基于OneNET平臺的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

蔡鵬 盛曉雨 張霞

摘 要：【目的】在種植聊河“特早熟”黃花菜過程中，因?qū)ιL環(huán)境參數(shù)的把控不精確，導致作物產(chǎn)量低等問題，提出解決該問題的技術(shù)方案?！痉椒ā看罱ɑ贏rduino的、以中國移動OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺為終端調(diào)配中心、通過WiFi模塊進行通信連接的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。【結(jié)果】該系統(tǒng)已成功應用于聊河黃花菜植基地，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可對農(nóng)業(yè)大棚中的溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測和上傳，并對異常數(shù)據(jù)進行報警，提醒農(nóng)戶及時對生長環(huán)境進行調(diào)控?！窘Y(jié)論】該系統(tǒng)操作簡單，運行穩(wěn)定，開放式云平臺的應用能減少服務器架設(shè)，降低開發(fā)成本，有效滿足農(nóng)戶需求，具有良好的應用前景。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境監(jiān)測；WiFi技術(shù)；OneNET云平臺

中圖分類號：TP29 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）14-0025-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.005

Agricultural Greenhouse Environment Monitoring System Based on OneNET Platform

CAI Peng SHENG Xiaoyu ZHANG Xia

（School of Physics Science and Information Engineering， Liaocheng University， Liaocheng 252000， China）

Abstract：[Purposes] In the process of planting Liaohe 'extremely early maturing' daylily， the inaccurate control of growth environment parameters resulted in low crop yield， yet a technical solution to this problem was proposed.[Methods] An agricultural greenhouse environment monitoring system based on Arduino， with China Mobile OneNET Internet of Things cloud platform as the terminal deployment center， and communication connection through WiFi module was built. [Findings] The system had been successfully applied to the yellow broccoli planting base in Liaocheng. The results showed that the system could monitor and upload the environmental parameters such as temperature and humidity， light intensity and carbon dioxide concentration in the agricultural greenhouse in real time， and alarm the abnormal data to remind farmers to regulate the growth environment in time.[Conclusions] The system is simple in operation and stable in operation. The application of open cloud platform can reduce server erection， reduce development costs， effectively meet the needs of farmers， and has good application prospects.

Keywords：agricultural Internet of things; environmental monitoring; WiFi technology; OneNET cloud platform

0 引言

一直以來，我國對農(nóng)業(yè)的發(fā)展都極為重視。隨著“十四五”規(guī)劃的穩(wěn)步推進，業(yè)界眾多專家、學者將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入到農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)中，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新農(nóng)業(yè)也快速發(fā)展起來。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)管理中，農(nóng)民要定期巡視各個大棚，估算大棚區(qū)內(nèi)的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，而對數(shù)據(jù)的把握主要依靠農(nóng)民日積月累的耕作經(jīng)驗。在這個過程中存在兩大問題：一是大面積園區(qū)實地考察農(nóng)作物的生長環(huán)境會耗時耗力，導致人工成本增加［1］；二是人工對生長環(huán)境的判斷缺少準確性和權(quán)威性，且天氣狀況復雜多變［2］，農(nóng)民“靠天吃飯”成為常態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用使環(huán)境信息的獲取方式突破限制，能實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，并以一種更加直觀的形式把數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來，從而實現(xiàn)足不出戶，便曉農(nóng)間事。由于數(shù)據(jù)采集是基于傳感系統(tǒng)的，因此可根據(jù)需求合理地布置監(jiān)測點。該方法比人工用肉眼判斷得到的信息更科學、準確［3］。為了能實時監(jiān)測農(nóng)作物的生長環(huán)境，需要設(shè)計出一個運行穩(wěn)定、操作方便、低成本的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

目前，我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)朝著成熟化、智能化方向不斷發(fā)展，可應用先進技術(shù)對環(huán)境因素進行人為調(diào)控。徐耀煒等［4］設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是不聯(lián)網(wǎng)的單點設(shè)備，缺點是無法通過手機、電腦等設(shè)備來實現(xiàn)遠程監(jiān)控；謝忠志等［5］設(shè)計的車間環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)由開發(fā)者自行部署服務器，無形中增加了開發(fā)的工作量及設(shè)備成本［6-7］。為解決聊河農(nóng)業(yè)科技公司在“特早熟”黃花菜種植過程中因生長環(huán)境調(diào)控不精確而導致產(chǎn)量低下的問題，本研究設(shè)計一套基于OneNET平臺的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)采集到的空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度等信息來判斷植物所處的生長環(huán)境和光合作用的強弱，基于OneNET平臺可實現(xiàn)將數(shù)據(jù)采集點終端感知設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)實時上傳到云端，通過數(shù)據(jù)可視化界面將數(shù)據(jù)以圖形的方式向農(nóng)戶展示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

中國移動通信集團有限公司積極助推萬物互聯(lián)時代，其自主研發(fā)的OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺使客戶終端通過運營通道與云端連接，從而形成“端、管、云”的網(wǎng)絡架構(gòu)［8］。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)分層技術(shù)，可將整個系統(tǒng)大體分為4個層次，即感知層、傳輸層、平臺層、應用層［9］。該系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示。其中，感知層是物聯(lián)網(wǎng)的“五官”，主要由分布在各采集節(jié)點的傳感器組成，負責獲取和整合環(huán)境信息，并匯聚于Arduino單片機中；傳輸層提供端對端通信，利用WiFi無線通信技術(shù)，選用TCP透傳協(xié)議，與云平臺連接，從而完成數(shù)據(jù)交換；平臺層負責接收和查看MCU傳輸?shù)母黜棴h(huán)境指標，對數(shù)據(jù)進行存儲、匯總，并以圖形的方式進行可視化展示；應用層旨在為用戶提供便捷的服務，從而實現(xiàn)手機端或電腦端登錄平臺遠程查看實時數(shù)據(jù)。此外，為避免多傳感器與MCU相連時布線復雜、繁瑣等弊端，設(shè)計了PCB印刷電路板，用集插式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接線式，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)可讓農(nóng)戶能隨時隨地掌握棚內(nèi)環(huán)境狀況，避免因自身經(jīng)驗判斷而造成誤差，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果來采取相應的措施，保證作物處在適宜的生長環(huán)境，促進農(nóng)作物增產(chǎn)，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)由傳感設(shè)備、Arduino系列單片機、無線通信模塊及供電模塊組成。主控制器發(fā)送指令驅(qū)動傳感設(shè)備收集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境信息，通過無線通信模塊配合TCP透傳協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺，完成數(shù)據(jù)的存儲與可視化展示。如果實時顯示的數(shù)據(jù)超出預先設(shè)定的閾值范圍，則觸發(fā)報警，提醒用戶要及時作出調(diào)整。

2.1 主控與采集電路設(shè)計

環(huán)境監(jiān)測節(jié)點要充分監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，包括溫室情況、土壤墑情及植物所需的光照，要外接5個傳感器和1個WiFi模塊。因此，開發(fā)板的選擇是基于容易實現(xiàn)，其端口數(shù)量也是至關(guān)重要的。為滿足上述條件，該系統(tǒng)使用Arduino UNO PLUS型單片機。該單片機的優(yōu)勢在于開源，即軟硬件完全開放，并提供14個數(shù)字 I/O 端口和6個模擬端口，在同樣體積下可連接更多的傳感器和元件。

要采集的參數(shù)包括空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度，硬件采集系統(tǒng)電路設(shè)計如圖2所示。主控制器通過外接各類傳感器來收集數(shù)據(jù)，并在PC端顯示。空氣溫濕度傳感器使用的是新一代AHT20型高精度傳感器，采用I2C協(xié)議進行通信，優(yōu)點是精度高、功耗低、抗干擾能力強，適合在惡劣環(huán)境中使用；使用DS18B20型傳感器對土壤溫度進行測量，由于傳統(tǒng)模塊的感應芯片嵌入在小模塊上，無法直接測量土壤溫度。本研究使用的傳感器是在原有傳感器基礎(chǔ)上增加防水探頭；使用FC-28型傳感器對土壤濕度進行測量，因其長時間插入土中，與土壤長時間接觸，導致其生銹。為了使測量穩(wěn)定、延長其使用壽命，因此傳感模塊的感應探頭面積較寬，對表面進行鍍鎳處理；選用GY-302型光照強度傳感器對光照強度進行測量，采用的ROHM原裝BH1750FVI芯片是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路［10-12］；選用SPG30氣體傳感器對二氧化碳濃度進行測量，該傳感器內(nèi)部集成了4個氣體傳感器件，通過附著在表面的金屬氧化物顆粒上吸附的氧氣與目標氣體發(fā)生反應，從而釋放電子，使傳感器金屬氧化層的電阻發(fā)生改變，然后對電阻進行信號處理，得到氣體值。

2.2 供電模塊設(shè)計

為保證系統(tǒng)能在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)穩(wěn)定、持續(xù)工作，選用12 V鋰電池進行供電，優(yōu)點是電池容量大、電流輸出穩(wěn)定、可循環(huán)充電使用。由于單片機的輸入電壓為5 V，設(shè)計了一個由LM7805穩(wěn)壓器組成的降壓電路，為單片機持續(xù)供電。供電電路設(shè)計如圖3所示。

2.3 無線通信模塊設(shè)計

近年來，基于ZigBee、Lora、WiFi、藍牙等無線通信技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展迅速，從而加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程［13］。4種通信技術(shù)對比見表1。聊河黃花菜種植基地的大棚全長為80～100 m、寬為20～30 m，結(jié)合實際條件，WiFi模塊可實現(xiàn)完全覆蓋，低功耗、低成本讓該系統(tǒng)的優(yōu)勢更加明顯。ESP8266模塊連接電路設(shè)計如圖4所示。使用時對模塊進行簡單配置，即可完成數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 PCB印刷電路板設(shè)計

對環(huán)境信息的監(jiān)測會用到大量高度集成的傳感器，通常每個型號的傳感器有4～5個接線口，大量使用杜邦線會造成接線端子接觸不良，導致系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性大大降低。PCB印刷電路板內(nèi)嵌連接導線，用集插式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復雜布線，可實現(xiàn)電路中各元件間的電氣連接。在對PCB進行設(shè)計時，先確定PCB尺寸，再確定特殊元件的位置，并根據(jù)電路的功能單元對電路的全部元器件進行布局。PCB印刷電路設(shè)計如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

一個完整的系統(tǒng)是在軟硬件相互配合下才能實現(xiàn)相應功能的［14］。基于OneNET平臺的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計分為傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)計、WiFi通信模塊設(shè)計和OneNET平臺標準化配置。軟件部分主要通過MCU對各傳感器進行初始化，設(shè)置合適的采集間隔，傳感器收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)WiFi模塊與OneNET平臺交互，總體流程如圖6所示。

3.1 傳感器數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

傳感器采集信息時使用的通信方式主要分為兩種?？諝鉁貪穸?、光照強度、二氧化碳濃度傳感器使用的是I2C協(xié)議，土壤溫濕度傳感器使用的是單總線協(xié)議。應用單總線協(xié)議的傳感器正常讀數(shù)要經(jīng)過4步，即初始化、ROM操作命令、存儲器操作命令、處理數(shù)據(jù)。主機發(fā)出初始化信號等待從機的應答信號，判斷設(shè)備能否正常工作。當從機準確響應后，先跳過ROM操作命令，發(fā)送高速暫存存儲器操作命令，最終經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到相應值。I2C協(xié)議的總線有4個狀態(tài)，即起始狀態(tài)、停止狀態(tài)、忙態(tài)、空閑態(tài)。當主機設(shè)備在I2C總線上發(fā)出起始信號時，開始一次通信，數(shù)據(jù)發(fā)送到SDA總線上，傳輸8 bit數(shù)據(jù)；當主機設(shè)備在I2C總線上發(fā)出停止信號時，停止本次通信。

3.2 WiFi通信模塊軟件設(shè)計

采用WiFi無線通信傳輸數(shù)據(jù)時，使用ATK-ESP8266型號，支持IEEE802.11b/g/n協(xié)議，通過TCP透傳協(xié)議與OneNET平臺進行信息交互。在使用WiFi模塊時，要對引腳進行相應的配置才能正常使用。系統(tǒng)通過Arduino下發(fā)AT指令，對ESP8266模塊進行配置。常用的AT指令配置見表2。

當發(fā)送AT指令后，模塊會給單片機返回信息，根據(jù)反饋內(nèi)容來判斷AT 指令是否執(zhí)行成功，從而繼續(xù)發(fā)送 AT 指令，直到與云平臺建立連接，并進入透傳模式。

3.3 OneNET平臺設(shè)置與標準化接入

該系統(tǒng)使用中國移動OneNET云平臺，其能為用戶提供多種協(xié)議和豐富的API，致力于在物聯(lián)網(wǎng)和設(shè)備間建立一個穩(wěn)定、高效、便捷的應用平臺。在應用該平臺時要通過產(chǎn)品設(shè)備建立連接，按照OneNET平臺進行標準化接入，包括登錄注冊、添加產(chǎn)品、添加設(shè)備、配置設(shè)備后臺、創(chuàng)建設(shè)備序列號和密鑰等過程。

先在OneNET平臺注冊一個賬號，接著在控制臺下的多協(xié)議接入中選擇TCP透傳協(xié)議來創(chuàng)建新產(chǎn)品，在產(chǎn)品下創(chuàng)建新設(shè)備，并添加APIKey。為保證數(shù)據(jù)與平臺傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在設(shè)備列表上傳TCP透傳協(xié)議的腳本信息，在lua腳本中，設(shè)備名稱要與其鑒權(quán)信息保持一致，完成數(shù)據(jù)流與設(shè)備的綁定。此外，在Arduino主程序中向WiFi模塊發(fā)送AT指令，連上熱點，在開啟透傳模式操作后，要向OneNET平臺發(fā)送報文信息，包括產(chǎn)品ID、設(shè)備鑒權(quán)碼、腳本名稱，給平臺下達連接特定產(chǎn)品、設(shè)備的指令，完成MCU與平臺的綁定。

此外，OneNET平臺還為用戶提供報警機制，通過添加觸發(fā)器，對超過預設(shè)閾值的異常數(shù)據(jù)進行報警，從而引起農(nóng)戶的注意，方便農(nóng)戶及時處理，使農(nóng)作物在適宜環(huán)境中生長，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

4 系統(tǒng)試驗

該系統(tǒng)的測試地點為聊城聊河農(nóng)業(yè)科技公司黃花菜種植基地試驗棚，將該系統(tǒng)中的各硬件模塊進行功能集成，對終端設(shè)備進行安裝上電，并進行組網(wǎng)測試［6］。將電源接入單片機，ESP8266模塊迅速與手機熱點建立連接，并接入云平臺，系統(tǒng)每隔3 s采集一次數(shù)據(jù)，可在串口監(jiān)視器中捕捉到數(shù)據(jù)信息，并上傳到云平臺。為方便觀測所有實時采集數(shù)據(jù)，在后臺對顯示界面進行可視化處理，以折線圖的形式將所測數(shù)據(jù)展示出來，界面展示如圖7所示。移動土壤濕度傳感器，并用手電筒在系統(tǒng)附近來回擺動，發(fā)現(xiàn)對應數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動，說明環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)各感應模塊運行正常。

大棚中的環(huán)境變量在短時間內(nèi)變化不明顯，無須頻繁采集數(shù)據(jù)，否則會讓系統(tǒng)長時間處于采集模式，造成資源浪費。為避免系統(tǒng)長時間處于采集模式造成電能浪費，且多次上傳數(shù)據(jù)會占用OneNET平臺數(shù)據(jù)存儲空間。所以，當系統(tǒng)正式投入使用時，把采集間隔設(shè)定為10～20 min。此外，OneNET平臺還會將采集到的數(shù)據(jù)與觸發(fā)器設(shè)置的閾值進行比較，若超出范圍，平臺會通過預設(shè)的郵箱對用戶發(fā)出警報，及時提醒管理者做出相應措施。此外，還充分考慮用戶需求及場景多樣性、智能化的發(fā)展，將環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通過RS485通信協(xié)議與仰邦控制卡對接上傳到LED點陣大屏幕中，測試效果如圖8所示。

5 結(jié)語

針對環(huán)境參數(shù)把控不精確導致大棚產(chǎn)量低下的問題，設(shè)計出一個基于OneNET平臺的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Arduino UNO PLUS為主控芯片，配合多種類型的傳感器，通過I2C或單總線協(xié)議來采集數(shù)據(jù)，選擇高性能、低成本的ESP8266無線通信模塊將MCU采集到的數(shù)據(jù)上傳到OneNET平臺。用戶可通過網(wǎng)頁客戶端和手機鏈接的方式實時查看棚內(nèi)環(huán)境信息，對超出閾值范圍的異常數(shù)據(jù)及時處理，改善農(nóng)作物生長環(huán)境，保證農(nóng)作物生長及品質(zhì)最優(yōu)化，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。應用該系統(tǒng)后，大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)指標滿足聊河地區(qū)黃花菜種植的基本要求，減少企業(yè)的人工成本，彌補傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)復雜、穩(wěn)定性差、造價高的缺點，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供可靠的技術(shù)方案。

參考文獻：

［1］高學治.環(huán)境監(jiān)測技術(shù)存在的問題及對策分析［J］.皮革制作與環(huán)保科技，2022（7）：43-45.

［2］劉強.我國環(huán)境檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢［J］.化工設(shè)計通訊，2022（3）：183-185.

［3］翟繼武.環(huán)境監(jiān)測中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用［J］.科技創(chuàng)新與應用，2014（25）：155-155.

［4］徐耀煒，職燕.基于單片機的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.大眾科技，2017（8）：12-13.

［5］謝忠志，李曙生.基于485總線的車間環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子技術(shù)，2021（11）：126-127.

［6］鐘銳，劉凱.基于OneNET云平臺的古鎮(zhèn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機與網(wǎng)絡，2022（15）：63-67.

［7］張云琦，張景波，楊中雨.OneNet云平臺倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.價值工程，2021（17）：134-135.

［8］GONALO M，RUI P.An indoor monitoring system for ambient assisted living based on internet of things architecture［J］.International Journal of Environmental Research and Public Health，2016（11）：1152.

［9］丁飛，吳飛，艾成萬，等.基于OneNET平臺的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.南京郵電大學學報（自然科學版），2018（4）：24-29.

［10］崔雪峰，張日強，孟祥宇，等.基于Arduino的硝酸銨溶液析晶點溫度測量系統(tǒng)的研究［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2020（12）：165-167，173.

［11］劉曉金，閆華杰，張子民，等.基于單片機的太陽能自動盆栽灌溉器設(shè)計與制造［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2018（5）：1-3.

［12］張鵬，孫紅艷.基于物聯(lián)網(wǎng)的船艙環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子科技，2019（10）：79-82.

［13］婁曉康，張立新，張雪媛，等.基于Arduino和NB-IoT的棉田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究，2022（6）：71-76.

［14］李寒.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.保定：河北大學，2021.