王 娜 尹向東 楊振南

（1.湖南科技學(xué)院 傳媒學(xué)院，湖南 永州 425199；2.湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速開展，使得傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)邁向智能化、輕型化。目前蔬菜大棚的監(jiān)測主要采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，需花費(fèi)大量時間去對監(jiān)測樣品進(jìn)行采集統(tǒng)計(jì)。這種方法難以進(jìn)行大規(guī)模地、全面地監(jiān)測，工作量龐大且復(fù)雜困難，難以進(jìn)行實(shí)時、有效的監(jiān)測[1]。所以搭建一個具備平穩(wěn)性、廣泛性、可符合智能監(jiān)測的蔬菜大棚監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的市場前景。

本系統(tǒng)利用各種傳感器、單片機(jī)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)，通過采集作物環(huán)境中的溫濕度和害蟲等各方面數(shù)據(jù)，上傳至云平臺進(jìn)行分析處理，用戶可以遠(yuǎn)程進(jìn)行調(diào)節(jié)處理，實(shí)現(xiàn)精確的自動控制，從而可以有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的智能化生產(chǎn)[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架

整個檢測系統(tǒng)大致分為3 個部分：環(huán)境監(jiān)測服務(wù)器、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、手機(jī)APP。

（1）環(huán)境監(jiān)測服務(wù)器

服務(wù)器硬件包含了 STM32 芯片、液晶顯示器12864、ESP8266 模塊、光電門、溫濕度傳感器DHT11、水位監(jiān)測模塊、光敏電阻。軟件組成包含了整個主程序的設(shè)計(jì)以及分各個模塊進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，如溫濕度采集和統(tǒng)計(jì)害蟲數(shù)量子程序設(shè)計(jì)，液晶顯示子程序設(shè)計(jì)，報警子程序設(shè)計(jì)，ESP8266 連接WIFI 上傳子程序設(shè)計(jì)。

（2）物聯(lián)網(wǎng)云平臺

整個監(jiān)測系統(tǒng)最核心的技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，此系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)在首先硬件設(shè)備各個模塊能夠成功獲取數(shù)據(jù)，ESP8266 模塊接收到傳感器采集到的數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)WIFI 聯(lián)網(wǎng)成功將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺。然后使用云平臺提供的接口，從云平臺的服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，顯示在自己設(shè)計(jì)手機(jī)界面上可實(shí)時監(jiān)管。

（3）手機(jī)APP

在這個系統(tǒng)中用戶通過手機(jī)端 APP 可以實(shí)時獲取農(nóng)田環(huán)境內(nèi)的溫濕度參數(shù)和害蟲數(shù)量，農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測服務(wù)器通過手機(jī)端APP 向用戶反饋數(shù)據(jù)。手機(jī)端APP 提供數(shù)據(jù)的存儲，檢測；數(shù)據(jù)、命令的轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）可以采集到農(nóng)田環(huán)境中的溫濕度參數(shù)、光照強(qiáng)度。粗略的計(jì)算害蟲數(shù)量，感受到雨滴滴落。并通過單片機(jī)對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理和顯示，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境內(nèi)的基本監(jiān)測。

（2）當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)值時及時給予報警提示。

（3）監(jiān)測設(shè)備要求具有遠(yuǎn)程通訊功能、存儲功能，還應(yīng)具有高靈敏度，高可靠性，高抗干擾能力等。

（4）系統(tǒng)通信采用ESP8266 模塊，需要能夠方便快捷的實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，及時將各模塊測量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存處理并上傳到云平臺最后由手機(jī)端接收。

（5）手機(jī)端軟件編程應(yīng)具有清晰界面、操作簡單等特點(diǎn)。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺監(jiān)測系統(tǒng)

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

按照上節(jié)的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了主程序、溫濕度采集和害蟲數(shù)量統(tǒng)計(jì)模塊子程序、溫濕度超限報警模塊、LCD 模塊子程序。本節(jié)著重介紹如何使用ESP8266 進(jìn)行WIFI 傳輸，利用物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)送達(dá)云平臺，最后通過手機(jī)APP 實(shí)時獲取。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2 所示，首先是系統(tǒng)上電后單片機(jī)對系統(tǒng)中的各個模塊初始化，且本身需設(shè)置為初始化成功。硬件板塊上會用一個 LED 燈提示ESP8266 模塊是否聯(lián)網(wǎng)成功，初始化完成之后登陸到物聯(lián)網(wǎng)云平臺對監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳處理，并且進(jìn)行預(yù)判對比是否超過限值，若超限則啟動聲光報警，報警之后系統(tǒng)會延遲5s 再去進(jìn)行新的數(shù)據(jù)采集。

采集數(shù)據(jù)依靠各子模塊的傳感器來進(jìn)行，如結(jié)合DHT11 的工作時序來編寫如何準(zhǔn)確采集溫濕度，采用光電門和水位傳感器的高低電平來進(jìn)行計(jì)數(shù)和感受雨滴滴落。當(dāng)有物體掉入光電門，雨滴滴落在傳感器上時會調(diào)用 LCD 子程序進(jìn)行害蟲數(shù)量加一顯示相應(yīng)的也會調(diào)用報警模塊進(jìn)行報警。當(dāng)采集完數(shù)據(jù)之后 ESP8266 模塊會進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)上傳將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺，工作模式是透傳模式，采用AT 指令來控制。

圖2 主程序設(shè)計(jì)流程圖

2.2 ESP8266 模塊

數(shù)據(jù)上傳主要是借助ESP8266WIFI 模塊，通過AT 指令控制ESP8266 模塊。用stm32 作為該系統(tǒng)硬件的主控芯片，利用串口與ESP8266 進(jìn)行通信交互。聯(lián)網(wǎng)成功之后將采集數(shù)據(jù)上傳到云平臺，手機(jī)端從云平臺獲取。ESP8266 模塊的工作模式主要是STA/AP/STA+AP 三種，此系統(tǒng)中ESP8266 的工作模式是station 模式。作為整個系統(tǒng)基站，通過路由器（AP）連接WIFI 來連入internet，可向云平臺發(fā)送、下載數(shù)據(jù)。

用戶可隨時使用手機(jī)或者PC 端通過云平臺獲取數(shù)據(jù)，監(jiān)測到ESP8266 模塊情況，并能發(fā)送控制命令。ESP8266 模塊將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺采用了透傳功能。農(nóng)田監(jiān)測服務(wù)器通過uart 將數(shù)據(jù)發(fā)給ESP8266 再連接WIFI 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_。在傳輸過程中主要是將數(shù)據(jù)發(fā)到目標(biāo)地址，不會進(jìn)行處理，兩方接收內(nèi)容完全一致。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺

系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)云平臺是利用各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如傳感器技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和遠(yuǎn)程控制等技術(shù)并結(jié)合因特網(wǎng)、WIFI 通信、云計(jì)算大數(shù)據(jù)技術(shù)來開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺，集結(jié)硬件設(shè)備在線采集、用戶遠(yuǎn)程控制、WIFI 傳輸、數(shù)據(jù)存儲處理、發(fā)布預(yù)警信息多功能于一體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。用戶可通過手機(jī)、平板、計(jì)算機(jī)等信息終端，實(shí)時掌握傳感設(shè)備信息，及時獲取報警、預(yù)警信息，最終實(shí)現(xiàn)輕松簡單的管理。

此系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)云平臺相當(dāng)于一個中間過渡作用，ESP8266 連接WIFI 上傳數(shù)據(jù)至云平臺，然后云平臺會提供 API 接口使自行編碼的手機(jī) APP從服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)。

云平臺項(xiàng)目的建立需要完成如下步驟：

（1）添加設(shè)備下的傳感器。共添加了五個傳感器，溫度、光照、濕度、昆蟲數(shù)量、報警。該監(jiān)測系統(tǒng)用的是獨(dú)立的WIFI 模塊，直接經(jīng)過TCP 或MQTT 連接云平臺的關(guān)鍵設(shè)備，所采集到的數(shù)據(jù)被添加的WIFI 模塊上傳到云平臺。

（2）編寫接入代碼，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、協(xié)議封裝、數(shù)據(jù)上傳。接入方式可運(yùn)用TCP、MQTT、HTTP 等協(xié)議，通信方式采用WIFI；在接入云平臺編碼的過程中，可以用開發(fā)文檔中提供的 SDK 進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝。

（3）應(yīng)用開發(fā)。利用云平臺提供的 API 接口自行編碼設(shè)計(jì)符合用戶需求的APP。

云平臺搭建成功才是整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵之處，使得用戶能夠簡便快捷的借助手機(jī)端、PC 端來查看環(huán)境監(jiān)測信息。

2.4 手機(jī)APP

手機(jī)端APP 開發(fā)對于云平臺提供的API 接口，使用okhttp 框架實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)請求。云平臺通過自身的調(diào)試工具查看http 請求返回的(json)數(shù)據(jù),使用gson框架解析服務(wù)器返回的json 數(shù)據(jù)，提取出自己需要的數(shù)據(jù)（包括AccountToken,傳感器的ID、時間和值），使用子線程序循環(huán)請求，更新數(shù)據(jù)。再將解析出來的數(shù)據(jù)顯示到UI 中。UI 主體界面為一個選項(xiàng)卡，對應(yīng)各個傳感器的數(shù)據(jù)，如溫度、濕度。

結(jié)束語

經(jīng)測試，本系統(tǒng)用戶端利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺，可使用手機(jī)APP 實(shí)時實(shí)時監(jiān)管，能夠監(jiān)測到環(huán)境中的溫度、濕度、害蟲數(shù)量、光照強(qiáng)度及雨滴，能夠及時開啟報警反映環(huán)境中的實(shí)時數(shù)據(jù)。由于水平有限，系統(tǒng)還存在許多不足之處，今后我們將進(jìn)一步對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，譬如設(shè)置自動調(diào)節(jié)控制功能，以達(dá)到降低功耗和減輕人員的工作量的目標(biāo)。