現(xiàn)代農業(yè)物聯(lián)網云平臺環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

王 娜 尹向東 楊振南

（1.湖南科技學院 傳媒學院，湖南 永州 425199；2.湖南科技學院 電子與信息工程學院，湖南 永州 425199）

隨著農業(yè)物聯(lián)網技術的迅速開展，使得傳統(tǒng)農業(yè)生產邁向智能化、輕型化。目前蔬菜大棚的監(jiān)測主要采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，需花費大量時間去對監(jiān)測樣品進行采集統(tǒng)計。這種方法難以進行大規(guī)模地、全面地監(jiān)測，工作量龐大且復雜困難，難以進行實時、有效的監(jiān)測[1]。所以搭建一個具備平穩(wěn)性、廣泛性、可符合智能監(jiān)測的蔬菜大棚監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的市場前景。

本系統(tǒng)利用各種傳感器、單片機技術和物聯(lián)網云平臺技術，通過采集作物環(huán)境中的溫濕度和害蟲等各方面數(shù)據，上傳至云平臺進行分析處理，用戶可以遠程進行調節(jié)處理，實現(xiàn)精確的自動控制，從而可以有效降低農業(yè)生產成本，提高生產效率，實現(xiàn)現(xiàn)代農業(yè)的智能化生產[2]。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)框架

整個檢測系統(tǒng)大致分為3 個部分：環(huán)境監(jiān)測服務器、物聯(lián)網云平臺、手機APP。

（1）環(huán)境監(jiān)測服務器

服務器硬件包含了 STM32 芯片、液晶顯示器12864、ESP8266 模塊、光電門、溫濕度傳感器DHT11、水位監(jiān)測模塊、光敏電阻。軟件組成包含了整個主程序的設計以及分各個模塊進行編程設計，如溫濕度采集和統(tǒng)計害蟲數(shù)量子程序設計，液晶顯示子程序設計，報警子程序設計，ESP8266 連接WIFI 上傳子程序設計。

（2）物聯(lián)網云平臺

整個監(jiān)測系統(tǒng)最核心的技術是物聯(lián)網技術，此系統(tǒng)物聯(lián)網的實現(xiàn)體現(xiàn)在首先硬件設備各個模塊能夠成功獲取數(shù)據，ESP8266 模塊接收到傳感器采集到的數(shù)據并實現(xiàn)WIFI 聯(lián)網成功將數(shù)據上傳到物聯(lián)網云平臺。然后使用云平臺提供的接口，從云平臺的服務器讀取數(shù)據，顯示在自己設計手機界面上可實時監(jiān)管。

（3）手機APP

在這個系統(tǒng)中用戶通過手機端 APP 可以實時獲取農田環(huán)境內的溫濕度參數(shù)和害蟲數(shù)量，農田環(huán)境監(jiān)測服務器通過手機端APP 向用戶反饋數(shù)據。手機端APP 提供數(shù)據的存儲，檢測；數(shù)據、命令的轉發(fā)。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)需實現(xiàn)的功能如下：

（1）可以采集到農田環(huán)境中的溫濕度參數(shù)、光照強度。粗略的計算害蟲數(shù)量，感受到雨滴滴落。并通過單片機對測量的數(shù)據進行基本處理和顯示，實現(xiàn)農田環(huán)境內的基本監(jiān)測。

（2）當采集到的數(shù)據超過預設值時及時給予報警提示。

（3）監(jiān)測設備要求具有遠程通訊功能、存儲功能，還應具有高靈敏度，高可靠性，高抗干擾能力等。

（4）系統(tǒng)通信采用ESP8266 模塊，需要能夠方便快捷的實現(xiàn)聯(lián)網，及時將各模塊測量數(shù)據進行保存處理并上傳到云平臺最后由手機端接收。

（5）手機端軟件編程應具有清晰界面、操作簡單等特點。

系統(tǒng)整體設計如圖1 所示。

圖1 農業(yè)物聯(lián)網云平臺監(jiān)測系統(tǒng)

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

按照上節(jié)的設計方案，設計了主程序、溫濕度采集和害蟲數(shù)量統(tǒng)計模塊子程序、溫濕度超限報警模塊、LCD 模塊子程序。本節(jié)著重介紹如何使用ESP8266 進行WIFI 傳輸，利用物聯(lián)網將數(shù)據送達云平臺，最后通過手機APP 實時獲取。

2.1 主程序設計

主程序設計流程圖如圖2 所示，首先是系統(tǒng)上電后單片機對系統(tǒng)中的各個模塊初始化，且本身需設置為初始化成功。硬件板塊上會用一個 LED 燈提示ESP8266 模塊是否聯(lián)網成功，初始化完成之后登陸到物聯(lián)網云平臺對監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據進行上傳處理，并且進行預判對比是否超過限值，若超限則啟動聲光報警，報警之后系統(tǒng)會延遲5s 再去進行新的數(shù)據采集。

采集數(shù)據依靠各子模塊的傳感器來進行，如結合DHT11 的工作時序來編寫如何準確采集溫濕度，采用光電門和水位傳感器的高低電平來進行計數(shù)和感受雨滴滴落。當有物體掉入光電門，雨滴滴落在傳感器上時會調用 LCD 子程序進行害蟲數(shù)量加一顯示相應的也會調用報警模塊進行報警。當采集完數(shù)據之后 ESP8266 模塊會進行聯(lián)網上傳將采集到的數(shù)據上傳到云平臺，工作模式是透傳模式，采用AT 指令來控制。

圖2 主程序設計流程圖

2.2 ESP8266 模塊

數(shù)據上傳主要是借助ESP8266WIFI 模塊，通過AT 指令控制ESP8266 模塊。用stm32 作為該系統(tǒng)硬件的主控芯片，利用串口與ESP8266 進行通信交互。聯(lián)網成功之后將采集數(shù)據上傳到云平臺，手機端從云平臺獲取。ESP8266 模塊的工作模式主要是STA/AP/STA+AP 三種，此系統(tǒng)中ESP8266 的工作模式是station 模式。作為整個系統(tǒng)基站，通過路由器（AP）連接WIFI 來連入internet，可向云平臺發(fā)送、下載數(shù)據。

用戶可隨時使用手機或者PC 端通過云平臺獲取數(shù)據，監(jiān)測到ESP8266 模塊情況，并能發(fā)送控制命令。ESP8266 模塊將數(shù)據上傳到物聯(lián)網云平臺采用了透傳功能。農田監(jiān)測服務器通過uart 將數(shù)據發(fā)給ESP8266 再連接WIFI 將數(shù)據傳輸?shù)皆破脚_。在傳輸過程中主要是將數(shù)據發(fā)到目標地址，不會進行處理，兩方接收內容完全一致。

2.3 物聯(lián)網云平臺

系統(tǒng)物聯(lián)網云平臺是利用各種物聯(lián)網技術如傳感器技術、無線傳輸技術、大數(shù)據處理技術和遠程控制等技術并結合因特網、WIFI 通信、云計算大數(shù)據技術來開發(fā)的物聯(lián)網云服務平臺，集結硬件設備在線采集、用戶遠程控制、WIFI 傳輸、數(shù)據存儲處理、發(fā)布預警信息多功能于一體的物聯(lián)網系統(tǒng)。用戶可通過手機、平板、計算機等信息終端，實時掌握傳感設備信息，及時獲取報警、預警信息，最終實現(xiàn)輕松簡單的管理。

此系統(tǒng)中物聯(lián)網云平臺相當于一個中間過渡作用，ESP8266 連接WIFI 上傳數(shù)據至云平臺，然后云平臺會提供 API 接口使自行編碼的手機 APP從服務器讀取數(shù)據。

云平臺項目的建立需要完成如下步驟：

（1）添加設備下的傳感器。共添加了五個傳感器，溫度、光照、濕度、昆蟲數(shù)量、報警。該監(jiān)測系統(tǒng)用的是獨立的WIFI 模塊，直接經過TCP 或MQTT 連接云平臺的關鍵設備，所采集到的數(shù)據被添加的WIFI 模塊上傳到云平臺。

（2）編寫接入代碼，實現(xiàn)傳感器數(shù)據采集、協(xié)議封裝、數(shù)據上傳。接入方式可運用TCP、MQTT、HTTP 等協(xié)議，通信方式采用WIFI；在接入云平臺編碼的過程中，可以用開發(fā)文檔中提供的 SDK 進行數(shù)據封裝。

（3）應用開發(fā)。利用云平臺提供的 API 接口自行編碼設計符合用戶需求的APP。

云平臺搭建成功才是整個系統(tǒng)實現(xiàn)物聯(lián)網的關鍵之處，使得用戶能夠簡便快捷的借助手機端、PC 端來查看環(huán)境監(jiān)測信息。

2.4 手機APP

手機端APP 開發(fā)對于云平臺提供的API 接口，使用okhttp 框架實現(xiàn)數(shù)據請求。云平臺通過自身的調試工具查看http 請求返回的(json)數(shù)據,使用gson框架解析服務器返回的json 數(shù)據，提取出自己需要的數(shù)據（包括AccountToken,傳感器的ID、時間和值），使用子線程序循環(huán)請求，更新數(shù)據。再將解析出來的數(shù)據顯示到UI 中。UI 主體界面為一個選項卡，對應各個傳感器的數(shù)據，如溫度、濕度。

結束語

經測試，本系統(tǒng)用戶端利用物聯(lián)網云平臺，可使用手機APP 實時實時監(jiān)管，能夠監(jiān)測到環(huán)境中的溫度、濕度、害蟲數(shù)量、光照強度及雨滴，能夠及時開啟報警反映環(huán)境中的實時數(shù)據。由于水平有限，系統(tǒng)還存在許多不足之處，今后我們將進一步對系統(tǒng)進行改進，譬如設置自動調節(jié)控制功能，以達到降低功耗和減輕人員的工作量的目標。