李臣輝，王祖良

（西京學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

0 引 言

為了服務(wù)農(nóng)業(yè)、建立智慧農(nóng)業(yè)、全面提高農(nóng)業(yè)信息化水平，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)變成現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，再到智慧農(nóng)業(yè)，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出一大批高新科技公司，涉及傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、信息化等，這些新型技術(shù)已逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)設(shè)施。社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入信息化時(shí)代，在智慧農(nóng)業(yè)這一體系中，數(shù)據(jù)的采集是非常重要的環(huán)節(jié)，尤其是氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。要想實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精細(xì)化、科學(xué)化管理，這些是必不可少的參考數(shù)據(jù)。在這些系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的支持下，農(nóng)業(yè)從業(yè)者能進(jìn)行科學(xué)決策，擺脫傳統(tǒng)的盲目決策的局面。因此能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)氣象數(shù)據(jù)變得非常重要。農(nóng)業(yè)上主要運(yùn)用到的氣象數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、CO濃度、土壤PH值、土壤溫濕度、EC值等。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)條件下，做出監(jiān)測(cè)以上參數(shù)的傳感器早已不成問(wèn)題，現(xiàn)在已經(jīng)開始朝著更加穩(wěn)定、智能、抗干擾方向發(fā)展，并且可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制開發(fā)。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)公司而言，這將大大減少開發(fā)成本，提高系統(tǒng)集成性，大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，更好更快地服務(wù)于智慧農(nóng)業(yè)。

鄉(xiāng)村大多是農(nóng)田與農(nóng)民處于兩地狀態(tài)，農(nóng)民居住在一起，農(nóng)田在相對(duì)比較空曠、偏遠(yuǎn)的地方。因此農(nóng)民想要查看農(nóng)田的干旱程度、土壤溫度等就必須要親自到農(nóng)田才可以，而且只能依靠人們的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷和決策，導(dǎo)致澆水、施肥量不能達(dá)到作物最適宜的范圍，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)民種田成本上升，收入降低。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)、無(wú)人看守的農(nóng)田氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由氣象站支架臺(tái)、傳感器、集線器、網(wǎng)關(guān)、LED顯示屏、鋰離子可充電蓄電池、太陽(yáng)能電池板等部件組成。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要由傳感器、集線器、網(wǎng)關(guān)等組成。

2.1 傳感器

下面介紹本系統(tǒng)所用的主要傳感器。

（1）光照和溫濕度三合一傳感器

光照和溫濕度三合一傳感器廣泛適用于農(nóng)業(yè)大棚、花卉培養(yǎng)等一些需要光照度及溫濕度監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合。該傳感器內(nèi)部集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、美觀大方、安裝方便。采用12～24 V DC供電，平均功耗為48 mW，通信方式為RS 485。

（2）風(fēng)向傳感器

風(fēng)向傳感器體型小巧、輕便、便于組裝，只需占用較少的空間即可，方便施工，可以有效捕獲外部環(huán)境信息；殼體采用優(yōu)質(zhì)鋁合金型材，具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，特別適合于室外極端環(huán)境。已被廣泛應(yīng)用于溫室、氣象站、船舶、碼頭等一系列風(fēng)向測(cè)量環(huán)境。風(fēng)向測(cè)量范圍為0～360°，測(cè)量精度為1°。通信方式為RS 485，功耗小于1 W。供電電源為12～24 V DC。

（3）風(fēng)速傳感器

本系統(tǒng)采用的這款風(fēng)速傳感器體型小巧輕便，易于現(xiàn)場(chǎng)安裝，殼體采用鋁合金型材，具有很強(qiáng)的防腐蝕性，非常適合應(yīng)用于極端環(huán)境下的氣象監(jiān)測(cè)；同時(shí)內(nèi)部采用順滑的軸承系統(tǒng)，可使傳感器數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定可靠，適用于礦區(qū)、碼頭、氣象站等需要測(cè)量風(fēng)速的場(chǎng)合。供電電源為12～24 V DC，平均功耗為40 mW，通信方式為RS 485。

（4）土壤EC、濕度、溫度三合一傳感器

土壤EC、濕度、溫度三合一傳感器適用于測(cè)量土壤溫度、水分以及土壤鹽分含量（電導(dǎo)率）的場(chǎng)合。同時(shí)對(duì)三者進(jìn)行測(cè)量，集成到一個(gè)傳感器上，大大降低了用戶的成本，縮小系統(tǒng)的體積，極大地方便了客戶；精度高，輸出穩(wěn)定，適用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)、溫室大棚、牧場(chǎng)、田園等。供電電源為12～24 V DC，平均功耗小于0.15 W，通信方式為RS 485。

（5）雨量傳感器

雨量傳感器用于測(cè)量降雨量，將降雨量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的形式進(jìn)行傳送，滿足人們的需求，觀測(cè)降雨量的大小。供電電源12～24 V DC，平均功耗85 mW，通信方式為RS 485。

2.2 485集線器

RS 485通信具有良好的電氣性能，抗干擾能力強(qiáng)，而且通信距離可達(dá)3 000 m，在實(shí)際應(yīng)用中具有非常大的優(yōu)勢(shì)。RS 485總線最多可以連接128個(gè)收發(fā)器，這就大大增加了其可擴(kuò)展能力，非常有利于在工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域采用。優(yōu)良的抗噪聲干擾能力、長(zhǎng)的通信距離以及強(qiáng)大的可擴(kuò)展能力，使其在很多場(chǎng)合被廣泛使用，因此本系統(tǒng)也采用此通信方式作為溝通傳感器與網(wǎng)關(guān)的橋梁。

本系統(tǒng)是通過(guò)485通信方式的集線器將各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)匯總到一條485通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)線上，然后再將這條數(shù)據(jù)線連接到網(wǎng)關(guān)上，最后交由網(wǎng)關(guān)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合處理，并通過(guò)4G模塊上傳到服務(wù)器。

2.3 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)主要由信息處理模塊、4G模塊、繼電器模塊等組成。信息處理模塊是把采集后的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)分析0、1高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取。4G模塊是本系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)的主要模塊。通過(guò)流量卡與移動(dòng)、聯(lián)通或者電信基站連接，通過(guò)內(nèi)部程序連接服務(wù)器，然后把信息處理模塊的數(shù)據(jù)上傳到指定服務(wù)器。當(dāng)與指定服務(wù)器建立連接后，即可在MQTT平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下發(fā)和訂閱，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程操作，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)。繼電器模塊為后期擴(kuò)展相應(yīng)功能預(yù)留的端口，目前未接入設(shè)備。繼電器的功能是用小電流控制大電流。通過(guò)控制線圈的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)狀態(tài)的改變，通過(guò)常開、常閉觸點(diǎn)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)想要的功能，比如充當(dāng)開關(guān)功能接入電動(dòng)機(jī)等。本系統(tǒng)采用的網(wǎng)關(guān)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)

3 軟件設(shè)計(jì)

考慮到農(nóng)田基本上都處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，大面積鋪設(shè)電力電纜不太現(xiàn)實(shí)，而且農(nóng)田一般沒有WiFi網(wǎng)絡(luò)，但一般都有手機(jī)通信基站。因此采用4G模塊作為本系統(tǒng)的通信方式，對(duì)采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和轉(zhuǎn)換，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到MQTT服務(wù)器，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作。還可在PC端連接網(wǎng)關(guān)，配置數(shù)據(jù)上傳周期、查詢歷史數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)軟件處理流程如圖3所示。

圖3 軟件處理流程

4 調(diào)試與測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)傳感器、電源系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)等的搭建，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。完整接線測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。圖5為安裝到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際圖。表1所列是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)485集線器將傳感器數(shù)據(jù)匯總后連接到網(wǎng)關(guān)上；然后通過(guò)4G無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)上傳發(fā)送到服務(wù)器；最后服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)LED顯示屏進(jìn)行顯示。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、功耗低、采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能夠滿足人們的需求，為農(nóng)戶增產(chǎn)增收提供有力的保障。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試

圖5 現(xiàn)場(chǎng)安裝