盛曉雨，蔡 鵬，鄭世玲，張 霞*

（1. 聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，聊城 252000；2. 山東省光通信科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，聊城 252000）

0 引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信等技術(shù)的飛速發(fā)展以及專家學(xué)者的深入研究，國內(nèi)外涌現(xiàn)出許多與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的新技術(shù)，拓寬了物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用［1］。比如美國應(yīng)用“5S 技術(shù)”、智能化農(nóng)機技術(shù)等形成了農(nóng)業(yè)精細(xì)化、規(guī)?；l(fā)展的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)線系統(tǒng)［2］；我國應(yīng)用傳感器技術(shù)以及ZigBee、Wi-Fi、NB-IoT等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將環(huán)境監(jiān)測設(shè)備從互聯(lián)網(wǎng)單點設(shè)備逐步轉(zhuǎn)變成多元化設(shè)備平臺［3］。但當(dāng)前國內(nèi)農(nóng)業(yè)智慧化覆蓋程度不夠廣泛且相關(guān)硬件設(shè)備成本較高，導(dǎo)致在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采集過程中，一些農(nóng)作物種植管理還是人工操作。一方面，生產(chǎn)過程對溫濕度等數(shù)據(jù)的把控要靠農(nóng)民本身的經(jīng)驗或?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一采集來判斷作物所處環(huán)境的信息，缺乏準(zhǔn)確性與權(quán)威性；另一方面，通風(fēng)、灌溉等設(shè)施需要人力啟動，耗費大量的人力物力，工作量大［4］。急需構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，借助大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的收集、分析以及環(huán)境的改善，以實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的提質(zhì)增效增產(chǎn)［5］。其中，陳玉［6］搭建的智慧茶園云管理平臺采用Spring Cloud 架構(gòu)完成，可實現(xiàn)對茶葉大棚的環(huán)境監(jiān)測以及精準(zhǔn)控制管理；鄭春雨等［7］基于安卓平臺和GIS 技術(shù)，設(shè)計了一套智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)并在河湖長制遙感動態(tài)監(jiān)測等工作中取得有效推廣；劉飛飛等［8］設(shè)計的基于ZigBee 的分布式農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用了ZigBee 通信傳輸技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理與精準(zhǔn)傳輸。

從上述研究背景和現(xiàn)狀可知，農(nóng)業(yè)智慧化管理從點的突破逐步轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)能力的提升，覆蓋了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的多個環(huán)節(jié)。但是，智慧管理系統(tǒng)多用于種植水果蔬菜、茶葉等常見作物，應(yīng)用類型不夠廣泛且系統(tǒng)的設(shè)計方案和核心技術(shù)還有待優(yōu)化提高。針對上述問題，通過對聊河黃花菜市場需求的調(diào)研，設(shè)計了一種基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的“特早熟”黃花菜智慧管理系統(tǒng)，應(yīng)用于聊城市聊河農(nóng)業(yè)科技有限公司的黃花菜種植大棚。系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集硬件模塊對黃花菜大棚中的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳等環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，依托OneNET 物聯(lián)網(wǎng)云平臺搭建接收數(shù)據(jù)的界面，工作人員可通過手機客戶端和網(wǎng)頁客戶端對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控并遠(yuǎn)程控制棚內(nèi)的卷簾、風(fēng)機、照明、灌溉等設(shè)備，讓黃花菜始終處在適宜的生長環(huán)境中，從而有效提高大棚的管理效率。該系統(tǒng)通過后期測試和現(xiàn)場布設(shè)后，聊河基地用戶反饋可實現(xiàn)黃花菜園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的集中管控，提高勞動生產(chǎn)率和農(nóng)作物采摘質(zhì)量。

1 智慧管理系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

整個黃花菜智慧管理系統(tǒng)主要應(yīng)用于現(xiàn)代化“特早熟”黃花菜園的綜合管理。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的實際需求進(jìn)行分析，參考物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型，采用分層思想［9］對黃花菜智慧管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

智慧管理系統(tǒng)總體架構(gòu)主要由三層結(jié)構(gòu)組成，分別為感知執(zhí)行層、傳輸層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 智慧管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

感知執(zhí)行層主要包括土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度等多種傳感器，對黃花菜大棚中的溫濕度、光照強度、二氧化碳等環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；傳輸層由匯聚節(jié)點、Wi-Fi 模塊等部分組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸與預(yù)處理；應(yīng)用層是依托OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺搭建而成的智慧黃花菜園管理平臺，用戶可以通過網(wǎng)頁客戶端或手機微信小程序?qū)崟r查看農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境信息，以及對溫室大棚內(nèi)的遮陽、灌溉、通風(fēng)等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 智慧管理系統(tǒng)硬件設(shè)計

該智慧管理系統(tǒng)從功能實現(xiàn)上又可以分為環(huán)境監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由Arduino UNO PLUS 主控模塊、多種傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊等構(gòu)成?；诃h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，推進(jìn)農(nóng)業(yè)管理智能化，設(shè)計遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由STM32F103C8T6 主控芯片、無線通信模塊、控制設(shè)備和相應(yīng)的繼電器、接觸器控制電路組成，采用自動調(diào)節(jié)控制和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合的設(shè)計，實現(xiàn)棚內(nèi)卷簾、風(fēng)機、照明、灌溉等設(shè)備的即時控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

在黃花菜園區(qū)，可以通過采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)為大棚的智慧化管理提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路圖如圖3 所示。選用Arduino UNO PLUS 作為主控模塊，配置了十四個數(shù)字I/O 端口、六個模擬端口、I2C 插頭等引腳，支持UART、I2C、GPIO 等，適用于多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場合［10］。主控電路與DS18B20 土壤溫度檢測模塊、YL-69土壤濕度檢測模塊、AHT20空氣溫濕度檢測模塊、GY-302 光照強度監(jiān)測模塊和SGP30 二氧化碳檢測模塊連接，進(jìn)行多種環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊上傳到云平臺，Wi-Fi模塊采用串口與MCU通信，云平臺存儲和展示所收集到的環(huán)境信息。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路圖

除了PC 端云平臺展示，還安裝了LED 顯示屏。主控模塊本身不含RS485 通訊接口，所以外接了TTL 轉(zhuǎn)RS485 模塊，通過RS485 協(xié)議與LED 顯示屏進(jìn)行通訊，通過LED 顯示屏可以更直觀地觀察到溫室大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)變化。

2.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了最大化地開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的黃花菜信息傳輸處理功能，發(fā)揮數(shù)據(jù)采集的作用，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)指導(dǎo)的遠(yuǎn)程控制照明、灌溉等設(shè)備的功能，選用性能更加穩(wěn)定、操作更加便捷的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件電路如圖4所示。該系統(tǒng)選用STM32F103C8T6 單片機作為主控模塊，端口輸出信號經(jīng)過光耦隔離電路，使被隔離的低壓主控電路和外部高壓繼電器控制電路之間沒有電的直接連接，主要是防止因有電的連接而引起的干擾。

圖4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件電路圖

在繼電器控制電路中，單片機通過發(fā)送高低電平信號來控制繼電器線圈吸合，不同的繼電器分別實現(xiàn)控制總供電和控制接觸器切換功能。當(dāng)控制總供電的繼電器吸合時，負(fù)責(zé)切換的繼電器吸合或斷開會引起兩個接觸器交替吸合，以此來控制接觸器控制電路中電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)；當(dāng)控制總供電的繼電器斷開時，接觸器都斷開，控制的設(shè)備停止運作。此控制系統(tǒng)還加入了Wi-Fi通訊模塊，將設(shè)備狀態(tài)上傳至云平臺，平臺可下發(fā)命令控制相應(yīng)設(shè)備，適用于遮陽棉、噴水器、通風(fēng)機等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件功能描述

基于Arduino、STM32 嵌入式軟件編程，數(shù)據(jù)采集部分軟件實現(xiàn)主控板在主循環(huán)中完成對土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳等傳感器數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)匯集到終端節(jié)點，通過Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)定時發(fā)送到OneNET 云平臺。還可以按照控制器規(guī)定的通訊協(xié)議與LED 屏通訊，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)展示在大屏幕上。遠(yuǎn)程控制部分軟件實現(xiàn)基于STM32 控制設(shè)備與狀態(tài)上傳云平臺，實時監(jiān)聽接收網(wǎng)關(guān)下達(dá)的控制命令。

3.2 數(shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計

打開Arduino 編程軟件，寫入硬件采樣程序，系統(tǒng)對硬件、I2C 等通訊協(xié)議進(jìn)行初始化設(shè)定（包括中斷、延時、串口）。MCU 控制中心通過Wi-Fi 模塊發(fā)送AT 指令連接云平臺，平臺得到響應(yīng)顯示設(shè)備在線。各種傳感器通過USART、單總線、I2C 通訊協(xié)議與Arduino UNO PLUS 主控板進(jìn)行通訊，單片機將采集到的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到OneNET 云平臺，通過可視化界面及LED屏實時顯示。軟件流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集軟件流程

3.3 LED電子顯示屏軟件設(shè)計

該系統(tǒng)為了更直觀地顯示數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集設(shè)備上外接了液晶拼接LED 大屏，該LED 屏內(nèi)置的控制卡支持二次開發(fā)，通過RS485 通訊方式與主控模塊進(jìn)行通信。軟件實現(xiàn)需要按照字庫控制器的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議格式（幀頭+包頭數(shù)據(jù)+數(shù)據(jù)域+包校驗+幀尾）生成數(shù)據(jù)幀，并將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給內(nèi)置的控制卡，控制卡會按照協(xié)議有所回復(fù)，同時會根據(jù)命令數(shù)據(jù)的不同進(jìn)行相應(yīng)的處理，包括將采集到的環(huán)境信息顯示到LED 屏上，通訊就可以正常進(jìn)行了。

3.4 遠(yuǎn)程控制部分軟件設(shè)計

首先，進(jìn)行硬件初始化，配置所需的AT 指令，通過串口把AT 指令發(fā)送給Wi-Fi 模塊，即循環(huán)發(fā)送一個指針里面的所有數(shù)據(jù)。其次，通過EDP 協(xié)議建立與平臺的連接，調(diào)用平臺封裝好的接口函數(shù)，以EDP協(xié)議的Type3格式上傳數(shù)據(jù)。最后，通過平臺下發(fā)命令，提取到的命令會存儲在數(shù)組中用字符匹配函數(shù)判斷該數(shù)組是否有想要的命令，即可進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備控制操作。同時，為了防止設(shè)備掉線，每隔30 s 發(fā)一次心跳包，以長時間保持跟平臺的連接［11］。軟件流程如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程控制軟件流程

4 系統(tǒng)測試

為了檢驗該系統(tǒng)的性能，通過采集環(huán)境數(shù)據(jù)用于黃花菜大棚的控制。該管理系統(tǒng)在聊城市聊河農(nóng)業(yè)科技有限公司農(nóng)業(yè)大棚開啟綜合測試，現(xiàn)場部分設(shè)備布設(shè)展示如圖7和圖8所示。

圖7 傳感設(shè)備分布情況

圖8 電機控制實物圖

其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔4 s 采集一次數(shù)據(jù)，技術(shù)測試人員可在編程系統(tǒng)Arduino IDE 的串口監(jiān)視器中查看到傳感器采集的環(huán)境信息，與此同時各種數(shù)據(jù)會發(fā)送至云平臺，產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)成功響應(yīng)，檢查串口監(jiān)視器與云平臺數(shù)據(jù)流展示是否一致，如圖9所示，顯示一致后說明成功完成環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳。

環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)成功上傳后，如果土壤濕度低于預(yù)設(shè)閾值，工作人員可通過云平臺遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)打開噴淋、滴灌等設(shè)備，自動完成農(nóng)田灌溉，補足作物所需水分。經(jīng)過一系列測試，聊河基地用戶反饋該系統(tǒng)操作簡潔高效，極大提升了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，達(dá)到了遠(yuǎn)程控制的可靠性和及時性效果，用戶能隨時隨地觀察設(shè)備的運行狀態(tài)，及時進(jìn)行預(yù)警，明顯減少了人工投入，對實現(xiàn)黃花菜的提質(zhì)增效增產(chǎn)有顯著幫助。

除了云平臺顯示和控制，用戶還可以通過如圖10 所示的微信小程序界面，登錄查看黃花菜生產(chǎn)過程中的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中查看每一個采集點的環(huán)境實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遮陽棉、灑水器、風(fēng)機等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

圖10 基于特早熟黃花菜智慧管理系統(tǒng)的微信小程序

聊河基地用戶反映使用微信小程序可以提升日常農(nóng)事作業(yè)記錄的便利程度并有效反饋黃花菜生長過程中遇到的問題，及時采取相應(yīng)措施保障黃花菜的健康生長狀況。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一個基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特早熟黃花菜智慧管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，將采集數(shù)據(jù)傳輸至云平臺進(jìn)行處理和分析，實現(xiàn)環(huán)境信息的自動監(jiān)測和實時報警，用來判斷黃花菜的環(huán)境信息是否正常，如果不正常還可以及時采取措施修復(fù)環(huán)境，以盡量避免惡劣環(huán)境對黃花菜造成的減產(chǎn)甚至死亡問題。然后，將灌溉、遮陽等半自動化設(shè)施接入平臺以根據(jù)環(huán)境信息來實現(xiàn)智能控制，大大降低人力成本。同時，用戶還可以通過微信小程序進(jìn)行數(shù)據(jù)提取及操控。另外，考慮到農(nóng)業(yè)大棚網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不廣和Wi-Fi模塊傳輸距離較短等環(huán)境因素，可能會造成采集過程中數(shù)據(jù)的丟失，后期將數(shù)據(jù)處理與分析等方面作為研究重點，全面優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能，最大化地開發(fā)數(shù)據(jù)的功能，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的智慧化管理提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。