黑龍江工程學(xué)院 金子涵 任致遠(yuǎn) 史旭東 王勝鐸

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)日益進(jìn)步，我國的大棚種植業(yè)正朝著智能化方向蓬勃發(fā)展。針對智能化農(nóng)業(yè)設(shè)備更實(shí)時(shí)、更高效的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于OneNet云平臺和Packet Tracer工具實(shí)現(xiàn)智能化大棚設(shè)備控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備為核心，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為傳輸主干，管理員通過的OneNet平臺在終端對大棚進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，并對其實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。最終應(yīng)用表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、管理效率高，解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)設(shè)備管理效率低下、人工成本過高的痛點(diǎn)，具有現(xiàn)實(shí)意義及應(yīng)用價(jià)值。

我國設(shè)施農(nóng)業(yè)起步較晚，近些年，借助于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，大棚種植業(yè)正不斷朝智能化方向發(fā)展。為充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)設(shè)備智能化的優(yōu)勢，本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)性強(qiáng)，管理有效的智能化大棚控制系統(tǒng)，操作人員通過OneNet平臺在終端對大棚內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度和通風(fēng)情況進(jìn)行控制，更有效地改善農(nóng)作物生長環(huán)境，從而提高農(nóng)作物品質(zhì)。既方便了操作人員管理又降低了人工勞作成本。

1 系統(tǒng)應(yīng)用說明

1.1 本地家庭網(wǎng)關(guān)控制

智能大棚設(shè)備以家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備為核心，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為傳輸主干，設(shè)備間通過IoE進(jìn)行交互，具有如下功能：

（1）濕度信息每隔5s采集一次，當(dāng)濕度數(shù)值小于20%時(shí)，自動(dòng)打開加濕器，大于50%時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉加濕器；

（2）溫度信息每隔5s采集一次，當(dāng)溫度數(shù)值小于5℃時(shí)，自動(dòng)打開加溫器，大于28℃時(shí)，自動(dòng)打開風(fēng)扇，當(dāng)溫度到達(dá)15～20℃時(shí)，關(guān)閉加溫器/風(fēng)扇；

（3）光照強(qiáng)度信息每隔5s采集一次，當(dāng)光照強(qiáng)度大于70%時(shí)，自動(dòng)打開卷簾機(jī)，如果在30%以下，自動(dòng)打開日光燈；

（4）用戶通過智能手機(jī)和PC訪問IoE服務(wù)器，并查看、管理智慧大棚設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)方案拓?fù)鋱D

1.2 OneNet平臺控制

PT設(shè)備上云注冊之后，可以將本地的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到OneNet平臺，OneNet平臺具有設(shè)備控制、應(yīng)用開發(fā)、數(shù)據(jù)分析等多種功能，本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）OneNet平臺可以看到實(shí)時(shí)看到棚內(nèi)的溫度、濕度以及當(dāng)前的光照強(qiáng)度。

（2）OneNet平臺可以通過控制按鈕來實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案拓?fù)鋱D如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件整體規(guī)劃

以溫度控制系統(tǒng)為例，硬件端口表如表1所示，濕度控制系統(tǒng)、光照強(qiáng)度控制系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與之同理。

表1 硬件端口表

拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 拓?fù)鋱D

3.2 物體硬件設(shè)計(jì)

Packet Tracer提供了較多的傳感器和執(zhí)行元器件，但這些元器件并不能直接用于本系統(tǒng)，需要改進(jìn)或自行設(shè)計(jì)。以大棚卷簾機(jī)為例，展示其自制流程，分為以下五個(gè)步驟：

思路：大棚卷簾機(jī)的工作狀態(tài)只有開和關(guān)兩種狀態(tài)，可以對提供的咖啡機(jī)的代碼進(jìn)行修改以達(dá)到預(yù)期效果。

從終端設(shè)備－〉家庭，選擇咖啡機(jī)。

點(diǎn)擊Thing編輯器－〉屬性，點(diǎn)擊圖片進(jìn)行修改：因?yàn)榫砗煓C(jī)有開和關(guān)兩種狀態(tài)，所以需要上傳兩張不同狀態(tài)的圖片。

在Thing編輯器－〉規(guī)則，修改再插槽值對應(yīng)的圖片：HIGH時(shí)，卷簾機(jī)工作。

代碼修改：點(diǎn)開python的main函數(shù)代碼，修改setup()中的設(shè)備的“type”。

完善元器件：選擇設(shè)備選擇區(qū)“Component/boards”中的MCU默認(rèn)設(shè)備默認(rèn)不帶以太網(wǎng)接口，需要為其添加以太網(wǎng)接口，步驟如下：雙擊MCU設(shè)備，如圖3所示，在Physical頁面，點(diǎn)擊2處按鈕關(guān)閉電源，把3處的PT-IOT-NM-1CFE模塊拖入4處，之后打開電源，完成控制器設(shè)備以太網(wǎng)接口的添加。

圖3 操作界面圖

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)通過IoT服務(wù)器對智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)管理智能化，IoT服務(wù)器數(shù)據(jù)交互采用了無線方式。濕度傳感器、溫度傳感器、電池因不需要與IoT服務(wù)器直接交互而未配置無線網(wǎng)卡，其他對象都設(shè)置了無線網(wǎng)卡與無線網(wǎng)關(guān)IoT服務(wù)器交互。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、IP地址劃分情況如表2所示。

網(wǎng)絡(luò)信息配置：

步驟1：無線設(shè)備設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口地址信息。

家庭網(wǎng)關(guān)LAN接口地址設(shè)置，家庭網(wǎng)關(guān)和平板電腦均為無線設(shè)備，通過wifi相連。雙擊家庭網(wǎng)關(guān)圖標(biāo)選擇Config選項(xiàng)卡，雙擊左側(cè)窗格的LAN，設(shè)置LAN接口IP地址信息。

家庭網(wǎng)關(guān)WIFI信息設(shè)置，在Config選項(xiàng)頁面，雙擊左側(cè)窗格的Wireless，記錄WIFI接入信息如圖。家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備默認(rèn)開啟IoE服務(wù)和DHCP服務(wù)，無需設(shè)置，IoE服務(wù)默認(rèn)的賬號、密碼均為admin；DHCP分配地址范圍與LAN接口地址處于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

智能手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息設(shè)置，雙擊智能手機(jī)圖標(biāo)，在Config選項(xiàng)頁面，雙擊左側(cè)窗格的WirelessO，輸入SSID、加密方式、驗(yàn)證方式及密鑰短語。完畢后，在Desktop選項(xiàng)頁面，打開Command Prompt，輸入ipconfig查看分配的IP地址信息，若WirelessO接口下分配到與家庭網(wǎng)關(guān)LAN相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的IP地址信息，如圖4所示，表明WIFI組網(wǎng)成功。

表2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、IP地址劃分表

圖4 WIFI組網(wǎng)成功

步驟2：有線設(shè)備設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口地址信息。

雙擊MCU1控制器并選擇Config選項(xiàng)卡，雙擊左側(cè)窗格的FastEthernetO，選擇DHCP自動(dòng)獲取，其余設(shè)備參考進(jìn)行設(shè)置。

步驟3：設(shè)備接入IoE服務(wù)端。

雙擊MCU1設(shè)備，“Cconfig“選項(xiàng)卡“IoT server”區(qū)域點(diǎn)選Home GateWay，即可連接當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備，同樣的方法設(shè)置其他家居設(shè)備，使其接入IoE服務(wù)端。

5 家庭網(wǎng)關(guān)控制編程設(shè)計(jì)

5.1 控制系統(tǒng)

以溫度控制系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)為例展開介紹，濕度控制系統(tǒng)和光照強(qiáng)度控制系統(tǒng)與之同理。

溫度傳感器通過MCU接入IoE服務(wù)端，MCU通過ioeclient模塊實(shí)現(xiàn)與IoE服務(wù)端交互。

（1）引入模塊：gpio、time、ioeclient；

（2）新建ioeSet函數(shù)進(jìn)行IoE初始化：type定義設(shè)備名為Temp，states約定傳輸一個(gè)設(shè)備屬性數(shù)據(jù)，屬性名稱為temperature，數(shù)字類型；

（3）新建getTemp函數(shù)接收溫度數(shù)值：A0讀取的數(shù)據(jù)范圍0～1023，對應(yīng)溫度數(shù)值－100～100，按此線性關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

（4）在main函數(shù)中調(diào)用IoE初始化函數(shù)，之后循環(huán)每隔5s依次讀取溫度數(shù)值，之后調(diào)用reportStates函數(shù)上傳數(shù)據(jù)至家庭網(wǎng)關(guān)。

5.2 IOE服務(wù)器注冊與控制

（1）家庭網(wǎng)關(guān)創(chuàng)建IOE賬號：雙擊和家庭網(wǎng)關(guān)相連的智能手機(jī)或者PC，選擇Desktop選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊“web browser”選項(xiàng)輸入服務(wù)器地址10.1.1.120，點(diǎn)擊Go按鈕，在出現(xiàn)的頁面中，點(diǎn)擊“Sing up now”注冊IOE賬號，在注冊頁面，輸入賬號、密碼，之后點(diǎn)擊create按鈕。創(chuàng)建完畢。本系統(tǒng)使用賬號admin，密碼admin。

（2）登錄家庭網(wǎng)關(guān)IOE服務(wù)，查看設(shè)備：如果發(fā)現(xiàn)缺少設(shè)備，有可能是設(shè)備的遠(yuǎn)程服務(wù)器沒設(shè)置好/設(shè)備的DHCP沒有配置在家庭網(wǎng)關(guān)下。

6 中國移動(dòng)OneNet上云

思路：TCP設(shè)備接入OneNet平臺后，可通過“新增數(shù)據(jù)流”把數(shù)據(jù)傳入平臺，該接口基于http協(xié)議，即TCP設(shè)備通過TCP協(xié)議接入OneNet平臺后，通過http協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

6.1 Packet Tracer工具編程

以光照強(qiáng)度控制系統(tǒng)編設(shè)計(jì)為例，代碼如下：

圖5 效果圖

6.2 OneNet應(yīng)用界面編寫

打開OneNet左端的應(yīng)用管理，點(diǎn)擊添加應(yīng)用。通過基礎(chǔ)元素和控制元素搭配使用，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)建，主要使用折線圖、按鈕功能。效果圖如圖5所示。

結(jié)語：本系統(tǒng)基于OneNet智能開放平臺、利用Packet Tracer進(jìn)行編程并結(jié)合硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)大棚設(shè)備的智能化控制。用戶可通過PC和移動(dòng)終端遠(yuǎn)程查看、管理智慧大棚設(shè)備，更加智能高效地對農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。設(shè)計(jì)方案已從模擬環(huán)境，應(yīng)用在實(shí)際的智能農(nóng)業(yè)沙盤模型上，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。