基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田 莉，左 恒,2，郝雯娟，王志凌

（1.南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211156；2.江蘇思行達(dá)信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210049；3.金陵科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

設(shè)施農(nóng)業(yè)是指在環(huán)境相對(duì)可控的條件下，人為改變自然光照及溫濕度等條件，優(yōu)化動(dòng)植物生長(zhǎng)的環(huán)境因子，使之能夠全天候生長(zhǎng)的設(shè)施工程，具有高投入、高產(chǎn)出以及資金、技術(shù)、勞動(dòng)力密集的特點(diǎn)[1]。通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠提高植物生長(zhǎng)環(huán)境的可控性，實(shí)現(xiàn)精確高效控制，節(jié)約人力并提高蔬菜生產(chǎn)效益。

物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)結(jié)構(gòu)上可分為信息感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層[2]。信息感知層通過各種傳感器感知作物生長(zhǎng)所需的環(huán)境數(shù)據(jù)，如環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、土壤養(yǎng)分等物理量參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)傳輸層的作用是把現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相融合，將現(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞到數(shù)據(jù)中心；應(yīng)用服務(wù)層通過個(gè)人計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)信息的監(jiān)視和管理。

針對(duì)信息感知層，李立揚(yáng)等[3]基于ZigBee 技術(shù)構(gòu)建了大棚內(nèi)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)；汪言康等[4]基于LoRa 技術(shù)構(gòu)成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)，具有功耗低、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，但在節(jié)點(diǎn)較多且傳輸數(shù)據(jù)量大時(shí)會(huì)出現(xiàn)組網(wǎng)復(fù)雜、傳輸速率慢且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問題。韓毅[5]采用有線數(shù)據(jù)采集和傳輸方式設(shè)計(jì)了以PLC 為核心的現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠性高，但造價(jià)高昂，不適用于利潤率低的農(nóng)業(yè)。文獻(xiàn)[6-8]設(shè)計(jì)了以STM32 單片機(jī)或樹莓派為主控制器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)。由于國外技術(shù)壟斷，國內(nèi)經(jīng)常面臨芯片缺貨且價(jià)格不斷上漲的局面。本研究采用性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的國產(chǎn)ESP32控制器以有線方式完成傳感器數(shù)據(jù)的采集。

數(shù)據(jù)要從本地局域網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看，文獻(xiàn)[9-11]采用了GPRS 等基于移動(dòng)運(yùn)營商基站的無線接入方式，該方式適用于有手機(jī)信號(hào)覆蓋的地方，但是需要消耗流量費(fèi)，而且還需要相應(yīng)通信模塊的支持。本研究利用ESP32控制器本身的WiFi 功能將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的本地?cái)?shù)據(jù)上傳至WiFi 路由器，不需消耗運(yùn)營商流量，手機(jī)和筆記本電腦等移動(dòng)終端可方便地通過WiFi 接入系統(tǒng)。

針對(duì)應(yīng)用服務(wù)層，文獻(xiàn)[12-13]自行開發(fā)通信協(xié)議并部署服務(wù)器，在電腦端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，增加了設(shè)計(jì)和使用難度。本研究利用阿里云平臺(tái)提供的接入標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用模板進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一套基于阿里云平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，并在手機(jī)APP 上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查看和對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，降低了開發(fā)成本和使用難度，提高了產(chǎn)品使用的便捷性。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由生態(tài)仿真箱、阿里云服務(wù)器和監(jiān)控設(shè)備組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。生態(tài)仿真箱內(nèi)布置空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器和溫濕度控制設(shè)備，通過WiFi將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)路由器上傳至阿里云服務(wù)器；云服務(wù)器基于MQTT 協(xié)議接收、解析并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場(chǎng)端的數(shù)據(jù)整合為方便監(jiān)測(cè)和學(xué)習(xí)的智能數(shù)據(jù)模型，再通過MQTT 協(xié)議下發(fā)到終端。監(jiān)控側(cè)的授權(quán)用戶可通過網(wǎng)頁、APP 或小程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的查看、參數(shù)設(shè)置以及遠(yuǎn)程控制。

圖1 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由電源電路、ESP32 最小系統(tǒng)電路、數(shù)據(jù)采集電路、控制電路等組成。ESP32 單片機(jī)作為控制核心，連接空氣和土壤溫濕度傳感器以及土壤加熱片、水泵、空氣加濕器、半導(dǎo)體制冷片等設(shè)備，采集電路感知環(huán)境數(shù)據(jù)，并利用ESP32 模塊的WiFi 功能將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器?？刂齐娐穼?duì)比該植物最適宜的溫濕度環(huán)境，并通過PID 算法對(duì)大棚內(nèi)的土壤和空氣進(jìn)行恒溫恒濕控制。系統(tǒng)硬件電路連接如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路連接圖

2.1 ESP32 主控芯片及其WiFi 通信功能

ESP32 控制器是一款基于Xtensa 內(nèi)核的32 位CPU，運(yùn)算能力高達(dá)600 MIPS。內(nèi)部集成了WiFi 以及用于Internet連接的完整TCP/IP 協(xié)議棧。ESP32 片上集成了SPI、I2C 和USART 等通信接口，方便對(duì)AHT10 溫濕度傳感器等器件的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，相應(yīng)的GPIO 引腳可直接接入模擬信號(hào)。

ESP32 控制器本身具備WiFi 通信功能，它可以被配置成AP、AP+STA 以及STA 三種模式。AP 模式又稱為接入點(diǎn)模式，在這種模式下ESP32 模塊發(fā)出WiFi 信號(hào)，手機(jī)或其他終端可以通過該WiFi 信號(hào)與ESP32 模塊通信。此種模式下無法訪問互聯(lián)網(wǎng)，用于給ESP32 配置網(wǎng)絡(luò)連接信息，或者OTA 升級(jí)使用。AP+STA 模式又叫混合模式，此模式下ESP32 既可以連接路由器發(fā)出的WiFi 信號(hào)，又可自己發(fā)出WiFi 信號(hào)給其他設(shè)備進(jìn)行連接。該模式可用來實(shí)現(xiàn)WiFi 中繼功能，或者直接掃描附近的WiFi 信號(hào)實(shí)現(xiàn)WiFi 配網(wǎng)功能。STA 模式又稱為WiFi 客戶端模式，此模式下ESP32 模塊作為終端模塊，通過當(dāng)前環(huán)境中的WiFi 信號(hào)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接。ESP32 的配網(wǎng)流程如圖3 所示。

圖3 ESP32 的配網(wǎng)流程

2.2 土壤溫濕度檢測(cè)模塊

DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采用1-Wire 協(xié)議與微處理器通過一條口線進(jìn)行雙向通信，具有多點(diǎn)組網(wǎng)功能。由于每個(gè)DS18B20 硬件中有唯一的地址序列碼，就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20 進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫的目的。在使用DS18B20 時(shí)要接入一個(gè)4.7 Ω 的上拉電阻。將傳感器用不銹鋼封裝后就可用于農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫。

土壤濕度測(cè)量采用一種電阻式土壤濕度傳感器。土壤中水份含量的多少會(huì)引起阻值的變化，從而改變內(nèi)部電路中電阻分壓的大小，將此電壓模擬量傳到ESP32，從而測(cè)量土壤的含水量。由于ESP32 的IO32 ～I(xiàn)O39 引腳可以接模擬量輸入，所以本系統(tǒng)的土壤濕度傳感器的輸出連接ESP32 的IO35引腳。

2.3 土壤溫濕度控制

將電子開關(guān)和加熱板連接，對(duì)電子開關(guān)施加PWM 脈沖，對(duì)土壤進(jìn)行溫度控制。由于電子開關(guān)內(nèi)部的MOS 管本身存在一定的寄生電容，導(dǎo)致開關(guān)時(shí)存在一定的延時(shí)，所以PWM 的控制頻率不能太高，否則會(huì)導(dǎo)致模塊發(fā)熱嚴(yán)重。實(shí)測(cè)該模塊在頻率為1 kHz 的PWM 脈沖控制下運(yùn)行良好。

使用水泵加濕土壤，由電子開關(guān)對(duì)水泵進(jìn)行控制，當(dāng)土壤當(dāng)前濕度低于設(shè)定的濕度值時(shí)，啟動(dòng)水泵電機(jī)，當(dāng)濕度即將達(dá)到設(shè)定值時(shí)降低水泵出水速度，直到達(dá)到設(shè)定值。

2.4 空氣溫濕度檢測(cè)

采用AHT10 傳感器測(cè)量空氣的溫濕度，該傳感器能直接輸出經(jīng)溫度補(bǔ)償后的濕度、溫度等信息，溫度測(cè)量范圍為-40 ～85 ℃，精度為±0.3 ℃；濕度測(cè)量范圍為0 ～100%RH，精度為±2%RH（25 ℃），與控制器之間采用I2C 通信協(xié)議。

2.5 空氣溫度和濕度控制

采用超聲波加濕器模塊控制生態(tài)仿真箱中的空氣濕度，該模塊可以將5 V 直流電轉(zhuǎn)換成高壓高頻交流電，使霧化片產(chǎn)生高頻震動(dòng)，達(dá)到使水霧化進(jìn)而增加空氣濕度的效果。該模塊默認(rèn)使用點(diǎn)觸按鈕進(jìn)行打開和關(guān)閉，設(shè)計(jì)中將模塊的點(diǎn)觸開關(guān)部分用導(dǎo)線直接導(dǎo)通，同時(shí)在其電源處連接一個(gè)型號(hào)為SS8050 的貼片三極管，這樣即可使用單片機(jī)IO 口的高低電平來控制加濕器模塊的打開或關(guān)閉。

使用半導(dǎo)體制冷片控制生態(tài)仿真箱中的溫度，優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動(dòng)部件，無需壓縮機(jī)和冷媒，可應(yīng)用在空間受限、可靠性要求高、不能受到制冷劑污染的場(chǎng)合。半導(dǎo)體制冷片的原理是利用一對(duì)P 形半導(dǎo)體和N 形半導(dǎo)體在通直流電時(shí)產(chǎn)生的“珀?duì)柼?yīng)”，由直流電源提供電子流所需的能量，通上電源后，電子從負(fù)極（-）出發(fā)，首先經(jīng)過P 型半導(dǎo)體，在此處吸收熱量，到了N 型半導(dǎo)體，又將熱量放出，每經(jīng)過一個(gè)NP 模塊，就有熱量由一邊被送到另外一邊，將N 型半導(dǎo)體所在的陶瓷片貼于生態(tài)仿真箱的外壁，可以達(dá)到給生態(tài)仿真箱制冷的效果。當(dāng)給該模塊加載反向直流電源時(shí)，它將會(huì)變成一個(gè)制熱模塊，從而對(duì)生態(tài)仿真箱內(nèi)部進(jìn)行加熱。系統(tǒng)需要根據(jù)仿真箱內(nèi)的實(shí)際溫度情況實(shí)時(shí)切換制冷或加熱效果，故使用TA6586 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，通過該芯片內(nèi)置的H 橋電路實(shí)現(xiàn)電源方向的切換。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要包括數(shù)據(jù)采集和控制、WiFi 配網(wǎng)、MQTT 協(xié)議和云服務(wù)器設(shè)計(jì)三部分。

3.1 數(shù)據(jù)采集和控制部分軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。在主程序中采用定時(shí)中斷的方式，采集數(shù)據(jù)并與設(shè)定閾值比較；根據(jù)比較結(jié)果，采取相應(yīng)的控制措施。

圖4 數(shù)據(jù)采集和控制部分軟件設(shè)計(jì)流程

編寫代碼時(shí)首先引用ESP32 的SDK 中I2C 庫文件和1-Wire 庫文件，結(jié)合傳感器模塊提供的第三方庫文件，配置對(duì)應(yīng)的引腳及時(shí)鐘、中斷等信息，完成傳感器的初始化，進(jìn)行土壤和空氣的溫濕度信號(hào)的采集，并將其解析為可識(shí)別的數(shù)據(jù)；其次，判斷當(dāng)前檢測(cè)數(shù)據(jù)是否超過設(shè)定值的閾值；最后根據(jù)誤差的大小和方向采用分段式PID 算法改變PWM 信號(hào)的占空比，以達(dá)到恒溫恒濕的控制目的。

3.2 WiFi 配網(wǎng)

調(diào)用WiFiManager 中的庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)WiFi 配網(wǎng)功能。當(dāng)ESP32 模塊啟動(dòng)時(shí)，先檢查閃存中是否存在WiFi 配置信息，如果存在則連接；若連接失敗或者找不到連接信息，便打開ESP32 的AP+STA 模式。此時(shí)ESP32 會(huì)發(fā)出設(shè)定名稱的WiFi 信號(hào)，可以使用手機(jī)連接該WiFi 并打開配網(wǎng)界面，此時(shí)可以看到ESP32 當(dāng)前掃描到的WiFi 信號(hào)。選擇目標(biāo)WiFi 信號(hào)，輸入正確密碼后ESP32 便可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

3.3 MQTT 協(xié)議和云服務(wù)器設(shè)計(jì)

消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport, MQTT）是一個(gè)基于客戶端服務(wù)器架構(gòu)、面向發(fā)布/訂閱模型的物聯(lián)網(wǎng)消息傳輸協(xié)議[14]。它的兩個(gè)主要功能是發(fā)布信息（PUBLISH）和訂閱主題（SUBSCRIBE）。當(dāng)發(fā)布者發(fā)布信息后，訂閱者可以收到該用戶發(fā)布的動(dòng)態(tài)信息。

在阿里云平臺(tái)中創(chuàng)建一個(gè)物體模型，生成一個(gè)專屬于該設(shè)備的三元組（PRODUCT_KEY，DEVICE_NAME，DEVICE_SECRET），將該設(shè)備的三元組關(guān)聯(lián)至ESP32 的代碼中便可以使該設(shè)備上線，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)仿真箱的溫濕度數(shù)據(jù)就可上傳至云端；再通過阿里云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)后，可以在官方的云智能APP 訂閱添加該設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)控制功能，如圖5 所示。

圖5 MQTT 訂閱和發(fā)布流程

在初始化函數(shù)中添加回調(diào)函數(shù)傳入客戶端和設(shè)備信息之后，利用AliyunIoTSDK 庫的bindData 回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)MQTT的數(shù)據(jù)訂閱功能；用send 函數(shù)實(shí)現(xiàn)MQTT 的數(shù)據(jù)發(fā)布功能。

4 系統(tǒng)測(cè)試與運(yùn)行結(jié)果

4.1 上位機(jī)PC 端調(diào)試

使用VSCode+PlatformIO 插件搭建Arduino 開發(fā)環(huán)境；基于CH340 芯片的TTL 轉(zhuǎn)USB 功能，實(shí)現(xiàn)ESP32 模塊與計(jì)算機(jī)的串口通信。調(diào)試設(shè)備時(shí)，使用串口打印函數(shù)Serial.println（）輸出需要調(diào)試的參數(shù)。本地?cái)?shù)據(jù)采集調(diào)試界面如圖6 所示。在手機(jī)APP 中設(shè)置溫濕度給定值后，云智能APP 通過MQTT 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)布至云端服務(wù)器，由于“生態(tài)仿真箱”這個(gè)對(duì)象訂閱了該主題，所以會(huì)收到該信息，并通過分段PID 算法產(chǎn)生控制量輸出，達(dá)到恒溫恒濕效果。在串口調(diào)試的過程中，可以測(cè)試設(shè)備是否正常工作，并對(duì)PID算法及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 本地?cái)?shù)據(jù)串口調(diào)試

4.2 運(yùn)行結(jié)果

生態(tài)仿真箱模擬真實(shí)植物生長(zhǎng)環(huán)境，由亞克力板拼接而成，實(shí)物如圖7（a）所示。

圖7 系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行結(jié)果

打開手機(jī)上的“云智能APP”，通過創(chuàng)建設(shè)備時(shí)使用的賬號(hào)登錄，通過掃描二維碼的方式添加設(shè)備“生態(tài)仿真箱”，設(shè)備信息界面如圖7（b）所示。界面中能顯示溫濕度當(dāng)前值，也能通過“+”和“-”調(diào)整溫濕度設(shè)定值。

圖8 是監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)24 h 監(jiān)測(cè)空氣溫度、濕度以及土壤溫度、濕度的數(shù)據(jù)曲線。通過曲線可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，曲線平滑無斷點(diǎn)，短時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)沒有大的跳動(dòng)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)符合生態(tài)仿真箱的實(shí)際運(yùn)行情況。

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的溫濕度數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié) 語

針對(duì)溫室大棚等設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用過程中存在勞動(dòng)力需求大、作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)控制不精準(zhǔn)的問題，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的作物環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將ESP32 硬件平臺(tái)和手機(jī)端通過MQTT 通信協(xié)議連接MQTT 云服務(wù)器之后，數(shù)據(jù)在二者之間推送，實(shí)現(xiàn)了本地?cái)?shù)據(jù)可以上傳到遠(yuǎn)端，手機(jī)端也能對(duì)ESP 硬件平臺(tái)的控制設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而達(dá)到足不出戶就能使作物生長(zhǎng)處于恒溫恒濕的環(huán)境。在一個(gè)生態(tài)仿真箱內(nèi)，進(jìn)行了實(shí)物搭建和程序驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能使作物生長(zhǎng)環(huán)境中的空氣和土壤達(dá)到恒溫恒濕的效果，且系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、通信可靠、成本低廉、操作方便。在當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使用成本和技術(shù)門檻較高，普遍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尚需要一個(gè)過程的背景下，探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用符合當(dāng)前農(nóng)業(yè)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、信息化的發(fā)展道路。