基于STM32的山區(qū)核桃基地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳文斗 周 兵 朱 磊 李 青 張 勇 字少奇 劉天霞 楊文慶 唐興萍

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)學(xué)院，昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，昆明 650201；3.保山學(xué)院，保山，678000；4.云南追溯科技有限公司，昆明 650000；5.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，昆明，650210）

1 引言

云南是深紋核桃的起源地和分布中心，也是全球最大的核桃生產(chǎn)基地。截至2020 年底，云南核桃種植面積達(dá)4303 萬(wàn)畝，年產(chǎn)量148 萬(wàn)噸，年產(chǎn)值412 億元，種植面積、產(chǎn)量、產(chǎn)值均居全國(guó)第一。全省129 個(gè)縣（市、區(qū)）中，有116 個(gè)已發(fā)展了核桃種植產(chǎn)業(yè)，占總數(shù)的90%，主栽品種有漾濞泡核桃、三臺(tái)核桃、細(xì)香核桃等7 個(gè)品系。核桃不僅是云南廣大山區(qū)群眾增收致富的重要產(chǎn)業(yè)，同時(shí)還兼具良好的生態(tài)效果，為全省森林覆蓋率貢獻(xiàn)了7 個(gè)多百分點(diǎn)，為鞏固脫貧攻堅(jiān)成果和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略提供了核心支撐，核桃產(chǎn)業(yè)已成為支撐云南山區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)。

農(nóng)作物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)、病蟲(chóng)害等受環(huán)境溫濕度、光照條件、二氧化碳、降雨量和土壤溫濕度、PH值、肥力等環(huán)境因素的影響非常大，良好的基地環(huán)境是生產(chǎn)安全農(nóng)產(chǎn)品的基本條件，是提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和效益的關(guān)鍵所在[1-3]，因此，監(jiān)測(cè)和掌握農(nóng)作物基地環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有至關(guān)重要的作用[4]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，例如：Mare Srbinovsk等[5]人及Bartosz Pekoslawski 等[6]人分別設(shè)計(jì)了應(yīng)用于溫室內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境下各數(shù)據(jù)，如空氣及土壤的溫濕度、日照量等的采集及處理，大大降低了農(nóng)作物溫室的管理及消耗成本，實(shí)現(xiàn)了溫室下農(nóng)作物的科學(xué)養(yǎng)殖。朱均超等[7]設(shè)計(jì)了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)采集大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度及光照強(qiáng)度等6 個(gè)參數(shù)，運(yùn)用可視化的交互界面，提升了其大棚的經(jīng)濟(jì)效益及管理水平。李瑞等[8]開(kāi)展了大田農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀研究，提出了基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的大田作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和智慧管理，解決了大田區(qū)域化實(shí)際應(yīng)用中所面臨的問(wèn)題。肖婷等[9]設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的茶場(chǎng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)各項(xiàng)氣象傳感器采集茶場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)，通過(guò)GPRS 與主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主控模塊將這些環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、匯總、顯示等操作，再發(fā)送至管理員，提升茶場(chǎng)的管理效率，劉波平等[10]開(kāi)展了基于傳感器的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)方面的研究，通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)基地溫度、濕度以及光照等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，上述研究成果為物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了寶貴的借鑒意義和引導(dǎo)作用，但基于物聯(lián)網(wǎng)的核桃基地環(huán)境數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)方面研究的文獻(xiàn)尚未發(fā)現(xiàn)。

為開(kāi)展研究，本文對(duì)作為云南省“一縣一業(yè)”核桃產(chǎn)業(yè)示范縣、中國(guó)核桃水洗果第一縣的臨滄市鳳慶縣進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，核桃產(chǎn)業(yè)覆蓋全縣13 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)18 個(gè)村2768個(gè)村民小組8萬(wàn)多戶農(nóng)戶，單戶種植核桃最多達(dá)2.4 萬(wàn)多株，38 萬(wàn)多人從事核桃種植管理和經(jīng)營(yíng)加工活動(dòng)，占全縣總?cè)丝诘?0%，核桃已經(jīng)成為鳳慶縣的綠色經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一。

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鳳慶縣核桃產(chǎn)業(yè)種植、加工、管理相對(duì)粗放，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，加強(qiáng)核桃基地管理是核桃產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，也是提高核桃產(chǎn)品質(zhì)量的第一關(guān)，急需要對(duì)全縣區(qū)域內(nèi)核桃進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，從源頭上保證核桃產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)核桃基地大多處于偏遠(yuǎn)的山區(qū)，道路不便，供電供網(wǎng)困難，基地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)難度大，綜合考慮應(yīng)用需求，結(jié)合文獻(xiàn)查閱和專家訪談，確定影響核桃生長(zhǎng)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)境因子，融合物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、區(qū)塊鏈等技術(shù)，從主控模塊、通信、供電、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)安全等方面開(kāi)展了研究，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)山區(qū)核桃基地環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將研究成果在鳳慶縣四個(gè)核心核桃產(chǎn)區(qū)進(jìn)行應(yīng)用示范，取得了較好效果，為推動(dòng)核桃產(chǎn)業(yè)鏈、價(jià)值鏈、供應(yīng)鏈分解重構(gòu)和演化升級(jí)，打造智慧、綠色、生態(tài)的核桃品牌提供數(shù)據(jù)支撐和參考。

2 系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

核桃基地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以阿里云AIoT物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)，整合NB-IoT、區(qū)塊鏈等關(guān)鍵技術(shù)，完成了環(huán)基地境監(jiān)測(cè)終端、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、區(qū)塊鏈部署、數(shù)據(jù)可視化和決策分析系統(tǒng)等硬件及軟件核心功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.1 System framework diagram

通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)終端對(duì)核桃基地所處自然環(huán)境的空氣、土壤、日照等一系列環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為開(kāi)展核桃基地環(huán)境與核桃產(chǎn)品品質(zhì)、產(chǎn)量、病蟲(chóng)害、品種等相關(guān)性數(shù)據(jù)分析和決策提供數(shù)據(jù)來(lái)源及支撐。設(shè)備通過(guò)MQTT 連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云，系統(tǒng)可通過(guò)統(tǒng)一的API向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端下發(fā)指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、固件升級(jí)，為保證物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性，防止被惡意篡改，系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行深度融合，為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)存證、數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)、時(shí)間戳、位置戳和數(shù)據(jù)鑒權(quán)服務(wù)。為便于不同用戶訪問(wèn)數(shù)據(jù)的便捷性和直觀性，實(shí)時(shí)掌握基地環(huán)境數(shù)據(jù)變化，系統(tǒng)融合大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，采用“PC 端+大屏端+移動(dòng)端”三端融合方式進(jìn)行構(gòu)架設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著核桃基地環(huán)境數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾δ?。通過(guò)大量資料查閱和對(duì)市場(chǎng)上主流的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前大多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器在室外及偏遠(yuǎn)山區(qū)環(huán)境下，存在防水性差、不耐腐蝕等缺點(diǎn)，且在供電、供網(wǎng)方面也存在不足，難以在偏遠(yuǎn)山區(qū)進(jìn)行大規(guī)模使用和推廣。為此，結(jié)合核桃基地環(huán)境數(shù)據(jù)采集需求和現(xiàn)狀，本文對(duì)廣泛適用于山區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)的核桃等農(nóng)作物的基地環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，系統(tǒng)基于NB-IoT 技術(shù)、4G 技術(shù)及太陽(yáng)能供電技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，其硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram

硬件電路工作原理是：主控制器STM32 通過(guò)Modbus 協(xié)議、IIC、PWM 和模擬量等方式，讀取各類傳感器收集的環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的換算、初步處理，感知環(huán)境變化，將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編碼后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)皆破脚_(tái)，并采用LED 顯示屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[11]；電源模塊使用太陽(yáng)能鋰電池為整套設(shè)備供電，傳感器、網(wǎng)絡(luò)模塊等子模塊的供電由主控制器統(tǒng)一管理，盡可能降低整體功耗，提升設(shè)備續(xù)航能力。

3.1 STM32主控模塊設(shè)計(jì)

核桃基地環(huán)境監(jiān)測(cè)終端主控模塊基于STM 32開(kāi)發(fā)，其微控制器采用ST公司出品的ARM32位CortexTM-M3 型CPU，具有高性能、低功耗、低成本的特性，具備112 個(gè)快速I/O 端口供產(chǎn)品開(kāi)發(fā)使用主控模塊主要由STM32 芯片、低速晶振、高速晶振、重啟電路、LED 指示燈、存儲(chǔ)器、調(diào)試端口、外接端口組成[12,13]，如圖3所示。

圖3 主控模塊芯片硬件原理圖Fig.3 The hardware principle diagram of the main control module chip

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸模塊由傳感器數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)關(guān)信息傳輸兩者組成，前者負(fù)責(zé)通過(guò)主控單元將采集的基地環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸；后者則是終端內(nèi)信息的傳輸、交互、與云端通信，模塊能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇NB-IoT網(wǎng)絡(luò)或4G LTE實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[14]。

數(shù)據(jù)傳輸部分包括芯片內(nèi)置IIC 模塊、內(nèi)置ADC、RS485 模塊，其中RS485 模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 RS485網(wǎng)關(guān)電路圖Fig.4 RS485 gateway circuit diagram

網(wǎng)關(guān)信息傳輸模塊選用NB-M5311 全網(wǎng)通模組設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 NB模塊電路原理圖Fig.5 Circuit schematic diagram of NB module

3.3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)桃基地環(huán)境數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測(cè)需求和核桃基地關(guān)鍵環(huán)境因子進(jìn)行分析，本文將核桃基地環(huán)境數(shù)據(jù)分為大氣類、土壤類、日照類三種環(huán)境因素，具體的參數(shù)名稱如表1 所示，所采集的信息包括影響核桃生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境因素，同時(shí)為監(jiān)測(cè)核桃種植是否出現(xiàn)廢氣廢水、塵埃污染情況，增加了大氣壓、二氧化碳濃度、PM2.5及PM10的檢測(cè)。

表1 傳感器采集的環(huán)境參數(shù)Table 1 Environmental parameters to be collected

另外考慮傳感器元件需要避免因外界環(huán)境因素造成腐蝕、失效、精度缺失等問(wèn)題[15]，在傳感器從選型上以防水，耐腐蝕，使用壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，易安裝維護(hù)作為基礎(chǔ)要求，所以此次設(shè)計(jì)在大氣類傳感器元件選型上使用可采集多種環(huán)境參數(shù)為一體的百葉箱型傳感器，如圖6 所示。土壤類選擇土壤溫濕度電導(dǎo)率三合一、土壤鹽度、土壤PH 值傳感器，如圖7所示。日照類傳感器選擇TBQ 總輻射和光照度傳感器，如圖8所示。

圖6 百葉箱型傳感Fig.6 hundred leaf box sensor

圖7 土壤類傳感器Fig.7 soil sensors

圖8 TBQ總輻射和光照度傳感器Fig.8 TBQ total radiation and illumination sensor

3.4 供電模塊設(shè)計(jì)

經(jīng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)核桃基地大多位于山區(qū)，環(huán)境較偏遠(yuǎn)，電源供給較困難，終端需自帶供電模塊。目前市面上室外供電的有風(fēng)電及光電發(fā)電設(shè)備，但風(fēng)電相關(guān)設(shè)備組維修費(fèi)用高，并且風(fēng)電的不穩(wěn)定性是制約風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵因素。而核桃基地多位于坡度較緩的陽(yáng)坡，日光充足，光照強(qiáng)度符合太陽(yáng)能發(fā)電需求；此外太陽(yáng)能鋰電池與鉛酸電池相比較，具有價(jià)格適中、輕便、容量大、使用壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保、安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)[16]。所以本系統(tǒng)選用60W 太陽(yáng)能搭配12V48AH鋰電池作為供電模塊，同時(shí)對(duì)所有用電模塊進(jìn)行供電控制，在傳感器采集讀數(shù)前進(jìn)行預(yù)熱供電，數(shù)據(jù)采集完成到下一次采集周期前進(jìn)行休眠并自動(dòng)斷開(kāi)無(wú)需持續(xù)供電的設(shè)備，進(jìn)一步降低整體功耗。經(jīng)實(shí)測(cè)，該電池在連續(xù)一周的陰天里能夠給各模塊進(jìn)行供電并穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)端設(shè)計(jì)、區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)及部署、數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)的設(shè)計(jì)3 個(gè)部分。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于Java開(kāi)發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)運(yùn)用阿里云物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)做數(shù)據(jù)收取和轉(zhuǎn)發(fā)，運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)，將3個(gè)部分的設(shè)計(jì)融合貫穿，采用對(duì)環(huán)境信息的采集、傳輸、加密的手段，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)端設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)端設(shè)計(jì)采用分層架構(gòu)，該架構(gòu)邏輯易于理解和開(kāi)發(fā)，平臺(tái)支持一鍵部署，能快速進(jìn)行數(shù)據(jù)及設(shè)備管理，可根據(jù)系統(tǒng)使用需求進(jìn)行功能更改及擴(kuò)展，平臺(tái)接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)資源，系統(tǒng)可用性較高，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較均衡，各層業(yè)務(wù)邏輯能夠與上一層高度契合[17]。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)如下：

4.2 區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)及部署

區(qū)塊鏈的設(shè)計(jì)和部署部分解決了數(shù)據(jù)的安全問(wèn)題，可以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，主要包含區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的搭建、構(gòu)架設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)上鏈過(guò)程。區(qū)塊鏈具有去中心化、可追溯性、透明度高等特性，可以有效提高數(shù)據(jù)質(zhì)量、保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性[18，19]。考慮到本次環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)及傳感網(wǎng)的安全性、隱私性等安全隱患，采用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行多中心或分散式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這樣一來(lái)就能夠消除單線程通信(STC)的信任危機(jī)[18]；同時(shí)結(jié)合區(qū)塊鏈特點(diǎn)能夠解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)容易篡改、隱私數(shù)據(jù)容易被泄露等弊端[19]，保障環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全可靠，不可篡改。為方便對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行搭建，首先通過(guò)創(chuàng)建node1、node2、node3 節(jié)點(diǎn)目錄；隨后將output 節(jié)點(diǎn)根目錄放入各目錄中，生成私鑰及netURL，通過(guò)vi編輯器修改3 個(gè)節(jié)點(diǎn)中的port 端口號(hào)及相關(guān)配置參數(shù)；最后搭建超級(jí)鏈的P2P網(wǎng)絡(luò)，核桃基地環(huán)境數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈整體構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 核桃基地環(huán)境數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈整體構(gòu)架Fig.10 The overall structure of the environmental data blockchain of the walnut base

基礎(chǔ)層，與終端設(shè)備連接，以物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)為核心，連接環(huán)境采集模塊各傳感設(shè)備，通過(guò)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)及MQTT物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，完成對(duì)數(shù)據(jù)的通訊[20]。

數(shù)據(jù)層，在超級(jí)鏈中采用樹(shù)形區(qū)塊鏈，即環(huán)境搭建中的output節(jié)點(diǎn)根目錄及node1～node3目錄作為數(shù)據(jù)層區(qū)塊鏈技術(shù)方案。

圖9 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)Fig.9 Internet of things platform architecture

應(yīng)用層，主要由監(jiān)管端及服務(wù)端構(gòu)成，監(jiān)管端負(fù)責(zé)對(duì)核桃種植基地進(jìn)行審核認(rèn)證是否為核桃種植基地，并進(jìn)行核桃放置終端，加入平臺(tái)等服務(wù)，申請(qǐng)過(guò)后提供核桃基地環(huán)境數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)加密溯源、配置管理。

展示層，對(duì)用戶提供核桃基地、環(huán)境數(shù)據(jù)展示的訪問(wèn)、實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)微信小程序及門戶網(wǎng)站進(jìn)行顯示及數(shù)據(jù)溯源查詢，管理賬戶通過(guò)管理界面實(shí)現(xiàn)對(duì)核桃基地、終端設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)加密溯源等全過(guò)程的管理。

核桃基地環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中區(qū)塊鏈工作流程如圖11 所示，在環(huán)境監(jiān)測(cè)終端采集環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)傳輸至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后，通過(guò)調(diào)用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)API 接口把核桃環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至本地的數(shù)據(jù)庫(kù)[21，22]。本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)將核桃環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至可視化平臺(tái)中，供用戶查看。之后本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)通過(guò)超級(jí)鏈中xchain 進(jìn)行數(shù)據(jù)上鏈，通過(guò)SHA256 數(shù)字簽名算法發(fā)起區(qū)塊鏈各節(jié)點(diǎn)數(shù)字簽名。

圖11 系統(tǒng)區(qū)塊鏈工作流程Fig.11 System blockchain workflow

4.3 數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，提供決策依據(jù)。平臺(tái)采用“PC 端+移動(dòng)端+大頻端”的架構(gòu)。PC 端主要用于管理及顯示核桃基地環(huán)境數(shù)據(jù)信息，采用B/S 架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)登錄、與阿里云平臺(tái)通信、基地信息管理、數(shù)據(jù)顯示等功能，并且具有分布性、共享強(qiáng)、業(yè)務(wù)擴(kuò)展簡(jiǎn)單、易維護(hù)等特點(diǎn)，后續(xù)的平臺(tái)程序升級(jí)也更為方便，數(shù)據(jù)較安全，開(kāi)發(fā)所需的成本也比較低。

其中圖12 為在PC 端顯示的實(shí)時(shí)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，可以查看到各個(gè)基地的氣象信息、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控信息、視頻監(jiān)控信息；圖13 為各傳感器采集核桃環(huán)境歷史數(shù)據(jù)折線圖，可以根據(jù)之前設(shè)定的閾值判斷核桃環(huán)境是否適宜生長(zhǎng)。圖14 為PC 端各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的一個(gè)管理界面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)核桃環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行增刪查改功能，以便用戶管理。圖15 為顯示選擇的核桃環(huán)境數(shù)據(jù)的一個(gè)歷史報(bào)表界面，可點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)顯示該項(xiàng)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，并且還可按照Excel 格式導(dǎo)出數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖12 PC端數(shù)據(jù)顯示Fig.12 Data display on PC

圖13 歷史數(shù)據(jù)折線圖Fig.13 line chart of historical data

圖14 監(jiān)測(cè)點(diǎn)增刪查改Fig.14 addition,deletion,inspection and modification of monitoring sites

圖15 歷史數(shù)據(jù)Fig.15 historical data

移動(dòng)端的設(shè)計(jì)采用微信小程序框架，主要實(shí)現(xiàn)賬戶的一個(gè)登陸、注冊(cè)、核桃環(huán)境數(shù)據(jù)的一個(gè)可視化顯示，設(shè)計(jì)框架如圖16所示。小程序通過(guò)JsBridge調(diào)用系統(tǒng)層的功能，如網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求、緩存操作、微信驗(yàn)證登錄等，小程序的視圖層和邏輯層分別在兩個(gè)獨(dú)線程中運(yùn)行，都是通過(guò)JsBridge 進(jìn)行數(shù)據(jù)及功能的傳遞。終端中采集的核桃環(huán)境信息存儲(chǔ)在阿里云平臺(tái)中，小程序通過(guò)websocket協(xié)議向求阿里云請(qǐng)求調(diào)用核桃環(huán)境數(shù)據(jù)信息，在阿里云平臺(tái)采用json 將信息進(jìn)行打包[23-24]。平臺(tái)收到數(shù)據(jù)包后將json 字符串解析為各環(huán)境信息，并采用折線圖的方式展示各環(huán)境數(shù)據(jù)，以便用戶查看環(huán)境信息。

圖16 小程序框架圖Fig.16 Frame diagram of the applet

小程序端數(shù)據(jù)顯示界面如圖17所示。

圖17 小程序端數(shù)據(jù)顯示Fig.17 Applet side data display

5 物聯(lián)網(wǎng)在核桃產(chǎn)業(yè)智慧化發(fā)展中的應(yīng)用

發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，智慧農(nóng)業(yè)是多種學(xué)科融合的交叉領(lǐng)域，利用現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能傳感、自動(dòng)控制，以進(jìn)行農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)綜合管理和科學(xué)決策[25]。物聯(lián)網(wǎng)是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都是智慧農(nóng)業(yè)中的重要技術(shù)[26]，物聯(lián)網(wǎng)在核桃產(chǎn)業(yè)中對(duì)核桃生長(zhǎng)環(huán)境和質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)核桃生長(zhǎng)小區(qū)域氣候環(huán)境和土壤環(huán)境，建立核桃生長(zhǎng)模型、決策分析模型和預(yù)測(cè)預(yù)警模型，讓數(shù)據(jù)成為核桃實(shí)現(xiàn)核桃產(chǎn)業(yè)科學(xué)管理、精準(zhǔn)施肥、智能化病蟲(chóng)害防治、產(chǎn)量預(yù)測(cè)、品質(zhì)評(píng)估等，為核桃提供最適宜的生長(zhǎng)條件。此外，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)對(duì)核桃產(chǎn)品的可信追溯，以保證核桃產(chǎn)品的品質(zhì)和安全。物聯(lián)網(wǎng)在核桃產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用還體現(xiàn)在通過(guò)表型技術(shù)獲取和分析核桃植株的重要表型特征，為核桃產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程精準(zhǔn)管理和智慧育種提供了理論支撐和技術(shù)支持[27-28]；同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為解決核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展中品種雜亂、病蟲(chóng)害多、管理粗放、產(chǎn)業(yè)鏈短缺以及銷售渠道單一等問(wèn)題，使得核桃種植、銷售更科學(xué)、更智慧提供了支撐[29]。

6 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)已于2020 年12 月29 日開(kāi)始在鳳慶縣選擇了四個(gè)測(cè)試點(diǎn)（雪山鎮(zhèn)、勐佑鎮(zhèn)、大寺鄉(xiāng)、小灣鎮(zhèn)）開(kāi)始測(cè)試運(yùn)行，測(cè)試顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞延遲低于500 ms，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)99%，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性延遲300 ms，運(yùn)行結(jié)果表明，平臺(tái)各項(xiàng)功能均可以正常運(yùn)行，為降低功耗，監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)間隔30 分鐘采集并發(fā)送一次，截至目前已采集到163.2 萬(wàn)條核桃環(huán)境數(shù)據(jù)；并在測(cè)試期間通過(guò)高精度測(cè)試儀器與各傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以此對(duì)傳感器參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，縮小數(shù)據(jù)誤差，提高環(huán)境數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；至今，系統(tǒng)的相關(guān)硬件設(shè)施設(shè)備、軟件平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，已經(jīng)正式為鳳慶縣的核桃基地提供服務(wù)。

7 結(jié)論

本文圍繞云南省鳳慶縣“一縣一業(yè)”核桃示范縣建設(shè)需求為基礎(chǔ)，基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，運(yùn)用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及區(qū)塊鏈技術(shù)完成了核桃基地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)在一定的程度上解決了核桃基地信息化，科技化程度低的痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)影響核桃生產(chǎn)的環(huán)境參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)的快速、精準(zhǔn)采集和監(jiān)測(cè)；并針對(duì)鳳慶縣核桃基地位置偏遠(yuǎn)，供電供網(wǎng)難以保障的實(shí)際情況下，研究了太陽(yáng)能供電及NB網(wǎng)絡(luò)對(duì)終端進(jìn)行供電及網(wǎng)絡(luò)傳輸，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)物聯(lián)網(wǎng)難以工作的痛點(diǎn)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用實(shí)施是物聯(lián)網(wǎng)從桌面到田野的延伸[25]，讓農(nóng)業(yè)環(huán)境實(shí)時(shí)在線，將實(shí)時(shí)采集的傳感器數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的種植經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與數(shù)字化深度融合，研究成果為山區(qū)的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集和智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了一種參考。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高應(yīng)用推廣價(jià)值。