智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一種智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用WSN+WiFi的開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)，將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_(tái)進(jìn)行發(fā)布，用戶通過(guò)APP訪問(wèn)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制。制作了一臺(tái)原理樣機(jī)并完成了系統(tǒng)的功能驗(yàn)證，具有較好的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；WSN+WiFi；數(shù)據(jù)采集；環(huán)境感知；遠(yuǎn)程控制；云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP39；TN802 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）03-0-03

0 引 言

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，對(duì)于灌溉、施肥、噴藥等流程，農(nóng)民全憑經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)。從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展大致經(jīng)歷了電腦農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)四個(gè)階段。智慧農(nóng)業(yè)[1-3]指的是利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的信息感知、精準(zhǔn)管理與智能控制的一種全新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可視化診斷、遠(yuǎn)程控制以及災(zāi)害預(yù)警等功能。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)正在從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。信息科技的高速發(fā)展將為現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)力的物質(zhì)與科技支撐，智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化已經(jīng)成為新一輪農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要特色[4]。

新一代信息技術(shù)是第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)，信息技術(shù)需要和具體的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，如信息技術(shù)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)結(jié)合產(chǎn)生了智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)，信息技術(shù)的應(yīng)用將大大推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的變革。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要合適的環(huán)境，如溫度、濕度、光照等，利用信息技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境的實(shí)時(shí)感知與控制。本文結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一種智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用新型網(wǎng)絡(luò)化開(kāi)放架構(gòu)，將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絆neNET云平臺(tái)進(jìn)行主題發(fā)布，用戶訂閱該主題后可以查詢到區(qū)域內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制。

與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)相比，基于云平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)采用WSN+WiFi的開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)，即由分布在自由空間的一組“自治的”無(wú)線傳感器協(xié)作完成對(duì)特定區(qū)域農(nóng)業(yè)環(huán)境的感知，將WSN獲取的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)WiFi接入互聯(lián)網(wǎng)，將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)并進(jìn)行發(fā)布；用戶可通過(guò)APP實(shí)時(shí)訪問(wèn)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制。該系統(tǒng)將WSN短距離通信與WiFi遠(yuǎn)距離通信結(jié)合起來(lái)，成為一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)[5]。

1 多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能，智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集終端模塊[6]、區(qū)域無(wú)線自組網(wǎng)模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊、云服務(wù)器平臺(tái)、用戶終端5個(gè)部分，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集終端模塊包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境相關(guān)的各種傳感器，如溫度數(shù)據(jù)采集終端、濕度數(shù)據(jù)采集終端和光照數(shù)據(jù)采集終端等，數(shù)據(jù)采集終端模塊通過(guò)ZigBee和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器連接，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，連接云平臺(tái)服務(wù)器。用戶終端通過(guò)APP訪問(wèn)云平臺(tái)，實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過(guò)環(huán)境控制設(shè)備對(duì)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行控制。

（1）WSN+WiFi開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用WSN+WiFi開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)具有以下特點(diǎn)：①WSN基于ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)，硬件成本低，能減少布線、施工的工作量，增加了現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)的靈活性；②協(xié)調(diào)器通過(guò)WiFi模塊連接互聯(lián)網(wǎng)，基于MQTT協(xié)議將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)，用戶通過(guò)訂閱即可訪問(wèn)數(shù)據(jù)；③通過(guò)發(fā)布/訂閱方式使系統(tǒng)成為一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)，并可對(duì)訪問(wèn)用戶進(jìn)行控制。

（2）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊將獲取到的環(huán)境信息通過(guò)內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的ESP8266模塊上傳給云平臺(tái)，使用4G/5G/WiFi等通信方式的設(shè)備都可接入。ESP8266的應(yīng)用層采用MQTT通信協(xié)議，模塊出廠時(shí)已內(nèi)置AT固件，波特率為115 200 b/s，可以進(jìn)行AT指令操作。

（3）云服務(wù)平臺(tái)

系統(tǒng)采用OneNET作為云服務(wù)平臺(tái)，OneNET是由中國(guó)移動(dòng)打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)。平臺(tái)能夠幫助開(kāi)發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與連接，快速完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部署，為智能應(yīng)用產(chǎn)品提供完善的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。云平臺(tái)有用戶登錄識(shí)別功能，登錄成功的用戶通過(guò)Web端添加用戶的智能設(shè)備，如溫濕度傳感器、光照傳感器、溫度控制裝置、通風(fēng)裝置和噴淋裝置等。云服務(wù)平臺(tái)將上傳的數(shù)據(jù)自動(dòng)解析，得到當(dāng)前農(nóng)業(yè)環(huán)境信息，并自動(dòng)顯示在云平臺(tái)上。用戶可以通過(guò)Web、移動(dòng)手機(jī)端訪問(wèn)云平臺(tái)上的環(huán)境信息，進(jìn)而完成相關(guān)環(huán)境控制任務(wù)。

（4）用戶終端

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于手機(jī)APP的用戶終端[7]，云平臺(tái)會(huì)將數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)則引擎轉(zhuǎn)發(fā)給APP，使用戶能隨時(shí)查看農(nóng)業(yè)環(huán)境的相關(guān)信息，云服務(wù)平臺(tái)也會(huì)將用戶下發(fā)的指令轉(zhuǎn)發(fā)給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊，方便用戶對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境終端設(shè)備進(jìn)行控制。

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)包括采集控制終端和協(xié)調(diào)器，多個(gè)采集控制終端和協(xié)調(diào)器通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接，組成了WSN網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器通過(guò)WiFi模塊ESP8266連接到OneNET云服務(wù)器。系統(tǒng)采用嵌入式STM32F103ZET6作為主控制器，環(huán)境傳感器包括農(nóng)業(yè)環(huán)境所需的溫度、濕度、光照傳感器等；基于WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，協(xié)調(diào)器接收來(lái)自采集控制終端的環(huán)境數(shù)據(jù)，將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到OneNET。用戶可以通過(guò)APP訪問(wèn)云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制，STM32嵌入式MCU接收到用戶命令，驅(qū)動(dòng)環(huán)境控制器對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制，如制冷/制熱、噴淋、照明等。

（1）主控制器。選用STM32F103ZET6作為主控制器[8]，該控制器是意法半導(dǎo)體公司推出的一款基于Cortex-M3架構(gòu)的32位嵌入式MCU，內(nèi)含串口、外部中斷、DMA控制器、定時(shí)器等片上資源，具有成本低、功耗低、框架成熟等優(yōu)點(diǎn)。

（2）環(huán)境傳感器。系統(tǒng)選用溫濕度傳感器DHT11、光照強(qiáng)度傳感器BH1750FVI等測(cè)量環(huán)境參數(shù)。DHT11是一款功耗非常低的單總線溫濕度傳感器，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，其信號(hào)輸出引腳和單片機(jī)的GPIO引腳相連。

（3）通信模塊。系統(tǒng)包括區(qū)域連接的WSN組網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)連接的WiFi。WSN采用CC2530無(wú)線組網(wǎng)，其中ZigBee提供了一種支持低速率、低功耗、安全性和可靠性，而且經(jīng)濟(jì)高效的標(biāo)準(zhǔn)型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案。協(xié)調(diào)器采用ESP8266作為WiFi互聯(lián)網(wǎng)接入模塊，通過(guò)串口和STM32連接，STM32發(fā)送AT指令配置模塊工作在STA客戶端模式，將WiFi的名稱和密碼以及OneNET云平臺(tái)的服務(wù)器地址和端口號(hào)發(fā)送給ESP8266，使其能夠接入OneNET。

（4）環(huán)境控制器[9-10]。環(huán)境控制器用于對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)設(shè)定的環(huán)境參數(shù)閾值，控制制冷/制熱、噴淋、照明等設(shè)備實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟/關(guān)閉，使農(nóng)業(yè)環(huán)境符合作物生長(zhǎng)的需要。

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 主程序流程設(shè)計(jì)

軟件流程如圖3所示，首先對(duì)系統(tǒng)模塊進(jìn)行初始化，通信模塊初始化時(shí)，MCU通過(guò)AT指令，使通信模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)，OneNET云平臺(tái)提供的TCP連接端口號(hào)為6002。與云服務(wù)器建立TCP連接后，將數(shù)據(jù)和主題等信息按照特定格式打包成MQTT協(xié)議包，通過(guò)TCP發(fā)送到MQTT服務(wù)器，MQTT服務(wù)器根據(jù)主題信息向訂閱了此主題的設(shè)備發(fā)送MQTT協(xié)議包，接收端按照規(guī)則解析協(xié)議包并提取數(shù)據(jù)。主程序每隔5 s完成一次組包并上傳至云平臺(tái)，系統(tǒng)接收并解析指令，構(gòu)建發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)用來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，最終完成終端設(shè)備與云平臺(tái)的通信。

1.3.2 用戶終端APP設(shè)計(jì)

在OneNET云平臺(tái)上建立和系統(tǒng)相關(guān)的產(chǎn)品和設(shè)備，系統(tǒng)中的終端設(shè)備和OneNET之間通過(guò)MQTT協(xié)議進(jìn)行通信。當(dāng)云平臺(tái)上建立的產(chǎn)品發(fā)布后，用戶登錄APP就可以對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。用戶終端為用戶提供人機(jī)交互界面，通過(guò)它可以實(shí)時(shí)查看環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)可自動(dòng)/手動(dòng)對(duì)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行控制。

基于HBuilder軟件開(kāi)發(fā)用戶終端APP界面，用戶可以使用云平臺(tái)提供的相關(guān)產(chǎn)品/設(shè)備信息，自定義展示的內(nèi)容；然后基于Android或iOS平臺(tái)進(jìn)行編譯，生成可執(zhí)行的APK文件。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與功能驗(yàn)證

根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的功能要求，開(kāi)發(fā)了一臺(tái)原理樣機(jī)，如圖4所示。原理樣機(jī)包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集器、環(huán)境控制器、OneNET云平臺(tái)、用戶終端應(yīng)用APP。環(huán)境數(shù)據(jù)采集器采集溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)基于MQTT協(xié)議上傳至OneNET，用戶終端應(yīng)用APP訪問(wèn)OneNET并實(shí)時(shí)顯示環(huán)境數(shù)據(jù)，APP根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)環(huán)境控制器（LED燈模擬）工作。

用戶在OneNET云平臺(tái)上建立產(chǎn)品和設(shè)備，產(chǎn)品和設(shè)備有唯一的ID號(hào)，當(dāng)環(huán)境終端通過(guò)ESP8266連接網(wǎng)絡(luò)和OneNET服務(wù)器以后，連接的設(shè)備將顯示在線狀態(tài)，如圖5所示。

打開(kāi)在線設(shè)備數(shù)據(jù)流，可以看到與環(huán)境終端設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)，如溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)、環(huán)境控制器狀態(tài)數(shù)據(jù)，如圖6所示；數(shù)據(jù)也可同步顯示在用戶終端APP上，如圖7所示，用戶終端APP可驅(qū)動(dòng)環(huán)境控制器工作。

3 結(jié) 語(yǔ)

智慧農(nóng)業(yè)是未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，信息技術(shù)的應(yīng)用將有力地推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的變革。本文設(shè)計(jì)了一種基于云平臺(tái)的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用WSN+WiFi的開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)，即由分布在自由空間的一組“自治的”無(wú)線傳感器協(xié)作完成對(duì)特定區(qū)域農(nóng)業(yè)環(huán)境的感知，通過(guò)WiFi模塊ESP8266將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)，用戶可通過(guò)APP實(shí)時(shí)訪問(wèn)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制。完成了多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集終端模塊、區(qū)域無(wú)線自組網(wǎng)模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊、云服務(wù)器平臺(tái)、用戶終端5個(gè)部分。最后制作了一臺(tái)原理樣機(jī)并完成了系統(tǒng)的功能驗(yàn)證。

注：本文通訊作者為楊會(huì)軍。

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