基于云平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳超 趙紅

摘要：智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、傳感器、通信模塊、控制模塊以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的多輸入、多輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)。以STC15W4K56S4單片機(jī)為控制核心，Air724 4G為通信模塊，光照傳感器、二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器等組成信息采集系統(tǒng)，搭建了硬件平臺(tái)?；贛QTT協(xié)議開(kāi)發(fā)軟件，將環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集、信息處理、終端控制的信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程檢測(cè)與控制。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè);云平臺(tái);MQTT;Air724 4G

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）15-0117-03

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，鄉(xiāng)村振興是國(guó)家戰(zhàn)略。雖然信息化、智能化、自動(dòng)化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)耕種方式在我國(guó)正漸漸取代傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型、粗放式的種植方式，但農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理和自動(dòng)化程度遠(yuǎn)不及歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。相較于美國(guó)從事農(nóng)業(yè)人口僅占美國(guó)總?cè)丝?%的數(shù)據(jù)比例，我國(guó)農(nóng)業(yè)設(shè)施智能化管理的普及顯得尤為重要。通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)遠(yuǎn)程控制管理農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)，不僅能大大節(jié)省人力物力，還能提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的進(jìn)步與創(chuàng)新，加快農(nóng)村地區(qū)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式[1]。

我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)歷了手動(dòng)人工控制、自動(dòng)化控制和智慧化控制三個(gè)階段[2]。智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)將手動(dòng)人工與自動(dòng)化控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)到自動(dòng)、再到智能化控制的過(guò)渡[3]。智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)主要涉及對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的檢測(cè)與控制，包括空氣溫度與濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、空氣中二氧化碳的含量等信息的檢測(cè)。采用傳感器等設(shè)備采集數(shù)據(jù)和信息加以處理后，將處理好的信息上傳至上位機(jī)和云平臺(tái)，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化對(duì)終端設(shè)備發(fā)出指令，改變農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，形成“采集—處理—控制”的閉合控制系統(tǒng)[4，5]。

1 智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)包括軟件和硬件兩個(gè)方面，通過(guò)各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需求手動(dòng)控制風(fēng)扇與水泵開(kāi)與關(guān);通過(guò)OLED顯示屏顯示光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、土壤濕度以及二氧化碳濃度等。

智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，由計(jì)算機(jī)、傳感器、通信模塊、控制模塊以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成多輸入、多輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)。終端數(shù)據(jù)采集模塊為各種傳感器，數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊傳送至MQTT代理服務(wù)器，用戶通過(guò)客戶端軟件和移動(dòng)客戶端可以查看數(shù)據(jù)和發(fā)出指令。

1.2 智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)角色設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的用戶角色分為四種，分別是系統(tǒng)總控管理員、分區(qū)管理員、系統(tǒng)運(yùn)維人員、用戶。各類角色從事的工作不同，并擁有不同的系統(tǒng)管理權(quán)限，相互協(xié)調(diào)，分工明確，推進(jìn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

1）系統(tǒng)總控管理員

系統(tǒng)總控管理員是整個(gè)智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的總控制管理者，擁有系統(tǒng)所有的管理權(quán)限，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌所有系統(tǒng)的管理工作，具有最高決定權(quán)與執(zhí)行權(quán)。系統(tǒng)總控管理員可以對(duì)分區(qū)管理員、系統(tǒng)運(yùn)維人員以及用戶進(jìn)行管理，同時(shí)可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要對(duì)其核心參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和適時(shí)優(yōu)化。

2）分區(qū)管理員

分區(qū)管理員是地位僅次于系統(tǒng)總控管理員的一個(gè)角色，主要負(fù)責(zé)某個(gè)地區(qū)的管理工作，起到連接總控管理員與用戶的一個(gè)橋梁作用。分區(qū)管理員既可以指導(dǎo)與輔助用戶的使用工作，也可以分擔(dān)系統(tǒng)總控管理員的地區(qū)管理工作，對(duì)其負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的智能溫室系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整與管理，實(shí)時(shí)查看所在區(qū)域溫室大棚的環(huán)境參數(shù)變化。

3）系統(tǒng)運(yùn)維人員

系統(tǒng)運(yùn)維人員是負(fù)責(zé)智能溫室內(nèi)軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)，以及用戶后期的維護(hù)與維修工作，保障用戶的使用體驗(yàn)。同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)維人員也可輔助分區(qū)管理員對(duì)某地區(qū)的智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)更好運(yùn)作。

4）用戶

用戶是智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的客戶，直接使用智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。

2 智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖2所示，光照、二氧化碳、溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器采集數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)信息通過(guò)代碼傳輸給STC15W4K56S4， STC15將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信，在OLED顯示屏上顯示所采集數(shù)據(jù)的信息，STC15單片機(jī)與Air724 4G通信模組進(jìn)行UART通信，STC15通過(guò)串口1發(fā)送到Air724 4G通信模組中，Air724 4G通信模組通過(guò)MQTT協(xié)議將檢測(cè)的數(shù)據(jù)上報(bào)至云平臺(tái)，云平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，智能溫室用戶不用親臨現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)設(shè)置的環(huán)境參數(shù)，遠(yuǎn)程控制打開(kāi)或者關(guān)閉風(fēng)扇與水泵。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)據(jù)與控制信息傳輸過(guò)程，設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示。信息與數(shù)據(jù)處理器為STE15單片機(jī)，光照、二氧化碳、溫濕度的數(shù)據(jù)采集用三合一傳感器，土壤水分的檢測(cè)采用土壤水分傳感器，通信模組用Air724 4G，終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)有水泵和風(fēng)扇。各模塊的連接關(guān)系如圖3所示。

2.3 光照二氧化碳溫濕度三合一傳感器

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，使用集光照強(qiáng)度、空氣溫濕度以及二氧化碳濃度測(cè)量三合一的傳感器，輕巧便攜、功能強(qiáng)大，采用的485通信。該傳感器選用了集成三種功能一體的RS485環(huán)境監(jiān)測(cè)變送器，節(jié)點(diǎn)為從機(jī)模式，支持modbusRTU協(xié)議。選用成品環(huán)境變送器使我們只需要關(guān)注數(shù)據(jù)傳輸邏輯、數(shù)據(jù)解析而不需要過(guò)多考慮傳感器采集環(huán)境參數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程和邏輯代碼，減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。

2.4 土壤水分傳感器

土壤溫水分傳感器是對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤進(jìn)行水分含量監(jiān)測(cè)，通過(guò)檢測(cè)的數(shù)據(jù)判斷是否需要控制水泵進(jìn)行灌溉。該傳感器集成RS485通信協(xié)議，為從機(jī)模式，也支持modbusRTU協(xié)議。

2.5 Air724 4G通信模塊

4G通信技術(shù)全稱為第四代無(wú)線通信技術(shù)，4G通信技術(shù)比2G、3G更為先進(jìn)，比5G更加成熟。4G通信技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了單一終端向多元化終端的轉(zhuǎn)變，提高了各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c效率，而且也使得通信的效能大幅度提升，兼容性比2G、3G高很多。

3 智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)利用C語(yǔ)言在Keil μVision5編程環(huán)境下編寫終端控制程序，利用MQTT傳輸協(xié)議連接終端硬件和云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

3.1 云平臺(tái)項(xiàng)目設(shè)置

新大陸云平臺(tái)是可以將光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、土壤濕度以及二氧化碳濃度傳感器所測(cè)得的數(shù)值顯示，并控制風(fēng)扇水泵等開(kāi)關(guān)的一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)。新大陸云平臺(tái)具有數(shù)據(jù)在線采集、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程調(diào)控以及預(yù)警信息發(fā)布等功能。如圖4所示，在云平臺(tái)新建項(xiàng)目，添加設(shè)備，并添加多個(gè)傳感器與執(zhí)行器。

3.2 控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)利用C語(yǔ)言在Keil μVision5編程環(huán)境下編寫終端控制程序，利用MQTT傳輸協(xié)議連接終端硬件和云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議MQTT全稱為消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議，是一種即時(shí)通信協(xié)議技術(shù)，具有簡(jiǎn)單、輕量、開(kāi)放和容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。MQTT協(xié)議連接溝通起Air724 4G通信模組與新大陸云平臺(tái)，在通訊過(guò)程中承擔(dān)三種角色，即發(fā)布者、代理（服務(wù)器）、訂閱者。Air724 4G通信模組通過(guò)MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給新大陸云平臺(tái)，新大陸云平臺(tái)通過(guò)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和運(yùn)算產(chǎn)生控制命令，再通過(guò)MQTT協(xié)議將控制命令傳輸給風(fēng)機(jī)水泵以實(shí)現(xiàn)溫室的網(wǎng)絡(luò)化控制?；贛QTT協(xié)議的遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)的傳輸使農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的監(jiān)控面積得到延伸，實(shí)現(xiàn)分區(qū)化、大型化的管理，有力保障農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制等。

4 智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 采集光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、空氣溫濕度

（1）采集光照強(qiáng)度

智慧農(nóng)業(yè)信息控制系統(tǒng)測(cè)量農(nóng)業(yè)大棚的光照強(qiáng)度，并將數(shù)據(jù)通過(guò)Air724 4G通信模塊上傳到新大陸云平臺(tái)，遠(yuǎn)程監(jiān)控光照參數(shù)，并遠(yuǎn)程控制可控節(jié)點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)。根據(jù)設(shè)定閾值開(kāi)啟日光燈來(lái)模擬增強(qiáng)光照強(qiáng)度或者關(guān)閉日光燈來(lái)模擬降低光照強(qiáng)度。

（2）采集二氧化碳含量

智慧農(nóng)業(yè)信息控制系統(tǒng)檢測(cè)大棚內(nèi)空氣中CO2的含量，并根據(jù)農(nóng)作物的光合作用和呼吸狀況來(lái)調(diào)配最適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的二氧化碳的相對(duì)含量。

（3）采集大棚內(nèi)空氣的溫濕度

智慧農(nóng)業(yè)信息控制系統(tǒng)測(cè)量農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的溫濕度并遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇開(kāi)關(guān)。

4.2 采集土壤濕度

智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)測(cè)量土壤的濕度，當(dāng)土壤濕度低于作物所需標(biāo)準(zhǔn)值，繼電器工作。在繼電器另一端添加微型水泵進(jìn)行抽水功能，云平臺(tái)也可以自主控制繼電器工作，啟動(dòng)電機(jī)澆水。當(dāng)土壤濕度高于作物所需標(biāo)準(zhǔn)值，繼電器停止工作，停止?jié)菜?。?dāng)土壤濕度降低到不利于作物生長(zhǎng)時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)水閥灌溉。

4.3 OLED顯示屏顯示所采集數(shù)據(jù)

OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度以及土壤濕度所采集的數(shù)據(jù)。

4.4 新大陸云平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與調(diào)控

新大陸云平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如圖5所示，云端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制，根據(jù)設(shè)置的環(huán)境參數(shù)，打開(kāi)或者關(guān)閉風(fēng)扇與水泵。

5 結(jié)語(yǔ)

智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)正在朝著集成化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)將成為未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的趨勢(shì)，利用智能控制算法改善農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，使農(nóng)作物始終處于最優(yōu)的生長(zhǎng)狀態(tài)。本文介紹了智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、軟硬件系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)的具體功能，利用各種傳感器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)Air724 4G通信模塊將數(shù)據(jù)上傳新大陸云平臺(tái);通過(guò)各種的智能控制開(kāi)關(guān)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)澆水、通風(fēng)等功能，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化、精準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化。目前智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)從應(yīng)用到實(shí)際的過(guò)程還有很多不足，從事相關(guān)農(nóng)業(yè)技術(shù)研究工作的人員仍需進(jìn)一步改進(jìn)與完善。

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