面向智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

陸晶 林雪瓊 陳雨 楊佳 宋俊慷

摘 要：立足于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，以智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測為研究對象，設(shè)計了面向智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，目標是實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺三部分組成，可以有效傳輸部署在設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)采集農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)，并通過監(jiān)測軟件實時監(jiān)測，為我國進一步推廣智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用提供必要的研究支持。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；監(jiān)測

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，隨著我國經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，食物的供應(yīng)安全和衛(wèi)生安全引起了越來越廣泛的關(guān)注，因此建立精準化的現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)有十分重要的意義。為實現(xiàn)面向智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)，使用傳感器技術(shù)、移動通信技術(shù)和云平臺技術(shù)分別完成物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺的組建，在進行農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)實時可靠的采集、傳輸和監(jiān)測的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)控。

1 國內(nèi)外研究進展

目前，發(fā)達國家如以色列、美國和澳大利亞等國的智慧設(shè)施農(nóng)業(yè)已具備了技術(shù)成套、設(shè)備完善、規(guī)范生產(chǎn)、產(chǎn)量穩(wěn)定、質(zhì)量保證性強等特點，形成了設(shè)施制造、環(huán)境調(diào)節(jié)、生產(chǎn)資材為一體的產(chǎn)業(yè)體系，使得農(nóng)業(yè)不受氣候條件影響，實現(xiàn)了農(nóng)作物周年生產(chǎn)、均衡上市。在我國隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展也逐步趨向智能化，智慧化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用也在有序推廣，關(guān)于農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)智慧監(jiān)測技術(shù)代表性研究逐年增加。熊剛等人［5］以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依托，以LoRaWAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，設(shè)計了一種智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，在實現(xiàn)遠距離通信基礎(chǔ)上完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測。該系統(tǒng)在感知層上，借助各類傳感器采集農(nóng)作物生長所需的光照強度、土壤溫濕度等信息傳輸?shù)絃oRaWAN網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點再將數(shù)據(jù)進行上傳，達到用戶服務(wù)端，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)把接收到的控制指令，下發(fā)至感知層控制節(jié)點，從而人為干預(yù)農(nóng)作物的生長環(huán)境中的灌溉，照明等裝置。劉青等人［6］以ZigBee技術(shù)為核心，結(jié)合光照，溫度等傳感器，依托CC2530單片機作為控制器，借助繼電器，控制光照、灑水等器件，設(shè)計開發(fā)智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。該研究依托感知控制系統(tǒng)、云端數(shù)據(jù)和移動端APP等進行設(shè)計驗證，實現(xiàn)了用戶遠程監(jiān)測農(nóng)作物信息，更好地管理農(nóng)作物生長并促進建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)綜合平臺發(fā)展。陳宏等人［7］采用傳感器和LonWorks電力線載波通信建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)遠程控制，從而采集設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)和照片并進行驗證，能很好地監(jiān)測農(nóng)作物的生長狀態(tài)。該系統(tǒng)通過遠程控制管理農(nóng)作物生長、培育等各個生長階段，達到提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本的效果。

本文針對“實時監(jiān)測功能”進行研究設(shè)計實現(xiàn)面向智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)在使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過對農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的采集，建立數(shù)據(jù)傳輸通路將采集數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)端平臺，在終端設(shè)備上使用應(yīng)用程序訪問服務(wù)端收集的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)，從而對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)智慧監(jiān)測。

2 研究內(nèi)容

為了實現(xiàn)上述研究目標，著力于以下三個方面的研究。

（1）農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的采集與傳輸。影響農(nóng)作物生長的環(huán)境參數(shù)多種多樣，因此需要在選取有效的監(jiān)測對象的基礎(chǔ)上選擇適合的數(shù)據(jù)傳輸方式，能夠為分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植過程中土壤環(huán)境提供必要條件。

（2）數(shù)據(jù)傳輸通路的組建。數(shù)據(jù)傳輸通路作為是平臺的核心部分，其網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、靈活程度、抗干擾能力，對監(jiān)測效果和監(jiān)測難易度有著十分重要的影響，因此考慮使用具有靈活接入和覆蓋范圍廣的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)建立監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸通道。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)存放平臺的選擇。監(jiān)測數(shù)據(jù)存放平臺的選擇直接影響用戶訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)的體驗，因此一方面要求監(jiān)測數(shù)據(jù)存放平臺安全、可靠，具有強大的數(shù)據(jù)分析處理能力，另一方面要求用于查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)的設(shè)備為我們?nèi)粘Ｉ钍褂玫木W(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備（智能手機、電腦等）。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)分為物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置三個部分。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺主要負責(zé)下發(fā)數(shù)據(jù)采集命令和接收采集數(shù)據(jù)并進行存儲和展示；物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端作為物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置之間的橋梁，起到對命令和數(shù)據(jù)上傳下達的作用；物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置在數(shù)據(jù)采集命令的作用下，收集農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)并進行上傳。

系統(tǒng)各部分功能及具體設(shè)計方案如下：物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置依靠傳感器技術(shù)以微控制器為核心結(jié)合RS485總線，配合ModBusRTU協(xié)議完成農(nóng)業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和上傳工作；物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端在使用RS485承載ModBusRTU協(xié)議的總線型數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，配合支持4G移動通信技術(shù)的無線TCP連接數(shù)據(jù)端口，完成各農(nóng)業(yè)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集命令的上傳下達；使用基于“有人云”開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集命令的下發(fā)，另一方面完成農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和展示工作。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置

如圖2所示，使用建大仁科公司的RSECTHN01TR1土壤電導(dǎo)率、溫度、濕度三合一傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置。該傳感器在針對土壤農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)測量具有較高的靈敏度和較好的穩(wěn)定性，能夠?qū)}漬土的發(fā)生、演變、改良以及水鹽動態(tài)進行實時數(shù)據(jù)采集，具有承載ModBusRTU協(xié)議的RS485通信接口，在智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

RSECTHN01TR1傳感器RS485接口基本通信參數(shù)設(shè)置為：二進制編碼（8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗），采用CRC校驗，比特率設(shè)置為115200波特。為能正確解析其所測量的土壤電導(dǎo)率、溫度、濕度農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)，給出其ModBusRTU協(xié)議的寄存器地址與測量數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系如右表所示，云平臺可基于該對應(yīng)關(guān)系完成配置正確讀取接收到的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端

如圖3所示，使用基于4G移動通信技術(shù)的有人物聯(lián)網(wǎng)公司USRG780 V2模塊作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端，該終端支持國內(nèi)電信運營商主流的4G網(wǎng)絡(luò)制式，以“數(shù)據(jù)透傳”作為功能核心。其軟件功能完善，可應(yīng)用于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｒ?guī)應(yīng)用場景，具有很好的易用性。使用者只要通過簡單設(shè)置，即可實現(xiàn)RS485通信到TCP/IP通信的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺

有人云，是專業(yè)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備定制開發(fā)的云服務(wù)平臺系統(tǒng)，提供安全、穩(wěn)定的設(shè)備接入和有效、可靠的通信能力，可低成本快速實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的場景智能化需求，具有應(yīng)用開發(fā)、組態(tài)服務(wù)、運維管理、數(shù)據(jù)中心等核心功能?；谟腥嗽崎_發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的有效分析和處理，具體實現(xiàn)時主要完成有人云設(shè)備管理中的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和組態(tài)模板兩方面的內(nèi)容配置。聯(lián)網(wǎng)設(shè)備主要完成有人云與USRG780 V2模塊的連接，變量模板完成有人云對傳感器采集數(shù)據(jù)的解析工作。

USRG780 V2模塊的連接配置主要包括如下步驟：有人云控制臺>設(shè)備管理>聯(lián)網(wǎng)設(shè)備>添加設(shè)備。如圖4所示在對應(yīng)位置填寫設(shè)備SN、MAC/IMEI，開啟云組態(tài)功能，即可完成有人云與USRG780 V2模塊的連接。

傳感器采集數(shù)據(jù)解析配置步驟包括：有人云控制臺>變量模板>添加。如圖5所示在完成變量模板相關(guān)信息配置后，云平臺就能正確解析RSECTHN01TR1傳感器采集的電導(dǎo)率、溫度、濕度農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)。

4 效果展示和系統(tǒng)優(yōu)勢

使用有人云的組態(tài)功能可以很容易實現(xiàn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示工作如圖6所示，該智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)具有優(yōu)勢如下。

4.1 土壤環(huán)境農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的采集和遠程無線傳輸

現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置多采用RS485總線承載ModBusRTU協(xié)議進行采集命令和采集數(shù)據(jù)傳輸工作，想要將這類監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)TCP鏈接上傳至互聯(lián)網(wǎng)需要設(shè)計專門的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，這為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的進一步推廣帶來不便。為了解決上述問題，通過對ModBusRTU協(xié)議研究發(fā)現(xiàn)其只規(guī)定了OSIRM七層模型中應(yīng)用層的內(nèi)容，主要實現(xiàn)客戶機和服務(wù)器在不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信，這使得利用基于移動通信技術(shù)的無線TCP連接傳輸農(nóng)業(yè)監(jiān)測所用傳感器采集的數(shù)據(jù)成為可能。因此，將ModBusRTU協(xié)議的協(xié)議數(shù)據(jù)單位作為數(shù)據(jù)部分打包封裝至TCP報文段之中，完成農(nóng)業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集命令的傳輸工作。

4.2 土壤環(huán)境農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的存儲、分析處理和可視化展示

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)需要自主搭建服務(wù)器，自主開發(fā)監(jiān)測界面，自主申請發(fā)布監(jiān)測網(wǎng)站用的域名，軟件開發(fā)工作量十分繁重。使用基于“有人云”開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺完成服務(wù)器搭建、監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)測網(wǎng)站的發(fā)布工作均在有人云的運營商云端進行部署，減少了監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜度和成本，非常適用于進行服務(wù)鄉(xiāng)村振興的智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目開展。

結(jié)語

我國農(nóng)業(yè)正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代數(shù)字農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的過渡期，農(nóng)業(yè)新技術(shù)的應(yīng)用推廣，可以有效解決生產(chǎn)率低下、農(nóng)產(chǎn)品增長緩慢的問題，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，因此建立精準化的現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)有很重要的意義。使用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端，配合土壤農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置，設(shè)計了面向智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測農(nóng)作物生長環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)。旨在對作物生長環(huán)境進行精準的監(jiān)測，加速現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新階段的智慧農(nóng)業(yè)進一步推廣實施。

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項目基金：2022年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“面向智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計”項目資助（項目編號：202210604035）；廣西民族師范學(xué)院一流本科專業(yè)建設(shè)項目（YLZY202102）

作者簡介：陸晶（2002— ），女，壯族，廣西南寧人，通信工程專業(yè)在讀本科生；林雪瓊（2001— ），女，漢族，廣西玉林人，通信工程專業(yè)在讀本科生；陳雨（2002— ），女，壯族，廣西南寧人，通信工程專業(yè)在讀本科生；楊佳（2001— ），女，江蘇無錫人，通信工程專業(yè)在讀本科生。

*通訊作者：宋俊慷（1989— ），男，陜西漢中人，碩士，講師，工程師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。