基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測及遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐茂淞

（1.塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，新疆阿拉爾，843300；2.塔里木大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾，843300）

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐主要集中于田間，農(nóng)田種植環(huán)境數(shù)據(jù)對農(nóng)作物的生長與產(chǎn)出至關(guān)重要[1]，傳統(tǒng)的農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)采集需要用戶實(shí)地讀取儀器數(shù)據(jù)，這種低效的數(shù)據(jù)獲取方式已無法滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。同時，落后的農(nóng)田灌溉方式致使水資源的利用效率較低[2]，尤其在我國水資源短缺的地區(qū)，節(jié)水灌溉顯得格外重要[3～5]。

在相關(guān)研究中，徐仲等[6]使用STM32微控制器和窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)將空氣溫濕度數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺；肖漢光等[7]使用STM32和NB-IoT技術(shù)將土壤溫濕度數(shù)據(jù)上傳至華為云平臺；王佳明等[8]使用MSP430單片機(jī)和GPRS通信模塊完成了遠(yuǎn)程灌溉控制系統(tǒng)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感技術(shù)的不斷發(fā)展[9]，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作中的重要性愈發(fā)凸顯[10]，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)包括借助可視化手段顯示由微控制器和傳感器獲取的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)，為調(diào)整農(nóng)作物生長環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)，以此助力農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、提質(zhì)，減少人力資源的低效配置，不斷提升經(jīng)濟(jì)效益。在本設(shè)計(jì)中運(yùn)用了低成本物聯(lián)網(wǎng)方案，監(jiān)測空氣溫濕度、土壤溫濕度、紫外線強(qiáng)度、二氧化碳濃度，使用WiFi無線通信模塊連接Arduino開發(fā)平臺與OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺實(shí)時顯示環(huán)境數(shù)據(jù)以及控制電子水泵開關(guān)實(shí)施遠(yuǎn)程灌溉。

1 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，數(shù)據(jù)處理平臺將各項(xiàng)傳感器采集到的農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)處理后，由無線通信模塊借助EDP協(xié)議將數(shù)據(jù)打包上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，通過PC端互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器和移動端APP訪問物聯(lián)網(wǎng)云平臺實(shí)時顯示環(huán)境數(shù)據(jù)，可在物聯(lián)網(wǎng)云平臺通過數(shù)據(jù)下發(fā)實(shí)現(xiàn)電子水泵的開啟和關(guān)閉。本設(shè)計(jì)具備良好的擴(kuò)展性，可在無線網(wǎng)絡(luò)的信號范圍內(nèi)配置多臺環(huán)境監(jiān)測終端設(shè)備。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測及遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，本系統(tǒng)以Arduino Uno開發(fā)平臺作為核心控制器件，并配備了溫濕度傳感器、溫度探頭、土壤濕度傳感器、紫外線傳感器和氣體傳感器，多樣化的傳感器可滿足用戶對農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)的基本需求，通過WiFi無線通信模塊上傳各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)，9V可充電鋰電池為系統(tǒng)供電，5V降壓模塊將9V電源降壓為5V單獨(dú)供給電子水泵，需要開啟電子水泵時通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺與Arduino Uno開發(fā)平臺控制繼電器打開電子水泵，LED指示燈也隨之點(diǎn)亮。系統(tǒng)總體硬件框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體硬件框架

2.1 數(shù)據(jù)處理平臺

本系統(tǒng)采用了Arduino Uno作為數(shù)據(jù)處理平臺用于處理各項(xiàng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及控制無線通信模塊與OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺實(shí)現(xiàn)交互[11]。Arduino是一種開源的電子設(shè)計(jì)開發(fā)平臺，可在Windows、OS X、Linux操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意，完成開發(fā)。Arduino Uno基于自帶32KB閃存、2KB靜態(tài)隨機(jī)存儲器和1KB電可擦可編程只讀存儲器的ATmega328P單片機(jī)設(shè)計(jì)完成，具備14個可直接輸入與輸出數(shù)字信號的數(shù)字引腳，6個可直接輸入與輸出模擬信號的模擬引腳，且兼具串行通信總線和串行通信接口的通信方式，可接入7～12V電源，并輸出穩(wěn)定的5V和3.3V電壓為其他模塊供電，適合作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理平臺。Arduino Uno開發(fā)平臺電路原理圖如圖3所示。

圖3 Arduino Uno開發(fā)平臺電路原理圖

2.2 無線通信模塊

本系統(tǒng)采用了抗干擾強(qiáng)、性能穩(wěn)定的ESP8266-01S無線通信模塊將監(jiān)測設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)云平臺連接，Arduino Uno通過串行通信接口連接ESP8266-01S將數(shù)據(jù)上傳與下發(fā)[12]。ESP8266-01S已經(jīng)通過了國家無線電管理委員會、美國聯(lián)邦通信委員會等無線電認(rèn)證，其工作電壓為3.3V。ESP8266-01S無線通信模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 ESP8266-01S無線通信模塊電路原理圖

2.3 傳感器模塊

農(nóng)田的環(huán)境數(shù)據(jù)與農(nóng)作物的生長、代謝、產(chǎn)量以及形態(tài)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[13]。本系統(tǒng)采用精度較高的DHT22溫濕度傳感器采集空氣的溫度和濕度數(shù)據(jù)，采用防水的DS18B20溫度探頭采集土壤的溫度數(shù)據(jù)，采用靈敏的FC-28土壤濕度傳感器采集土壤濕度數(shù)據(jù)，采用耐高溫的S12SD紫外線傳感器采集紫外線指數(shù)，采用集成式CCS811氣體傳感器采集二氧化碳?xì)怏w濃度。DHT22溫濕度傳感器通過單總線的連接方式連接數(shù)據(jù)處理平臺輸出模擬信號，DS18B20溫度探頭通過單總線的連接方式連接數(shù)據(jù)處理平臺輸出數(shù)字信號，F(xiàn)C-28土壤濕度傳感器連接數(shù)據(jù)處理平臺輸出模擬信號，S12SD紫外線傳感器連接數(shù)據(jù)處理平臺輸出模擬信號，CCS811氣體傳感器通過串行總線的通信方式連接數(shù)據(jù)處理平臺輸出數(shù)字信號。其中，單總線在傳輸時鐘信號的同時傳輸掛載器件的數(shù)據(jù)，串行總線包含串行數(shù)據(jù)線和串行時鐘線，通過尋址的方式獲取掛載器件的數(shù)據(jù)。傳感器電路原理圖如圖5所示。

圖5 傳感器電路原理圖

2.4 電源-指示燈-繼電器-電子水泵模塊

本系統(tǒng)采用了2個獨(dú)立的9V可充電鋰電池供電，其中一個電池為數(shù)據(jù)處理平臺供電，另一個電池結(jié)合一個5V降壓模塊為電子水泵供電，采用5V繼電器控制JT-DS3W-3電子水泵開關(guān)并通過藍(lán)色LED的亮滅提醒[14]。電源-指示燈-繼電器-電子水泵模塊電路原理圖如圖6所示。

圖6 電源-指示燈-繼電器-電子水泵模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Arduino底層程序

軟件程序是本設(shè)計(jì)的中樞，需要協(xié)調(diào)運(yùn)行，模塊化的軟件設(shè)計(jì)思路加強(qiáng)了程序的可移植性和可維護(hù)性[15]。本系統(tǒng)的軟件代碼在Arduino 集成開發(fā)環(huán)境里借助C語言完成[16]。主要程序?yàn)椋和ㄟ^setup()函數(shù)進(jìn)行設(shè)備初始化；通過doCmdOk()函數(shù)使設(shè)備入網(wǎng)；通過loop()函數(shù)執(zhí)行循環(huán)；通過edp_connect()函數(shù)執(zhí)行EDP通信協(xié)議連接；通過dht.readTemperature()函數(shù)獲取空氣溫度數(shù)據(jù)；通過dht.readHumidity()函數(shù)獲取空氣濕度數(shù)據(jù)；通過ccs811.readData()函數(shù)獲取氣體數(shù)據(jù)；通過DS18B20_sensor.getTempCByIndex()函數(shù)獲取土壤溫度數(shù)據(jù)；通過analogRead() 函數(shù)獲取土壤濕度數(shù)據(jù)和紫外線數(shù)據(jù)；通過sprintf()函數(shù)將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串類型；通過packetSend()函數(shù)將傳感器的數(shù)據(jù)打包后上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺；通過sscanf()函數(shù)接收物聯(lián)網(wǎng)云平臺發(fā)送的水泵開關(guān)信號。系統(tǒng)主要程序流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主要程序流程

3.2 WiFi通信程序

ESP8266-01S無線通信模塊在使用前需要通過串口通信的方式對其寫入官方發(fā)布的最新版本AT固件以適應(yīng)電子信息技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)配套軟硬件設(shè)備的更新，本系統(tǒng)使用前已經(jīng)對其寫入彼時最新的ESP8266_NonOS_AT_Bin_V1.7.3_1版本固件。設(shè)備啟動時，Arduino Uno開發(fā)平臺會通過ESP8266-01S無線通信模塊完成一些步驟自動接入互聯(lián)網(wǎng)[17]。無線通信入網(wǎng)流程如圖8所示。

圖8 無線通信入網(wǎng)程序流程

3.3 EDP通信程序

設(shè)備入網(wǎng)后，還要執(zhí)行通信協(xié)議連接才能與物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)一步交互，EDP協(xié)議是一種基于TCP協(xié)議的專用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_源通信協(xié)議。保留了與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸緊密相關(guān)的數(shù)據(jù)上傳與下發(fā)等主要功能。其中，支持上傳的數(shù)據(jù)類型包括浮點(diǎn)類型、整數(shù)類型、字符串類型、JSON數(shù)據(jù)交換格式以及二進(jìn)制類型的數(shù)據(jù)[18]。EDP通信協(xié)議連接流程如圖9所示。

圖9 EDP通信協(xié)議連接流程

4 物聯(lián)網(wǎng)云平臺連接設(shè)置及顯示組件

4.1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺連接設(shè)置

使用OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺首先要在其官網(wǎng)注冊并登錄，通過控制臺選擇EDP協(xié)議并添加產(chǎn)品[19]。使用該平臺要對自己的設(shè)備進(jìn)行報備，需要填入設(shè)備的名稱、行業(yè)、類別等信息，還需要填入聯(lián)網(wǎng)方式、設(shè)備接入?yún)f(xié)議、操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商等技術(shù)參數(shù)。一個產(chǎn)品可以綁定多臺設(shè)備，每次添加設(shè)備需要填入設(shè)備名稱、鑒權(quán)信息、數(shù)據(jù)保密性等基本信息。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)云平臺顯示組件

OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供了豐富的數(shù)據(jù)顯示組件，組件庫分為基礎(chǔ)元素和控制元素兩大板塊。其中，基礎(chǔ)元素組件的作用是顯示數(shù)據(jù)處理平臺上傳的數(shù)據(jù)，可通過文本、折線圖、柱狀圖、圖片、鏈接、地圖、儀表盤、設(shè)備及軌跡的形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，控制元素組件的作用是將數(shù)據(jù)下發(fā)至數(shù)據(jù)處理平臺，可通過旋鈕和開關(guān)下發(fā)數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

5.1 數(shù)據(jù)流展示面板

對軟硬件設(shè)計(jì)整合后，在PC端互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器登錄OneNET，進(jìn)入控制臺就可以看到系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)，PC端互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器數(shù)據(jù)流展示如圖10所示。

圖10 PC端互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器數(shù)據(jù)流展示

5.2 手機(jī)APP顯示數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程灌溉

打開“設(shè)備云”APP輸入OneNET賬號與密碼進(jìn)行登錄，登錄成功后在應(yīng)用列表中選擇所設(shè)計(jì)的應(yīng)用，即可在手機(jī)上實(shí)時顯示環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)首次點(diǎn)擊APP上的開關(guān)按鍵時，電子水泵開始工作，當(dāng)再次點(diǎn)擊APP上的開關(guān)按鍵時，灌溉停止。

5.3 導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)

作為監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)的設(shè)備，不但被要求監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，還要能完整地保存測得的歷史數(shù)據(jù)，OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺可以保存歷史數(shù)據(jù)。通過在PC端互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器上登錄OneNET可在設(shè)備列表的數(shù)據(jù)流展示面板里選擇要導(dǎo)出的歷史數(shù)據(jù)，導(dǎo)出的農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)為Excel格式方便用于后期數(shù)據(jù)分析。

6 討論

物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層相輔相成[9]。

本系統(tǒng)的感知層實(shí)現(xiàn)了空氣溫濕度、土壤溫濕度、紫外線指數(shù)、二氧化碳濃度的采集，考慮到本系統(tǒng)將長期放置于環(huán)境條件復(fù)雜多樣的農(nóng)田，因此結(jié)合成本、精度、功耗、耐高溫抗低溫、防水能力等特性決定傳感器選型。王興鵬等[20,21]研究表明，作物對鹽分的響應(yīng)比較敏感，在后續(xù)的探究中可以將土壤電導(dǎo)率傳感器納入選擇。

侯瑞等[22]研究表明，在對大田環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測時，采用ZigBee無線傳感器技術(shù)可將環(huán)境數(shù)據(jù)的采集方式劃分為3層節(jié)點(diǎn)，即終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)使用各種傳感器直接采集復(fù)雜多樣的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送至路由器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最后由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)層將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。其中，多個終端節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個路由器節(jié)點(diǎn)，多個路由器節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，層次分明的多分支樹形架構(gòu)為大面積田域的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測提供了一種可行方案。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層采用的是WiFi無線通信技術(shù)，單論技術(shù)層面，WiFi無線通信技術(shù)與ZigBee無線傳感器技術(shù)相比較各有優(yōu)勢，從成本上比較，WiFi優(yōu)于ZigBee；從功耗上比較，ZigBee優(yōu)于WiFi；從組網(wǎng)能力上比較，一個ZigBee網(wǎng)關(guān)可以連接上萬個子設(shè)備，而WiFi聯(lián)網(wǎng)子設(shè)備的增加也要求路由設(shè)備成比例地增加。所以在實(shí)際應(yīng)用中可以結(jié)合大田面積和成本因素綜合考慮后選擇實(shí)施技術(shù)。

李學(xué)軍等[23]研究表明，將農(nóng)田蒸發(fā)量 ET0、作物蒸騰量ETc和土壤水分的入滲納入影響作物灌溉策略因素，建立灌溉預(yù)測模型可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。本系統(tǒng)的應(yīng)用層借助OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和遠(yuǎn)程灌溉，在遠(yuǎn)程灌溉中僅呈現(xiàn)了借助云平臺手動控制灌溉，通過對程序的修改可以根據(jù)設(shè)定土壤濕度閾值自動控制灌溉。在今后的探索中還可以結(jié)合測得的小范圍農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)將整個大田的氣象數(shù)據(jù)納入考量，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法深入研究更加高效合理的智能灌溉模式。

7 結(jié)論

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的深入發(fā)展推動了不同學(xué)科領(lǐng)域的跨界合作，電子信息技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營與管理環(huán)節(jié)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)隨著軟硬件技術(shù)和通信技術(shù)的迭代也在同步發(fā)展。本設(shè)計(jì)集成運(yùn)用傳感器、數(shù)據(jù)處理、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)云平臺等信息化技術(shù)構(gòu)建了成本低、可擴(kuò)展、可重復(fù)的農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測與遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)。