóng)業(yè)傳感器將采集到的環(huán)境參數(shù)經(jīng)WiFi傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)云平臺，平臺綜合分析這些數(shù)據(jù)后畫出變化曲線，方便農(nóng)業(yè)管理者了解農(nóng)作物環(huán)境的變化情況，宏觀掌握農(nóng)作物的生存情況。此外，管理者還可以通過后臺查看環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)。云平臺界面如圖3所示。

2.3 Android界面

Android界面具有良好的人機交互性，利用這一平臺人們只用一部手機就可以輕松獲取農(nóng)業(yè)大棚中的作物生長環(huán)境指數(shù)。Android界面如圖4所示。

2.4 語音播報LED點陣

智能語音可便捷有效地實時反饋農(nóng)業(yè)大棚作物的生長環(huán)境情況，因此大棚經(jīng)營者可輕松獲取有效信息，以便對不同生長情況及時采取相應(yīng)措施，而點陣顯示也讓大棚的管理更加簡潔，具有現(xiàn)代感。點陣顯示如圖5所示。

3 功能設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點

ZigBee節(jié)點由太陽能供電并與多種傳感器相連，可將多個監(jiān)測點的環(huán)境數(shù)據(jù)源源不斷地發(fā)往ZigBee協(xié)調(diào)器，節(jié)點上的電機可以根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)采取加濕、換氣、補光、遮陽等調(diào)控措施。傳感器框圖如圖6所示。

3.2 控制節(jié)點控制框圖如圖7所示。

3.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點

協(xié)調(diào)器通過WiFi將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，大數(shù)據(jù)云平臺和手機從服務(wù)器上接收遠端大棚作物環(huán)境參數(shù)，LED點陣也可從服務(wù)器上接收數(shù)據(jù)，通過語音播報和智能顯示屏顯示當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)。網(wǎng)關(guān)框圖如圖8所示。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)感知層

SHT20溫濕度傳感器實物如圖9所示，B-LUX-V30B環(huán)境光傳感器如圖10所示，土壤濕度傳感器如圖11所示，CO2濃度傳感器如圖12所示。

4.2 系統(tǒng)傳輸層

4.2.1 ZigBee模塊

ZigBee模塊如圖13所示，蜜蜂一旦發(fā)現(xiàn)花粉，就會用飛翔和抖動翅膀的方式向同伴傳遞花粉所在位置、距離、方向等信息，因此每個蜜蜂就成為了通信點，最終構(gòu)成一個群體通信網(wǎng)絡(luò)，ZigBee由此而來。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)是IEEE802.15.4協(xié)議網(wǎng)絡(luò)，由四層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)組成，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。我們之所以選擇ZigBee，原因在于其功耗低，在工作模式下，ZigBee節(jié)點非常省電，電池工作時間長，可保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，易于持續(xù)收集從環(huán)境采集的數(shù)據(jù)，且組網(wǎng)簡單，易于調(diào)試。

4.2.2 WiFi模塊

CC3200 WiFi模塊如圖14所示。針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的SimpleLink CC3200是一款集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU的無線MCU，可使客戶能夠用單個集成電路（IC）開發(fā)全部應(yīng)用。借助片上WiFi、互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)健耐用的安全協(xié)議，無需經(jīng)驗即可實現(xiàn)快速開發(fā)。CC3200支持最新的ZigBee協(xié)議，相比以前的協(xié)議棧具有更好的互操作性，且低成本，功耗低，更安全可靠，支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)更遠的通信距離。

4.3 系統(tǒng)控制層

4.3.1 主控芯片

產(chǎn)品選擇的系統(tǒng)控制層芯片為stm32f103c8t6，作為32位

的主控芯片不僅具有比51內(nèi)核芯片更強大的運算能力，其內(nèi)置FLASH還能夠快速存儲更多數(shù)據(jù)。此外stm32f103c8t6的48引腳相對于同系列的其他芯片引腳更少，更加小型化。stm32f103c8t6實物如圖15所示。

4.3.2 電機驅(qū)動

當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過閾值時，風(fēng)扇、水泵和補光燈可自動進行調(diào)控，進行排氣、加濕、補光等操作。風(fēng)扇、植物補光燈、水泵如圖16～圖18所示。

4.4 用戶界面

Android是在Linux內(nèi)核的基礎(chǔ)上，由Google公司于前幾年推出的一款操作系統(tǒng)，其組成包括應(yīng)用軟件、操作系統(tǒng)、中間件、用戶友好界面應(yīng)用軟件。Android界面如圖19所示。

4.5 軟件開發(fā)環(huán)境

2013年10月，Keil公司（ARM公司之一）正式推出Keil MDK v5，該版本使用μVision5 IDE集成開發(fā)環(huán)境，是目前針對ARM微控制器，尤其是ARM Cortex-M內(nèi)核微控制器的最佳集成開發(fā)工具。MDK5編譯環(huán)境如圖20所示。

Eclipse是一個開放源代碼的軟件開發(fā)項目，專注為高度集成的工具開發(fā)提供全功能的、具有商業(yè)品質(zhì)的工業(yè)平臺。Eclipse開發(fā)環(huán)境如圖21所示。

Altium Designer是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運行在Windows操作系統(tǒng)，為設(shè)計者提供全新的設(shè)計解決方案，提高設(shè)計開發(fā)效率。ZigBee節(jié)點與協(xié)調(diào)器PCB板如圖22所示。