基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

蔡紹博 蔡紹碩 張軍 鮑玲玲

（1.長江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434025；2.青島海紋智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司，山東 青島 266001；3.武漢市春曉曲農(nóng)業(yè)科技有限公司，湖北 武漢 430211；4.武漢菜佰仟數(shù)字農(nóng)業(yè)科技有限公司，湖北 武漢 430074；5.長江大學(xué)教育與體育學(xué)院，湖北 荊州 434025）

雖然與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用于農(nóng)業(yè)智能化控制方面起步晚、技術(shù)落后，但近些年隨著我國政府政策的大力扶持和國內(nèi)市場巨大需求的刺激，我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)大棚和大棚智能化控制方面的應(yīng)用也取得了許多科研成果和實踐經(jīng)驗。例如，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張猛等［1］提出基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由多個基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的子溫室監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，這些子監(jiān)控系統(tǒng)把各自采集的數(shù)據(jù)上傳至總服務(wù)器，通過總監(jiān)控系統(tǒng)及控制算法，實現(xiàn)對溫室生態(tài)因子的實時監(jiān)測和控制；天津市氣候中心的黎貞發(fā)［2］等研發(fā)了具有數(shù)據(jù)實時采集、低溫災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警發(fā)布和遠(yuǎn)程加溫控制一體功能的基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室低溫災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；江南大學(xué)的潘金珠等［3］研發(fā)了通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集終端傳感器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測中心，用戶通過PC或手機終端進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測和調(diào)控溫室里的終端設(shè)備，從而實現(xiàn)對溫室大棚里生態(tài)信息實時監(jiān)測和對設(shè)備遠(yuǎn)程自動控制。此類的物聯(lián)網(wǎng)研究有效地推動了我國農(nóng)業(yè)向智能化和自動化方向前進(jìn)的步伐。

但是，基于ZigBee自組網(wǎng)或者藍(lán)牙局域性網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)在實際應(yīng)用中存在落地的設(shè)計方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開發(fā)成本高、開發(fā)周期長等諸多問題。因此，設(shè)計具有數(shù)據(jù)采集上傳、網(wǎng)絡(luò)通信和遠(yuǎn)程控制功能的簡單智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是未來物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要趨勢。隨著鄉(xiāng)村的振興發(fā)展，在覆蓋面積廣、種植環(huán)境復(fù)雜的溫室大棚中發(fā)展智能化已然成為一種大趨勢。因此，筆者試圖在這些難點難題上進(jìn)行部分創(chuàng)新，設(shè)計出一種利用無線分組的WiFi長距離通信技術(shù)的新型環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)模塊ESPP8266，開發(fā)智能終端與遠(yuǎn)程上層控制端通過傳感器建立數(shù)據(jù)系統(tǒng)，形成溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測體系，利用手機軟件來控制機器設(shè)備。硬件部分由終端集成通信模塊、傳感器采集模塊、電源模塊、繼電器和終端執(zhí)行器模塊組成，通過軟硬件的結(jié)合使用，實現(xiàn)高效服務(wù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

1 智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

智能農(nóng)業(yè)是指通過新興科學(xué)技術(shù)來對農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行溫度、濕度及光照強度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。在農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中，需要實現(xiàn)大棚、云端、用戶之間的互聯(lián)，在大棚與云端之間，利用WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；在云端與用戶之間，利用互聯(lián)網(wǎng)（2G、3G、4G、5G等網(wǎng)絡(luò)）實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與控制［4］。

項目組通過多年的智慧農(nóng)業(yè)項目實踐，總結(jié)出智慧農(nóng)業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的應(yīng)用原理，如圖1所示，智慧農(nóng)業(yè)以數(shù)據(jù)處理為中心，以顯示屏和手機端為核心，接收來自3個方面的數(shù)據(jù)：一是通過攝像頭、氣象站和無人機獲得圖像等信息；二是通過有線采集終端獲得蟲情監(jiān)測和土壤墑情監(jiān)測信息；三是通過無感采集終端獲得光照、土壤溫濕度、空氣溫濕度、土壤氮磷鉀、紫外線、土壤電導(dǎo)率、二氧化碳、土壤pH數(shù)據(jù)。進(jìn)而在數(shù)據(jù)分析處理中對農(nóng)業(yè)種植情況進(jìn)行判斷，從而對農(nóng)業(yè)設(shè)備終端采取下發(fā)指令來實現(xiàn)智能控制。對其進(jìn)行設(shè)計時智能監(jiān)控系統(tǒng)作為整個智能農(nóng)業(yè)的一個核心環(huán)節(jié)，充分考慮個性化定制和經(jīng)濟成本的因素，通過傳感器與開發(fā)板，可局部或部分實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的功能。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用原理與模式

當(dāng)裝有濕敏和熱敏元件的溫濕度傳感器搭載HarmonyOS開發(fā)板時，利用串口實時獲取傳感器檢測的數(shù)據(jù)，再用開發(fā)板的主控WiFi將串口獲取的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到云端［5］。WiFi無線電波覆蓋范圍廣，半徑可達(dá)100 m，傳輸速率快，可以讓系統(tǒng)更加實時，并且WiFi網(wǎng)絡(luò)更具有可靠性，可以防止數(shù)據(jù)丟失。

2 智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與試驗分析

2.1 系統(tǒng)的基本架構(gòu)與功能實現(xiàn)

系統(tǒng)整體架構(gòu)分為3層：感知層、信息層和用戶層，如圖1所示。其中，感知層利用E53系列的溫濕度傳感器，將農(nóng)業(yè)大棚的溫度、濕度、光照度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器搭載在BearPi（HarmonyOS）的開發(fā)板上，傳感器通過串口向開發(fā)板發(fā)送檢測的溫濕度、光照強度數(shù)據(jù)，實時獲取大棚內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)。信息層則由華為云設(shè)備接入IoT功能，將感知層的設(shè)備連接上云，并設(shè)計響應(yīng)的指令命令，開發(fā)板通過WiFi主控模塊，利用WiFi技術(shù)，將感知層獲取的環(huán)境參數(shù)實時發(fā)送到云端，云端可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的判斷分類和處理，還可以進(jìn)行命令的下發(fā)。而用戶層則使用Android技術(shù)，基于Linux內(nèi)核與JAVA語言，用戶既可以接收云端實時監(jiān)控的環(huán)境數(shù)據(jù)，也可以進(jìn)行指令的發(fā)送［6］。

在該架構(gòu)下，該監(jiān)控系統(tǒng)具備實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)查詢與警告、遠(yuǎn)程查詢與控制等功能。系統(tǒng)通過底層采集節(jié)點實時采集溫室里的環(huán)境參數(shù)，將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)器，以直觀的圖表方式顯示并提供報警信息。當(dāng)數(shù)據(jù)超出預(yù)先設(shè)定的值時，終端環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備便進(jìn)行自動調(diào)節(jié)和控制。系統(tǒng)可以實時查詢溫室內(nèi)的各項環(huán)境參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)，分析農(nóng)作物生長環(huán)境變化趨勢，輔助用戶做出正確的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策。

2.2 軟件設(shè)計與系統(tǒng)實現(xiàn)

軟件設(shè)計主要包括終端節(jié)點設(shè)計、匯聚節(jié)點設(shè)計和服務(wù)平臺軟件設(shè)計。采集節(jié)點間通過串行總線相連，采集點和匯聚節(jié)點通過WiFi網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)的傳輸。首先是環(huán)境參數(shù)的獲取以及處理，在大棚內(nèi)部安裝感知層設(shè)備，進(jìn)行種植環(huán)境參數(shù)的檢測。將檢測的數(shù)據(jù)值通過WiFi網(wǎng)絡(luò)上傳到云端。其次，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)接收來自感知層的數(shù)據(jù)，云端對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測與感知層設(shè)備的調(diào)試，設(shè)備的調(diào)試通過云平臺向設(shè)備端發(fā)送請求和設(shè)備端響應(yīng)請求。在進(jìn)行請求時，需要進(jìn)行Token驗證，響應(yīng)包括設(shè)備服務(wù)ID及數(shù)據(jù)參數(shù)，云端除了會接收環(huán)境參數(shù)以外，當(dāng)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常時，還能接收感知設(shè)備發(fā)送預(yù)警信息。最后用戶通過Android端來進(jìn)行控制，當(dāng)用戶打開Android客戶端時，顯示一個主界面。如圖2所示。主界面包括信息監(jiān)測和設(shè)備控制2個模塊，2個模塊可以分別進(jìn)行點擊響應(yīng)來實現(xiàn)不同的功能［7］。點擊信息監(jiān)測界面時，可以實時查看棚內(nèi)的溫度、濕度及光照度的值。設(shè)備控制界面可以對棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行操作，開啟風(fēng)扇通風(fēng)，光照度不足時打開日光燈補充光照等。

圖2 智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)

Android端控制系統(tǒng)主要包括2個部分：界面布局和功能實現(xiàn)。界面布局需要實現(xiàn)主界面、信息監(jiān)測界面和設(shè)備控制界面3個界面（見圖3）的顯示，功能實現(xiàn)包括數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)顯示，通信模塊主要分為數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。其中，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊是將Android客戶端的指令信息通過TCP/IP傳輸協(xié)議傳輸至服務(wù)器，數(shù)據(jù)接收模塊則是讓Android客戶端接收來自云端的數(shù)據(jù)信息［8］。數(shù)據(jù)顯示讓從云端獲取的數(shù)據(jù)通過適配在Android界面完整顯示。

圖3 Android端整體設(shè)計圖

2.3 系統(tǒng)軟件運行試驗分析

為進(jìn)行該系統(tǒng)的運用分析，筆者進(jìn)行了一次場景運用試驗，按照1:1 000的比例還原了該系統(tǒng)所需的溫室系統(tǒng)環(huán)境，設(shè)計出了一個3 m2大小的微縮型溫室大棚，設(shè)置了2個傳感器和1個路由器，簡易開發(fā)了Android客戶端，確保大棚內(nèi)的任何一個感知層設(shè)備都能夠連接上網(wǎng)絡(luò)，能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問，將感知層的設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到云端進(jìn)行分析處理。當(dāng)云端對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，Android客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，接收來自云端的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)?？梢姡谡w功能的測試中，主要是對實現(xiàn)智能終端數(shù)據(jù)的采集、云平臺對下位機數(shù)據(jù)的接收和處理、終端設(shè)備響應(yīng)上位機命令、事件觸發(fā)機制等這幾個模塊的功能進(jìn)行測試。

本次測試中，網(wǎng)關(guān)接收智能終端傳感器采集的生態(tài)因子數(shù)據(jù)，通過解析上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺，并通過手機APP移動端能夠?qū)崟r查看數(shù)據(jù)。另外，在測試終端設(shè)備響應(yīng)上位機命令功能中，本系統(tǒng)要求云平臺下發(fā)指令，可以實現(xiàn)對散熱風(fēng)扇、補光燈和微型水泵終端設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，從而實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)的散熱、通風(fēng)、補光、澆水，以保證農(nóng)作物生長環(huán)境適宜。全流程測試下來，整套數(shù)據(jù)采集流程均成功實現(xiàn)，可見系統(tǒng)的實驗室運行是可行的。

在上述實驗室測試中，搭建的無線網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確對終端傳感器數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行傳輸，空氣溫濕度、光照度、土壤溫濕度等實時數(shù)據(jù)均能準(zhǔn)確顯示在監(jiān)控界面上。因此，當(dāng)這個微縮型系統(tǒng)在6 667 m2的溫室大棚中應(yīng)用時，通過對感知層設(shè)備的覆蓋范圍計算，一個感知節(jié)點能夠有效檢測覆蓋面積在50 m2左右，每6 667 m2需要安裝130個感知節(jié)點才能進(jìn)行有效檢測；而一個路由器的覆蓋范圍在200 m2左右，6 667 m2需要安裝35個路由器，讓所有的感知節(jié)點都能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問。同時，根據(jù)某網(wǎng)站提供的價格，一個開發(fā)板+溫濕度傳感器的價格在100元左右，而一個常規(guī)版路由器的價格在50元左右，因此，筆者設(shè)計的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在一個6 667 m2的大棚應(yīng)用，費用可控制在1萬元左右。這也證明了改進(jìn)后的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)能夠極大地降低使用成本。

3 結(jié)語

筆者設(shè)計的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采用了目前國內(nèi)較為先進(jìn)專業(yè)的華為云物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，簡化了物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)方案的復(fù)雜度，較傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案減少了大量的開發(fā)時間和開發(fā)成本。農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控是智能農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，筆者利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對系統(tǒng)智能終端各功能模塊進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)，構(gòu)建的這種新型監(jiān)控系統(tǒng)利用終端傳感器成功實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)生態(tài)因子的采集，在農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)測、指令傳達(dá)方面體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡單、通信距離遠(yuǎn)、采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定且精準(zhǔn)性高等優(yōu)勢。同時，在微縮版的試驗中，該系統(tǒng)的測試和調(diào)試階段也符合智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的條件和要求。因此，隨著5G網(wǎng)絡(luò)和WiFi6的發(fā)展，該用戶-云端-終端的智能監(jiān)測模式稍加改造，也可作其他農(nóng)業(yè)用途，具有廣闊的應(yīng)用空間。

但是，雖然筆者設(shè)計的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)和一定的實際運用價值，但是由于時間的限制和能力的不足，本系統(tǒng)相較于國內(nèi)外的智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)還存在一定的差距，希望在后期的研究中加入機器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以對大棚內(nèi)的病蟲害進(jìn)行檢測，并利用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)建立專家系統(tǒng)，遠(yuǎn)程給出相應(yīng)的治理方法。