遠(yuǎn)俊紅，楊 旭

（云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 云南 昆明 650001）

0 引言

智慧農(nóng)業(yè)集現(xiàn)代信息技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全方位管理與控制，對(duì)建設(shè)高水平現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有著重大意義。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，主要涉及農(nóng)業(yè)環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量等數(shù)據(jù)的持續(xù)收集。傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)采集已不能適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需要，基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才能為智慧農(nóng)業(yè)提供持續(xù)的數(shù)據(jù)資源。在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面的研究有很多，尤其是基于片上系統(tǒng)的Python 語言嵌入式開發(fā)成為研究熱點(diǎn)，其中陳光輝[1]基于TPYBoard使用MicroPython 開發(fā)了一種簡(jiǎn)易的溫濕度采集系統(tǒng)；王立華等[2]基于RT-Thread 嵌入式操作系統(tǒng)和MicroPython編程語言設(shè)計(jì)了一種溫室環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)；鄧健等[3]基于CC3200 和MicroPython 設(shè)計(jì)了一種智能家居數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；王韋剛等[4]使用MicroPython 在TPYBoard V202開發(fā)板設(shè)計(jì)了一種智能家居系統(tǒng)。

現(xiàn)有的研究均從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中選取了適當(dāng)?shù)淖蛹瘶?gòu)建了自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但專門針對(duì)小規(guī)模農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集的研究并不多，小規(guī)模農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集具有成本敏感、需求多變等特點(diǎn)，這就要求相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)硬件和通信協(xié)議進(jìn)行科學(xué)選型，并設(shè)計(jì)更加靈活的嵌入式軟件系統(tǒng)。

當(dāng)前，農(nóng)戶家庭經(jīng)營(yíng)仍然是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的主要組織形式，本文針對(duì)小規(guī)模農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，基于PL3S（即：Python 語言、LoRa 通信協(xié)議、單板電腦、單片機(jī)和傳感器）設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（下文中簡(jiǎn)稱為：采集系統(tǒng)），該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活、部署簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、成本低、易升級(jí)等特點(diǎn)，希望能夠?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)應(yīng)用提供穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)源，進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，助力我國(guó)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

1.1 技術(shù)棧的選擇

系統(tǒng)技術(shù)棧的選擇直接影響著系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能、成本、靈活性和開發(fā)難度。當(dāng)前，C/C++語言是嵌入式系統(tǒng)的主流開發(fā)語言，盡管目標(biāo)代碼執(zhí)行效率較高，但其技術(shù)門檻高，編譯鏈接過程使得系統(tǒng)開發(fā)效率降低，不適合需求多變的系統(tǒng)迭代升級(jí)，軟件結(jié)構(gòu)靈活性較差，不利于系統(tǒng)二次開發(fā)。隨著嵌入式硬件性價(jià)比不斷提高，Python語言在微控制器環(huán)境下的衍生版本MicroPython 越來越多的應(yīng)用于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)，其具有先天的跨平臺(tái)移植能力和兼容性，眾多開箱即用的開發(fā)庫，使得系統(tǒng)開發(fā)不必關(guān)注底層硬件細(xì)節(jié)，直接對(duì)硬件進(jìn)行高效控制，本系統(tǒng)使用MicroPython語言開發(fā)控制軟件，在提高開發(fā)效率的同時(shí)，也降低了開發(fā)難度，其動(dòng)態(tài)語言的特性有利于快速開發(fā)、系統(tǒng)部署和迭代升級(jí)。

LoRa 是使用免費(fèi)頻段的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，其在同樣的功耗條件下比其他無線通信方式傳播距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，LoRa 無線通信模塊使用成本低、穿透力強(qiáng)、抗干擾性好，采集系統(tǒng)使用LoRa 通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以大大減少網(wǎng)關(guān)數(shù)量和施工成本，特別適合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。

單板電腦是把微型計(jì)算機(jī)的整個(gè)功能體系電路（CPU、ROM、RAM、輸入/輸出接口電路以及其他輔助電路）全部組裝在一塊印制電路板上，再用印制電路將各個(gè)功能芯片連接起來形成的嵌入式計(jì)算機(jī)，單板電腦具有尺寸緊湊、I/O 豐富、功耗極低、開發(fā)環(huán)境友好等特點(diǎn)，采集系統(tǒng)使用單板電腦作為物聯(lián)網(wǎng)終端的網(wǎng)關(guān)和控制器。

單片機(jī)是一種集成式電路芯片，沒有I/O設(shè)備，體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，適合多樣化數(shù)據(jù)采集與控制運(yùn)算，采集系統(tǒng)使用單片機(jī)控制傳感器和LoRa 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)感知和傳輸。

農(nóng)業(yè)傳感器是本系統(tǒng)的神經(jīng)末梢，農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集對(duì)精度的要求不高，但傳感器需要低功耗、低成本，有利于廣泛部署。

PL3S 技術(shù)棧的選擇較好地契合了農(nóng)業(yè)環(huán)境中物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用需求和系統(tǒng)開發(fā)特點(diǎn)，為采集系統(tǒng)的成功打下了良好的基礎(chǔ)。

1.2 采集系統(tǒng)硬件選型

1.2.1 單片機(jī)的選擇

目前MicroPython 支持部分32 位ARM 處理器，如STM32F4 系列、TI CC3200、esp8266 等，采集系統(tǒng)使用支持MicroPython 的單片機(jī)TPYBoard V102，主控芯片為STM32F405RGT6、最大主頻168 MHz、192 KB RAM、1M Flash、3.5 ～10 V 電壓Micro USB 電源，支持GPIO、SPI、IIC、ADC、One-wire、USART 數(shù)據(jù)接口，支持最大8G TF 卡，可通過代碼控制單片機(jī)各種外設(shè)實(shí)現(xiàn)主流傳感器的數(shù)據(jù)讀取，同時(shí)支持MicroPython 程序直接運(yùn)行。

1.2.2 傳感器的選擇

（1）空氣溫濕度傳感器。采集系統(tǒng)使用包含已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的DHT11 溫濕度復(fù)合型傳感器，具有抗干擾能力強(qiáng)、體積小巧、功耗低、可靠性高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。DHT11 傳感器具有單總線和標(biāo)準(zhǔn)I2C 兩種，采集系統(tǒng)使用單總線通信方式，數(shù)據(jù)交換、控制都有單總線通信完成，在開發(fā)板和DHT11 之間形成“呼叫-應(yīng)答”式的主從關(guān)系。

（2）土壤濕度傳感器。采集系統(tǒng)使用YL69 土壤濕度傳感器，由傳感器探頭和濕度檢測(cè)模塊組成，感應(yīng)面積寬，電壓范圍3.3 ～5 V，檢測(cè)模塊具有雙輸出模式，數(shù)字量輸出簡(jiǎn)單，模擬量輸出精確，靈敏度可調(diào)，其比較器采用LM393 芯片，工作穩(wěn)定，信號(hào)干凈。

（3）光照傳感器。對(duì)于光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，采集系統(tǒng)使用基于I2C 通信的16 位數(shù)字型傳感器GY-30，其內(nèi)部使用BH1750FV1 芯片，光照度范圍在0 ～65535Lx，內(nèi)部集成光電轉(zhuǎn)換、ADC 轉(zhuǎn)換、I2C 信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，可以直接數(shù)字輸出，占用空間小、穩(wěn)定性好。GY-30 傳感器可直接與TPYBoard V102 單片機(jī)IO 相連，部署方便、兼容性強(qiáng)。

（4）雨滴傳感器。降雨量是重要的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，采集系統(tǒng)使用FC-37 雨滴傳感器作為雨量檢測(cè)終端。FC-37 采用雙面FR-04 材料，表面鍍鎳處理，抗氧化能力強(qiáng)，其數(shù)字信號(hào)輸出反映降雨?duì)顟B(tài)，模擬信號(hào)輸出反映雨量大小。

1.2.3 單板電腦選擇

樹莓派具有硬件運(yùn)行穩(wěn)定、軟件生態(tài)良好、開發(fā)資源豐富的優(yōu)勢(shì)[5]，采集系統(tǒng)選擇樹莓派（Raspberry Pi 4 Model B）作為網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)接收、解析并存入數(shù)據(jù)庫，其采用CortexA72 架構(gòu)，核心處理器為4 核1.5 GHz，支持雙頻Wi-Fi、千兆網(wǎng)口以及40 針擴(kuò)展接口，操作系統(tǒng)支持Linux 和Python 語言開發(fā)。

1.2.4 通信模塊選擇

LoRa 無線通信技術(shù)具有成本低、功耗小、部署簡(jiǎn)單、通信范圍廣的特點(diǎn)[6]，采集系統(tǒng)選擇億佰特LoRa 無線模塊E22-400T22DC，該模塊基于SEMTECH SX1262 射頻芯片的UART，傳輸距離遠(yuǎn)、速度快、功耗低、體積小，可根據(jù)引腳設(shè)置為傳輸、WOR、配置、深度休眠4 種工作模式，方便靈活。

1.2.5 顯示屏

LCD12864 顯示屏自帶中文字庫的點(diǎn)陣圖形顯示模塊，顯示分辨率128*64，支持多種接口，操作指令簡(jiǎn)單，低電壓低功耗，采集系統(tǒng)將TPYBoard V102 讀取到的數(shù)據(jù)通過LCD12864 顯示屏輸出，構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。

1.3 系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

為降低系統(tǒng)的復(fù)雜性、提高靈活性，采集系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)使用分層模塊化設(shè)計(jì)，自上而下依次為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和數(shù)據(jù)感知層，各層模塊的組成及使用的開發(fā)語言見圖1。

數(shù)據(jù)感知層負(fù)責(zé)從傳感器采集原始數(shù)據(jù)，TPYBoard 單片機(jī)作為終端控制器與各傳感器相連，運(yùn)行MicroPython編寫的數(shù)據(jù)采集程序，驅(qū)動(dòng)各傳感器根據(jù)配置參數(shù)完成對(duì)溫濕度、光照、雨滴等環(huán)境數(shù)據(jù)的感知。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸層，一方面，TPYBoard 利用串口Uart 與LoRa 模塊發(fā)送端連接，使用MicroPython 編寫的發(fā)送程序調(diào)用LoRa 模塊功能通過無線信道將數(shù)據(jù)感知層采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)；另一方面，樹莓派與LoRa模塊接收端連接作為系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，使用Python 語言編寫的守護(hù)程序監(jiān)控和解析串口數(shù)據(jù)，并根據(jù)標(biāo)志位進(jìn)行設(shè)備登記。

應(yīng)用層功能依托于安裝在樹莓派中的Ubuntu Linux操作系統(tǒng)。通過Python 程序?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)傳輸層接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清理和轉(zhuǎn)換后存入MySQL 數(shù)據(jù)庫，作為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析、可視化展現(xiàn)和決策支持的數(shù)據(jù)源。

2 采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與主要算法

采集系統(tǒng)的軟件部分主要分為數(shù)據(jù)采集模塊和網(wǎng)關(guān)模塊，數(shù)據(jù)格式采用JSON 格式。數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)TPYBoard 單片機(jī)調(diào)用傳感器驅(qū)動(dòng)程序讀取數(shù)據(jù)的功能、基于LoRa 通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)到系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的功能以及相關(guān)的反饋控制邏輯。數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計(jì)流程圖見圖2。數(shù)據(jù)采集模塊在TPYBoard 單片機(jī)上運(yùn)行MicroPython 程序完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的讀取，并通過LoRa發(fā)送端傳輸數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)，由于沒有必要保持較高的數(shù)據(jù)讀取頻率，因此在一次數(shù)據(jù)讀取并傳輸成功后，LoRa 發(fā)送端停止發(fā)送數(shù)據(jù)，以降低系統(tǒng)功耗，同時(shí)等待網(wǎng)關(guān)的喚醒指令，當(dāng)收到下個(gè)周期的喚醒指令時(shí)繼續(xù)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)讀取的數(shù)據(jù)同步在顯示屏輸出。

網(wǎng)關(guān)模塊的軟件設(shè)計(jì)使用多線程串口數(shù)據(jù)監(jiān)聽機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)LoRa 發(fā)送終端的遠(yuǎn)程喚醒、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)保存功能，網(wǎng)關(guān)模塊的軟件設(shè)計(jì)流程圖見圖3。網(wǎng)關(guān)模塊的程序要監(jiān)控串口數(shù)據(jù)并解析，同時(shí)負(fù)責(zé)喚醒單片機(jī)進(jìn)行的數(shù)據(jù)發(fā)送，采取多線程（Threading 庫）與消息隊(duì)列（queue 庫）來處理串口數(shù)據(jù)，防止串口數(shù)據(jù)亂序、擁堵造成阻塞等問題。在接收與發(fā)送端為一對(duì)多的模式下，采取列表存放單片機(jī)設(shè)備號(hào)，充分利用列表特性完成各個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3 采集系統(tǒng)的運(yùn)行與測(cè)試

3.1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

采集系統(tǒng)的總體架構(gòu)由各種傳感器、TPYBoard 單片機(jī)、LoRa 收發(fā)模塊、樹莓派網(wǎng)關(guān)組成，見圖4，其中單片機(jī)和傳感器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊使用LoRa 收發(fā)模塊與樹莓派網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)采集模塊包含多個(gè)采集點(diǎn)，每個(gè)采集點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖4 中虛線框所標(biāo)示。

3.2 采集系統(tǒng)的部署運(yùn)行

按照上述系統(tǒng)的架構(gòu)將相關(guān)硬件進(jìn)行組裝，將軟件系統(tǒng)拷貝至單片機(jī)和樹莓派，即完成系統(tǒng)部署，見圖5。采集系統(tǒng)加電后，各模塊即可正常運(yùn)行，軟件根據(jù)配置參數(shù)驅(qū)動(dòng)硬件模塊持續(xù)采集數(shù)據(jù)。

通過運(yùn)行測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)TPYBoard V102 上的主程序可以很好地完成傳感器數(shù)據(jù)的讀取，并通過LoRa局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一對(duì)多LoRa 通信和雙向數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集過程持續(xù)、穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

將系統(tǒng)在1 h 內(nèi)采集數(shù)據(jù)的均值與人工多次測(cè)量數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行比對(duì)，見表1，通過計(jì)算偏差比（即二者差值與人工均值的比率）發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有系統(tǒng)軟硬件配置條件，偏差比的絕對(duì)值在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可接受范圍內(nèi)，對(duì)于小規(guī)模農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)和決策制定有積極的意義。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)語

本文使用PL3S 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了性能、成本、可靠性和靈活性等方面的均衡，對(duì)于小規(guī)模農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集應(yīng)用開發(fā)有一定的參考價(jià)值，也是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域一次有益的探索。如何在現(xiàn)有硬件架構(gòu)不變的前提下進(jìn)一步提高采集數(shù)據(jù)的精度將是下一步研究的內(nèi)容。