基于RT-Thread的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝瑩

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與制造學(xué)院 福建省龍巖市 364021）

現(xiàn)農(nóng)村越來越多的務(wù)工人員往城市方向發(fā)展，導(dǎo)致農(nóng)村的青年勞動力急劇下降，而我國作為農(nóng)業(yè)大國，如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)業(yè)種植仍是亟需解決的問題[2]，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，“智慧農(nóng)業(yè)”將作為一種科學(xué)的解決途徑，其通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控最終達(dá)到精準(zhǔn)種植的目的，從而提高農(nóng)業(yè)種植的產(chǎn)量[3]。

本系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)平臺是RT-Thread，其由我國團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，經(jīng)過多年的升級，已逐步成為一個功能豐富的操作系統(tǒng)，特別適用于一些資源受限的場合。相對于其它操作系統(tǒng)來說，RT-Thread 為用戶提供豐富的組件，如內(nèi)核層、軟件包等等，能夠有效降低編程難度，因此，開發(fā)者通過RT-Thread 系統(tǒng)可以輕松地實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的搭建。另外，OneNET 平臺為用戶提供多樣的服務(wù)，可使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速上云，管理人員通過OneNET 平臺最終實(shí)現(xiàn)對大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并根據(jù)實(shí)時(shí)采集的傳感器數(shù)據(jù)控制相應(yīng)的執(zhí)行器，從而提高農(nóng)業(yè)種植的生產(chǎn)效率并大大降低成本[4]。

1 系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能包含三個：采集大棚內(nèi)溫濕度和光照數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)通過Wi-Fi 模塊傳輸至云平臺，云平臺下發(fā)指令控制輸出設(shè)備。系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)如圖1所示，其中MCU 采用STM32 芯片，數(shù)據(jù)采集層外接輸入設(shè)備（SHT3X 系列溫濕度傳感器、BH1750 光照度傳感器）及輸出設(shè)備（風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈），傳輸層使用ESP8266 模塊完成數(shù)據(jù)的傳輸，而應(yīng)用層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲及展示，同時(shí)下發(fā)指令至設(shè)備端[5]。

圖1：系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)圖

2 RTOS資源的規(guī)劃

為更好地滿足多任務(wù)的調(diào)度及提高系統(tǒng)響應(yīng)效率，在本系統(tǒng)的軟件框架中設(shè)計(jì)RTOS 層，對RTOS 資源的規(guī)劃主要包括以下三個方面：

2.1 SENESOR（傳感器）驅(qū)動框架的使用

由于市面上傳感器廠商眾多，而不同的傳感器都需配套對應(yīng)的驅(qū)動程序，因此為統(tǒng)一接口及提高代碼的可復(fù)用性，RT-Thread 為開發(fā)者提供SENSOR 設(shè)備以降低開發(fā)難度，如溫濕度、光照、壓力、距離等市面上常用的傳感器均已對接到SENSOR 框架中。SENSOR 驅(qū)動框架設(shè)計(jì)如圖2所示，大體分為兩步：完成傳感器ops接口的對接及設(shè)備的注冊。以讀取光照數(shù)據(jù)為例，先將BH1750 傳感器成功對接到SENSOR 框架，再通過線程的管理獲取光照數(shù)據(jù)。

圖2：SENSOR 驅(qū)動框架設(shè)計(jì)

2.2 線程的管理

在日常中遇到難解的大任務(wù)時(shí)，可將大任務(wù)根據(jù)不同的功能進(jìn)行劃分，最終形成多個簡單的小任務(wù)，問題便迎刃而解，在RT-Thread 中線程作為最核心的功能，也是最小的調(diào)度單位，對應(yīng)著一個個小任務(wù)，通過線程的方式編寫代碼可以簡化編程難度，使線程之間相互獨(dú)立，并提高程序響應(yīng)速度。另外，通過設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級可以讓重要的任務(wù)得到優(yōu)先處理。

在本系統(tǒng)中需要完成的小任務(wù)有三個，其中兩個是采集傳感器溫濕度、光照數(shù)據(jù)的任務(wù)，第三個任務(wù)是在連接OneNET 云平臺過程中先進(jìn)行初始化mqtt 協(xié)議的任務(wù)，因此根據(jù)不同的任務(wù)對應(yīng)創(chuàng)建三個不同的線程：“read_SHT3X_thread”為采集溫濕度的線程、“read_light_thread”為采集光照度的線程、“mqtt_init_thread”為初始化mqtt 協(xié)議的線程。以采集光照度為例，通過以下幾個步驟即可讀取對應(yīng)的光照數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1：對應(yīng)的光照數(shù)據(jù)

2.3 信號量的規(guī)劃

在采集數(shù)據(jù)的線程被創(chuàng)建成功之后，如何與初始化mqtt 協(xié)議的線程協(xié)作完成數(shù)據(jù)上云的任務(wù)？在RTThread 中線程間同步的方式主要三種，分別是信號量、互斥量和事件集。信號量作為輕型的內(nèi)核對象，系統(tǒng)通過獲?。╰ake）及釋放（release）信號量的方式保證任務(wù)/線程正常有序地運(yùn)行。

RTOS 層的主要工作流程圖如圖3所示，“read_SHT3X_thread”與“read_light_thread”線程是以永久等待的方式獲取信號量，當(dāng)“等不到”時(shí)則一直等待，并且該線程處于掛起狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行其它線程，而“等到了”則會喚醒該線程，緊接著運(yùn)行該線程的后續(xù)代碼。

圖3：RTOS 層的主要工作流程圖

在主函數(shù)中設(shè)置信號量“mqtt_sem”的初始值為1，在“mqtt_init_thread”線程初始化成功之后釋放信號量，信號量的值加1，而“read_SHT3X_thread”與“read_light_thread”線程在分別獲取這2 個信號量之后則上傳數(shù)據(jù)至云端，因此，系統(tǒng)通過不斷釋放及獲取信號量的方式完成“mqtt_init_thread”、“read_SHT3X_thread”、“read_light_thread”這三個線程間的通信，最終將溫濕度及光照數(shù)據(jù)上傳至OnetNET 云平臺。

“mqtt_init_thread”線程釋放信號量的關(guān)鍵代碼如下：

該線程的主要功能為初始化MQTT 協(xié)議，由于初始化一次可能無法成功，因此，需要通過while 循環(huán)進(jìn)行多次嘗試初始化，直到初始化成功，初始化成功之后則釋放一個信號量，并告知“read_SHT3X_thread”、“read_light_thread”線程可以上傳數(shù)據(jù)，再通過return 語句完成線程工作。

3 OneNET云平臺的設(shè)計(jì)

OneNET 物聯(lián)網(wǎng)平臺提供高效、安全的應(yīng)用平臺，在設(shè)備端，適配多種傳輸協(xié)議，如MQTT、NB-IoT、EDP、Modbus 等[6]，為開發(fā)者提供各種硬件終端的快速接入方案；另外，在應(yīng)用層中為開發(fā)者提供各類開發(fā)需求，使得開發(fā)者能夠?qū)⒅攸c(diǎn)更聚焦于自身應(yīng)用的開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本[7]。

在本系統(tǒng)中建立“智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)”產(chǎn)品，并在該產(chǎn)品下創(chuàng)建“1 號檢測點(diǎn)”設(shè)備，設(shè)備創(chuàng)建成功之后，云平臺會生成對應(yīng)的設(shè)備ID 及鑒權(quán)信息等，而設(shè)備端要接入云平臺則要進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證。因此，在RTThread Settings 中的onenet 軟件包中需對設(shè)備ID、身份驗(yàn)證信息、API 密鑰、產(chǎn)品ID、及主/產(chǎn)品APIKEY 這幾個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行配置，OneNET 軟件包配置如圖4所示，驗(yàn)證通過后最終成功連接到云平臺。

圖4：OneNET 軟件包配置圖

4 系統(tǒng)測試

OneNET 云平臺的管理界面如圖5所示，從圖中可知當(dāng)前溫度、濕度及光照度的值。

圖5：OneNET 云平臺的管理界面

光照數(shù)據(jù)流如圖6所示，系統(tǒng)以2min 為周期上傳一次溫濕度及光照數(shù)據(jù)，以采集光照度為例，從圖中標(biāo)號①可知采集頻率正確。當(dāng)光照度低于閾值時(shí)，如圖中標(biāo)號②所示，當(dāng)前光照值為0 時(shí)，則自動開啟補(bǔ)光燈，如圖7所示。同理，當(dāng)濕度高于閾值時(shí)，則開啟風(fēng)機(jī)。

圖6：光照數(shù)據(jù)流

圖7：小熊派主板及拓展板

另外，云平臺通過下發(fā)命令功能手動控制風(fēng)機(jī)和補(bǔ)光燈的開與關(guān)，如圖8所示。

圖8：云平臺的下發(fā)命令功能

5 結(jié)束語

基于RT-Thread的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)通過OneNET 云平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)并與風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈等執(zhí)行器進(jìn)行聯(lián)動，為管理人員提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)以提高種植產(chǎn)量。另外，系統(tǒng)對RTOS 資源進(jìn)行合理規(guī)劃，應(yīng)用線程及信號量完成數(shù)據(jù)的傳輸能夠有效提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，如為更好地滿足大棚的監(jiān)測需求，進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，后期只需通過線程的管理即可增加其它傳感器，降低開發(fā)難度[8]。