張吉圭，陳 敏，付 江

（貴州城市職業(yè)學院，貴州 貴陽 550025）

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，使得農(nóng)業(yè)的智能化逐步發(fā)展，而現(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、電子信息技術(shù)和傳感器對農(nóng)業(yè)種植地的生產(chǎn)加工進行覆蓋，有效地對農(nóng)作物的生長環(huán)境和生長參數(shù)進行追蹤和管理。雖說物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能夠有效地提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)能，避免資源的浪費，合理利用，但用大面積的傳感器網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化、智能化、智慧化，對于目前農(nóng)村形勢來說，不可能大規(guī)模推廣。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)來實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，極大地降低了成本，充分發(fā)揮了智能物聯(lián)的技術(shù)優(yōu)勢，使系統(tǒng)的構(gòu)建和平臺建設(shè)變得簡單，有效地對智慧農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境、生長參數(shù)進行管理、預判和分析。

1 智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)總體方案

通過對智慧農(nóng)業(yè)的需求進行調(diào)查分析，提出一種解決基于物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)的網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)。用傳感器對智慧農(nóng)業(yè)或智慧農(nóng)場的環(huán)境參數(shù)、農(nóng)作物生長參數(shù)、土壤墑情進行采集，結(jié)合微處理器STM32F4用代碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、云端等服務。根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)要求，設(shè)計一套智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)軟件和硬件，實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)的環(huán)境參數(shù)溫濕度計光照的采集及控制，同時安裝報警裝置和攝像頭實時監(jiān)控，連接遠程云端平臺及客服端。其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)采集硬件研究

物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)，對土壤環(huán)境的光照、濕度、溫度、水分、病蟲害、風速、風向、雨水等種植環(huán)境參數(shù)和植物生長狀況圖像信息進行采集轉(zhuǎn)換為電信號，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)，把信息傳遞到以STM32F407組成的處理核心進行數(shù)據(jù)處理，通過移動的NB-IoT連接OneNet移動物聯(lián)網(wǎng)云平臺，可在客戶端或WEB端能夠?qū)ΜF(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)進行遠程監(jiān)控，同時可遠程發(fā)布命令控制執(zhí)行，遠程采集智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)。在信息采集硬件部分，主要采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)RS232和處理器進行信息通信，ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種無線通信技術(shù)，傳輸速度能達到250K/s，距離在75m左右，具有低功耗，大容量，成本低，可靠安全等特點。通過ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器，ZigBee終端實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組織。其ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示。串口RS232實現(xiàn)攝像機把采集到的圖像信息經(jīng)微處理進行云端的遠程傳輸控制，其農(nóng)業(yè)系統(tǒng)信息采集硬件如圖3所示。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲

圖3 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)信息采集硬件

3 智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)信息傳輸主要通過NB-IoT通信模塊遠程連接OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺，MN316是一款工業(yè)級的NB-IoT通信模組，支持更高速率的傳輸，支持基站定位，支持eSIM和OneNet平臺協(xié)議，較低的功耗和溫度特性，工作在頻段Band3/Band5/Band8，支持最新release14標準，內(nèi)置華為輕量級物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)LiteOS，并支持OneNet、CTWing、華為云、騰訊云、阿里云等主流的物聯(lián)網(wǎng)平臺，真正實現(xiàn)了無縫對接，快速開發(fā)的原則。廣泛應用于智慧城市、遠程抄表、智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等物聯(lián)網(wǎng)工程項目中。系統(tǒng)中STM32F407主處理器通過串口連接到NB-IoT無線通信模塊MN316，通過BN網(wǎng)絡(luò)和OneNet協(xié)議連接到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。其通信流程架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 處理器與云平臺通信流程架構(gòu)圖

MN316通信模組的配置是通信的關(guān)鍵因素和步驟，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是否能夠正常開展數(shù)據(jù)業(yè)務，決定與MN316的通信配置，通過處理器STM32F407串口與MN316模組的連接，在軟件里使用AT指令集對MN316進行初始化配置，SIM卡初始化配置，遠程連接配置等初始上電信息配置，其配置流程圖如圖5所示。

圖5 MN316配置流程圖

4 智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)控制系統(tǒng)研究

智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，根據(jù)采集的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)、生長態(tài)勢，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的溫濕度控制，光照控制，濕度及節(jié)水灌溉控制?？蛇h程自動控制或現(xiàn)場手動控制，遠程控制通過云平臺的WEB端或APP對系統(tǒng)發(fā)布操作命令，設(shè)備端執(zhí)行操作完成遠程自動控制?？刂颇K的原理框圖如圖6所示，其控制系統(tǒng)模塊功能具體如下：

圖6 控制模塊的原理框圖

（1）加溫加濕控制：當傳感器監(jiān)測到溫濕度小于或大于設(shè)定的閾值范圍，加濕器自動執(zhí)行濕度的控制，換氣風機執(zhí)行溫度的控制。當達到設(shè)定的溫度后，設(shè)備停止工作。

（2）光照控制：植物的生長需要光合作用和二氧化碳，結(jié)合卷簾設(shè)備、電機、風機實現(xiàn)對光照和二氧化碳的有效控制，達到科學管理的目的。

（3）灌溉控制：濕度傳感器采集到的土壤濕度信息值超過農(nóng)作物生產(chǎn)的環(huán)境值時，開啟灌溉系統(tǒng)，為農(nóng)作物土壤及農(nóng)作物補水，當土壤濕度達到預設(shè)值時，灌溉系統(tǒng)停止節(jié)水灌溉。

（4）水箱水位的控制：當灌溉系統(tǒng)蓄水箱水位低于預定閾值時，系統(tǒng)啟動水泵為水箱蓄水，當蓄水箱內(nèi)水位達到上限閾值時，水泵停止運行。

5 實驗結(jié)果分析

通過以STM32F407為核心搭建系統(tǒng)仿真平臺，結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)各傳感器對農(nóng)業(yè)各生長勢態(tài)，生長參數(shù)進行感知。以電機、繼電器、傳感器、限位器、卷簾機、風機及加濕機等組成系統(tǒng)控制設(shè)備。以中國移動NB-IoT模塊MN316實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的遠程云端連接，以O(shè)neNet物聯(lián)網(wǎng)云平臺作為遠程數(shù)據(jù)中心，連接設(shè)備端和用戶控制端。對系統(tǒng)進行仿真測試，結(jié)果滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的參數(shù)的遠程連接和控制，其實驗仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 實驗仿真結(jié)果

6 結(jié)束語

智慧農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的技術(shù)改造，提升信息化的農(nóng)耕方式和管理方式，把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用在田野農(nóng)業(yè)里的延伸，讓農(nóng)業(yè)產(chǎn)品實時在線，將通過傳感器實時采集的環(huán)境數(shù)據(jù)、光照數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)結(jié)合傳統(tǒng)的種植經(jīng)驗，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)信息化、數(shù)字化和智能化。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境控制進行本地化和網(wǎng)絡(luò)化部署，使農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)上云，實現(xiàn)遠程云端的監(jiān)控，這對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展和鄉(xiāng)村振興都具有十分重要的意義。