冉卓衡

（天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387）

在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用中，溫濕度、光照等環(huán)境參數(shù)都能對(duì)作物的生長(zhǎng)品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。例如，當(dāng)大棚內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)引發(fā)作物“高溫不實(shí)”或“高溫逼熟”等熱害現(xiàn)象，而過(guò)低的溫度又會(huì)產(chǎn)生低溫冷害、凍害等現(xiàn)象[1]；如果溫室中的濕度長(zhǎng)時(shí)間處于較高的狀態(tài)，則容易引起種植區(qū)域內(nèi)各種霉菌滋生[2]；而當(dāng)日光不足時(shí)還會(huì)造成植被的寡照陰害[3]。因此，如果能在農(nóng)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)快速獲取環(huán)境中的反饋信息，并以此來(lái)及時(shí)地調(diào)節(jié)相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，將對(duì)農(nóng)作物的種植與生長(zhǎng)產(chǎn)生積極的影響。此外，隨著近年來(lái)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的成熟應(yīng)用，我國(guó)的農(nóng)業(yè)智能化水平也正逐步邁入發(fā)展的黃金時(shí)期[4-6]。

基于Cat.1 模組和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)構(gòu)建了一套實(shí)用的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。Cat.1 模組可以無(wú)縫接入現(xiàn)有的LTE 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高速率、低延時(shí)與低功耗地接收感知層采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。華為OceanBooster 云平臺(tái)不但能提供農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化服務(wù)，還可根據(jù)云平臺(tái)設(shè)置好的觸發(fā)規(guī)則，下發(fā)相應(yīng)的控制命令給農(nóng)業(yè)設(shè)施，使農(nóng)業(yè)設(shè)施可跟隨大棚內(nèi)實(shí)時(shí)的環(huán)境參數(shù)自主地實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)與開閉。在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與效率的同時(shí)，又可減少電能消耗，降低化學(xué)肥料與有害物質(zhì)的污染，具有較好的實(shí)用性和一定的環(huán)保性。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

該智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)由參數(shù)采集傳感器、功能執(zhí)行設(shè)備、數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)、規(guī)則設(shè)置平臺(tái)、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收模塊等組成，各個(gè)模塊間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)單元通過(guò)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)智能化地監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)。在用戶端使用者還可通過(guò)手機(jī)及網(wǎng)頁(yè)瀏覽并設(shè)置相應(yīng)的環(huán)境與控制信息，便捷地管理農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)作物的生產(chǎn)。采集端系統(tǒng)的主要硬件部分由通信模塊、顯示模塊、電源模塊、環(huán)境參數(shù)傳感器和調(diào)節(jié)控制模塊等組成，各部分關(guān)系的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 采集端的系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)主要硬件組成

該系統(tǒng)基于Cortex-M4 內(nèi)核的STM32L431 低功耗系列微控制處理器開發(fā)，該處理器不但有著豐富的外設(shè)資源[7]，且工作頻率也高達(dá)80 MHz[8]。除了選用市面上常用的環(huán)境參數(shù)傳感器之外，該系統(tǒng)還通過(guò)Cat.1 模組與GSM 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，使整個(gè)系統(tǒng)具有低功耗、低成本和易于使用的特點(diǎn)。

2.1 參數(shù)采集傳感器

2.1.1 光照傳感器

系統(tǒng)基于BH1750 傳感器內(nèi)置的16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)IIC 協(xié)議可直接傳輸農(nóng)業(yè)環(huán)境中光照強(qiáng)度的數(shù)字信息，而不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算[9]。傳感器的測(cè)量結(jié)果也可以通過(guò)光度計(jì)來(lái)直接地進(jìn)行驗(yàn)證，所測(cè)得光照強(qiáng)度的物理單位是lx（勒克斯）。

2.1.2 氣體傳感器

氣體監(jiān)測(cè)所使用的MQ-2 型傳感器是一款可識(shí)別多種氣體的探測(cè)器，其廣泛被應(yīng)用于液化氣、苯、烷、酒精等氣體的探測(cè)。具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)[10]。當(dāng)環(huán)境中的氣體濃度越大，傳感器的導(dǎo)電率就會(huì)變大，輸出電阻也隨之降低，最終使模擬信號(hào)的輸出增大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境中氣體參數(shù)的測(cè)量。

2.1.3 GPS定位模塊

該系統(tǒng)采用設(shè)計(jì)緊湊的Quectel L80-R 型定位模塊，其定位誤差最大僅為2.5 m。當(dāng)種植區(qū)域內(nèi)部署有大量的智慧農(nóng)業(yè)采集端設(shè)備時(shí)，通過(guò)GPS 定位模塊即可實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的精準(zhǔn)定位與搜尋。

2.1.4 溫濕度傳感器

農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中溫濕度的采集裝置為SHT30 型溫濕度傳感器，該傳感器基于IIC 總線通信模式，不但能夠提供極高的可靠性和出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[11]，還具有功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[12]。所測(cè)得的數(shù)據(jù)以16 位傳輸，其所測(cè)濕度的換算公式為：

所測(cè)得溫度信號(hào)的換算公式為：

其中，SRH和ST表示傳感器輸出的濕度和溫度。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

感知層所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)LWM2M 協(xié)議，通過(guò)Quectel M26 GSM 模塊將光強(qiáng)信息、溫濕度信息、GPS定位信息和命令執(zhí)行結(jié)果等信息上傳，用戶可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端與手機(jī)端實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的訪問(wèn)與控制。

2.3 數(shù)據(jù)接收模塊

該系統(tǒng)的接收端采用Cat.1 模組實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。Cat.1 是4G 通信LTE 網(wǎng)絡(luò)下用戶終端類別的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其上、下行峰值速率分別為5 Mbit/s和10 Mbit/s[13]。盡管NB-IoT 在當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中發(fā)展迅速[14]，但其上、下行速率只有100 kbps，而Cat.1 在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、速度和延時(shí)上均占有優(yōu)勢(shì)，因而非常適合在對(duì)性價(jià)比、時(shí)延性、覆蓋范圍、通信速度均有較高要求的智慧農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中使用[15]。此外，相比于傳統(tǒng)的LTE Cat.4 模組，Cat.1 又有低成本、低功耗優(yōu)勢(shì)[16]。用戶在連接該模塊后，信號(hào)的質(zhì)量與附著情況可通過(guò)AT 指令查詢，所得的查詢結(jié)果如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)連接情況測(cè)試圖

如圖3 所示，使用AT 指令發(fā)送CGATT 與CPIN指令至模組后，所得的響應(yīng)結(jié)果分別為1 和READY，表示Cat.1 模組的SIM 卡正常工作，并已經(jīng)正常附著網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)可通過(guò)CSQ 指令進(jìn)一步地查詢信號(hào)質(zhì)量與誤碼率，響應(yīng)數(shù)值30 表示信號(hào)的傳輸質(zhì)量較好，誤碼率的數(shù)值為99，處于0～99 的正常范圍內(nèi)。參照指令的響應(yīng)結(jié)果，可以得出此時(shí)Cat.1 模組已成功接入移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，且信號(hào)傳輸也較為穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)主要軟件設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的軟件組成部分主要有數(shù)據(jù)上傳程序、命令下發(fā)程序和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)三大部分組成。通過(guò)CoAP 通信協(xié)議，采集端可將傳感器的采集參數(shù)、設(shè)備工作的狀態(tài)等信息以數(shù)據(jù)報(bào)文的形式上報(bào)至云平臺(tái)。

3.1 數(shù)據(jù)上傳程序設(shè)計(jì)

在上傳數(shù)據(jù)前，首先需要在云平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)備注冊(cè)。在成功實(shí)現(xiàn)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)之間的連接后，待下一次設(shè)備正常供電時(shí)，就可以基于定義好的業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息采集、周期上傳數(shù)據(jù)、相關(guān)事件觸發(fā)等功能。數(shù)據(jù)的上傳程序流程圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)上傳程序流程圖

當(dāng)系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)并完成了硬件與通信協(xié)議的初始化后，通信模組就會(huì)向平臺(tái)發(fā)送標(biāo)識(shí)碼等設(shè)備信息以連接至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。當(dāng)收到平臺(tái)下發(fā)的連接成功信息后，傳感器立即開始采集周圍的環(huán)境信息，并將采集完畢的就緒信號(hào)傳遞至云平臺(tái)。在收到并解析云平臺(tái)下發(fā)的JSON 格式的反饋信息后，設(shè)備就開始將采集的環(huán)境信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)并上報(bào)給云平臺(tái)。當(dāng)云平臺(tái)收到數(shù)據(jù)成功上傳的報(bào)文后，一次完整的數(shù)據(jù)交互才能結(jié)束。

3.2 命令下發(fā)程序設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，用戶可通過(guò)虛擬開關(guān)控制真實(shí)的農(nóng)業(yè)設(shè)備。在接收到云平臺(tái)下發(fā)的命令后，設(shè)備中程序的運(yùn)行過(guò)程如圖5 所示。

圖5 命令下發(fā)程序流程圖

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下發(fā)控制命令后，設(shè)備在收到命令后會(huì)立刻返回ACK 響應(yīng)信息。當(dāng)云平臺(tái)成功接收到設(shè)備的反饋信息后，設(shè)備就開始執(zhí)行云平臺(tái)所要求的控制指令內(nèi)容，并發(fā)送相應(yīng)的控制指令執(zhí)行結(jié)果到云平臺(tái)。最終物聯(lián)網(wǎng)云端會(huì)更新可視化界面中設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)信息。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.3.1 數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用

采集端所收集的環(huán)境溫濕度信息、位置信息和設(shè)備狀態(tài)信息可以被部署在華為OceanBooster 平臺(tái)中，并通過(guò)虛擬的儀表、地圖、折線圖等功能模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化展示。如在光照可視化圖表中，設(shè)備每采集一次光照數(shù)據(jù)，圖表中就會(huì)記錄一次當(dāng)前時(shí)間設(shè)備所檢測(cè)的光照數(shù)據(jù)值，如圖6 所示。

圖6 可視化圖表效果圖

當(dāng)采集到多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)后，就會(huì)形成一條完整的可視化曲線，以供用戶掌握實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的環(huán)境變化信息。除可視化功能外，該平臺(tái)還支持控制命令的下發(fā)。在該系統(tǒng)中，既可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制模擬的LED 照明燈、風(fēng)扇等農(nóng)業(yè)設(shè)施，也可在云平臺(tái)中建立控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)智能地控制農(nóng)業(yè)設(shè)施工作。

3.3.2 建立控制規(guī)則

傳感器所上傳的數(shù)據(jù)不但可以在云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可視化，還可通過(guò)建立如圖7 所示的控制規(guī)則，以命令下發(fā)的方式來(lái)智能地調(diào)節(jié)與控制聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)設(shè)施。

圖7 建立控制規(guī)則示意圖

該系統(tǒng)中所設(shè)置的規(guī)則依據(jù)所處的環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬風(fēng)扇開閉、模擬農(nóng)業(yè)補(bǔ)光燈開關(guān)、煙霧報(bào)警等設(shè)施的自動(dòng)控制。具體的參數(shù)干預(yù)閾值可根據(jù)農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中大棚內(nèi)的實(shí)際情況而定，且隨著季節(jié)的變化應(yīng)做出相應(yīng)調(diào)整。同時(shí)，還可將同一套規(guī)則運(yùn)用至多個(gè)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)施整體調(diào)控一致的效果。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

將設(shè)備與模組連接電源后，傳感器的數(shù)據(jù)采集與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)可視均工作正常。經(jīng)測(cè)試，手動(dòng)向云平臺(tái)發(fā)送設(shè)備控制命令后，相關(guān)命令均被模擬農(nóng)業(yè)設(shè)施成功執(zhí)行，云平臺(tái)中所建立的規(guī)則均成功實(shí)現(xiàn)其預(yù)設(shè)的功能。如當(dāng)向溫濕度傳感器呼氣時(shí)，模擬風(fēng)扇則會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)空氣中的煙霧含量過(guò)高時(shí)，蜂鳴器報(bào)警裝置立即鳴響；當(dāng)用手遮擋光照傳感器時(shí)，模擬農(nóng)業(yè)LED 燈的自動(dòng)補(bǔ)光作業(yè)就會(huì)啟動(dòng)。光照傳感器被遮擋前后的系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖8(a)和(b)所示。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物測(cè)試圖

此外，用戶還可瀏覽云平臺(tái)中傳感器所上傳的歷史數(shù)據(jù)，并基于相關(guān)數(shù)據(jù)手動(dòng)或自動(dòng)地修改大批量系統(tǒng)的控制參數(shù)，在節(jié)省人力物力的同時(shí)，達(dá)到增量增產(chǎn)的目的。同時(shí)用戶還可通過(guò)瀏覽云平臺(tái)中的報(bào)表、告警及上傳時(shí)間等信息，使用分析軟件或數(shù)學(xué)分析方法對(duì)本地歷史數(shù)據(jù)加以整理與處理，以更合理地設(shè)置傳感器與控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)調(diào)控機(jī)制的進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。

5 結(jié)論

文中基于Cat.1 模組和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)設(shè)計(jì)了一款新型的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但可通過(guò)Cat.1模組低延時(shí)地傳輸不同類型傳感器所采集的環(huán)境信息，還可依托云平臺(tái)中所設(shè)置的規(guī)則，智能地調(diào)節(jié)和控制農(nóng)業(yè)設(shè)施運(yùn)行，營(yíng)造有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)設(shè)施調(diào)控的自動(dòng)化與設(shè)備采集參數(shù)的可視化，滿足了智慧農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中數(shù)據(jù)傳輸所需的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性，符合我國(guó)當(dāng)下農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的時(shí)代發(fā)展要求，在未來(lái)有著廣闊的市場(chǎng)前景與應(yīng)用價(jià)值。