張文彪，何亮，張俊輝，崔孟凱，胡安正，陳傳亮

（湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)，441053）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和信息科技迅猛發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)已邁入了移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，無(wú)線通信、圖像傳輸?shù)燃夹g(shù)都得到了迅猛發(fā)展，各種技術(shù)在人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。如何將攝像頭的無(wú)線圖傳、無(wú)線通信等物理原理及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于美麗鄉(xiāng)村，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)之一。在獲取準(zhǔn)確的環(huán)境信息、無(wú)線信息傳輸?shù)确矫?，仍存在許多待探討的物理原理和急需解決的技術(shù)問(wèn)題。對(duì)此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種基于5G、無(wú)線傳感和互聯(lián)等新技術(shù)的智慧鄉(xiāng)村綜合信息監(jiān)管系統(tǒng)。

1 信息監(jiān)管系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

該智能鄉(xiāng)村管理系統(tǒng)的整體構(gòu)想主要包括以STM32F103RCT6 單片機(jī)作為主體平臺(tái)。通過(guò)RM500U-CN 5G 全網(wǎng)通無(wú)線透?jìng)髂＝M進(jìn)行遠(yuǎn)程雙向通信，將傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理上傳到阿里云IOT 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、遠(yuǎn)程遙控和手機(jī)APP。同時(shí)，攝像頭OV7670 每隔一段時(shí)間采集一幀圖片，并通過(guò)RM500U-CN 模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)智能化管理鄉(xiāng)村。主體平臺(tái)部分采用STM32F103RCT6 作為主控處理器，基于土壤檢測(cè)模塊、熒光法溶解氧傳感器等多種模塊，利用5G、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線圖像傳輸?shù)燃夹g(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)以下功能：土壤酸堿度、土壤濕度、水位、水質(zhì)、溫濕度等情況的監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)查看作物生長(zhǎng)情況、APP 提醒、手機(jī)短信通知等。此外，系統(tǒng)支持多個(gè)鄉(xiāng)村的數(shù)據(jù)共享，并通過(guò)多個(gè)RM500U-CN 模塊進(jìn)行組網(wǎng)，符合當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)萬(wàn)物互聯(lián)的趨勢(shì)[1]。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

2 監(jiān)管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理介紹

■2.1 MCU 主控模塊

本次選用的微控制器是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6。這款控制芯片的內(nèi)核規(guī)格為32 位，主頻頻率72MHz，程序的內(nèi)存類(lèi)型為flash，具有256KB 的閃存存儲(chǔ)器，以及48KB 的SRAM 隨機(jī)存儲(chǔ)器。該單片機(jī)還配備了3 個(gè)12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為1μs，可支持多達(dá)21 個(gè)輸入通道。此外，該單片機(jī)還擁有2 個(gè)12 位D/A 轉(zhuǎn)換器、112 個(gè)快速I(mǎi)/O 口、11 個(gè)定時(shí)器和13 個(gè)通信接口，其中包括2 個(gè)I2C 接口、SPI 接口、3 個(gè)USART 接口、一個(gè)USB 接口和一個(gè)CAN 接口。支持三種低功耗模式，可以在低功耗，短啟動(dòng)，多種喚醒模式下尋找平衡。在用戶沒(méi)有需求時(shí)，切換到低功耗模式，用戶若需要查看數(shù)據(jù)，可遠(yuǎn)程喚醒單片機(jī)進(jìn)行工作。

■2.2 攝像頭成像原理及運(yùn)用

景物通過(guò) Lens 生成的光學(xué)圖像投射到 sensor 表面上， 經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)， 消噪聲后經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，再送到數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）中加工處理（DSP 芯片中會(huì)有ISP-圖像信號(hào)處理器、JPEG encoder-JPEG 圖像解碼器等）[1]。所以，從 sensor 端過(guò)來(lái)的圖像是 Bayer 圖像，經(jīng)過(guò)黑電平補(bǔ)償（black level compensation）、鏡頭矯正（lens shading correction）、壞像素矯正（bad pixel correction）、顏色插值 （demosaic）、Bayer 噪聲去除、 白平衡（ awb） 矯正、色彩矯正（color correction） 、 gamma 矯正、色彩空間轉(zhuǎn)換（RGB 轉(zhuǎn)換為 YUV）、在 YUV 色彩空間上彩噪去除與邊緣加強(qiáng)、色彩與對(duì)比度加強(qiáng)，中間還要進(jìn)行自動(dòng)曝光控制等，然后輸出 YUV（或者 RGB）格式的數(shù)據(jù)，再通過(guò)I/O接口傳輸?shù)紺PU 中處理。

圖2 攝像頭模組

該方案采用攝像頭OV7670，采集附近農(nóng)作物圖像，由STM32F103RCT6 單片機(jī)將攝像頭OV7670 采集的農(nóng)作物的圖像每隔一段時(shí)間傳給RM500U-CN 模塊，然后由RM500U-CN 模塊將圖像傳給上位機(jī)，供用戶查看農(nóng)作物生長(zhǎng)情況。

■2.3 土壤檢測(cè)模塊

土壤檢測(cè)模塊是一種多合一傳感器，可測(cè)量土壤PH、EC、溫濕度、二氧化碳濃度、光照度、空氣溫濕度。探針選用奧氏體不銹鋼材料制作，具有良好的防銹、耐電解、耐腐蝕特點(diǎn)，適合各種土質(zhì)。探針與機(jī)體之間使用高密度環(huán)氧樹(shù)脂，高溫真空澆灌，可有效阻止水分進(jìn)入機(jī)體內(nèi)部。線纜加粗，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸更穩(wěn)定。

■2.4 熒光法溶解氧傳感器模塊

熒光法溶解氧傳感器（如圖3 所示）無(wú)需更換膜片、頻繁校準(zhǔn)，長(zhǎng)期免維護(hù)、使用安裝方便、反應(yīng)靈敏，適用于工業(yè)水質(zhì)檢測(cè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)、江河湖海水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)等維護(hù)不便利且需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的場(chǎng)景。

圖3 熒光法溶解氧傳感器實(shí)物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 軟件設(shè)計(jì)總體方案

本此項(xiàng)目將傳感器模塊，攝像頭OV7670 采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理上傳到阿里云IOT 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、遠(yuǎn)程遙控和手機(jī)APP，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，主RM500U 模塊接收到來(lái)自鄉(xiāng)村的其他RM500U 模塊的綜合信息，單片機(jī)對(duì)其信息進(jìn)行匯總整理后，通過(guò)ESP8266 與手機(jī)APP 建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，手機(jī)APP 能夠及時(shí)顯示平臺(tái)反饋的信息。圖4 為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體方案。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

■3.2 RM500U-CN 模塊數(shù)據(jù)傳輸

STM32 控制器將處理好的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)串口與RM500U-CN 模塊（如圖5 所示）建立連接，由RM500U-CN 進(jìn)行TCP 數(shù)據(jù)透?jìng)?。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的種類(lèi)數(shù)量較多，所以需要通過(guò)軟件算法對(duì)丟包、信息準(zhǔn)確度一般等問(wèn)題進(jìn)行解決與優(yōu)化后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到遙控器和阿里云、原子云平臺(tái)，用戶可在阿里云、原子云平臺(tái)查看到以往數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)[2]。RM500U-CN 模塊支持移動(dòng) 5G、聯(lián)通 5G 和電信 5G 手機(jī)卡，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，傳輸距離不受限制，同時(shí)支持發(fā)送短信。相比于傳統(tǒng)5G 模組，不用去配置復(fù)雜的AT指令，使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器建立連接，在微信小程序、手機(jī)APP 中查看數(shù)據(jù)。

圖5 RM500U-CN 模塊

■3.3 無(wú)線遙控

遠(yuǎn)程遙控由STM32F103RCT6 單片機(jī)、STM32 是通過(guò)串口連接上RM500U-CN 模塊、OLED 屏組成，可查看各地作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，下發(fā)具體的指令。RM500U-CN 模塊接收到多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的RM500U-CN 模塊傳輸?shù)亩鄠€(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)解析，并且對(duì)預(yù)警數(shù)據(jù)賦予優(yōu)先級(jí)，用戶依次下發(fā)對(duì)應(yīng)指令。如熒光法溶解氧傳感器模塊檢測(cè)到鄉(xiāng)村某處魚(yú)塘的含氧量低于設(shè)定閾值，則會(huì)通過(guò)魚(yú)塘的RM500UCN 模塊向管理系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息，提示用戶開(kāi)啟魚(yú)塘增氧泵，用戶則通過(guò)遙控的按鍵切換OLED 菜單，選擇不同的模式，來(lái)開(kāi)啟對(duì)應(yīng)魚(yú)塘的增氧泵。土壤檢測(cè)模塊檢測(cè)到蔬菜大棚的溫度低于設(shè)定閾值，也是通過(guò)大棚內(nèi)RM500U-CN模塊向管理系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息，用戶接收到信息后，下達(dá)開(kāi)啟對(duì)應(yīng)大棚的暖氣系統(tǒng)。鄉(xiāng)村農(nóng)業(yè)通過(guò)多個(gè)RM500U-CN模塊進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多路連接，完全獨(dú)立，互不影響，管理系統(tǒng)主機(jī)自動(dòng)下發(fā)指令，各地從機(jī)返回有效數(shù)據(jù)，減少了開(kāi)發(fā)周期，減少服務(wù)器查詢壓力，實(shí)現(xiàn)了鄉(xiāng)村的智能化管理。遠(yuǎn)程遙控程序設(shè)計(jì)框圖如圖6 所示。

圖6 無(wú)線遙控程序設(shè)計(jì)框圖

■3.4 阿里云IOT 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的連接

利用MQTT 協(xié)議接入阿里云，MQTT 是基于TCP/IP 協(xié)議棧構(gòu)建的異步通信消息協(xié)議，是一種輕量級(jí)的發(fā)布、訂閱信息傳輸協(xié)議?？稍诓豢煽康木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行擴(kuò)展，適用于設(shè)備硬件存儲(chǔ)空間或網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的使用場(chǎng)景，使用MQTT協(xié)議，消息發(fā)送者與接收者不受時(shí)間和空間的限制。利用阿里云IOT 創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，獲取該設(shè)備三元組，將STM32單片機(jī)通過(guò)ESP8266 接入互聯(lián)網(wǎng)，移植阿里云提供的函數(shù)文件，替換連接使用的三元組，驗(yàn)證是否連接成功，將數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)綁定，編寫(xiě)用戶控制函數(shù)，測(cè)試投入使用[3]。阿里云提供了與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)相對(duì)接的網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用，用戶可以通過(guò)在編輯器上進(jìn)行綁定設(shè)備，通過(guò)拖拽組件到畫(huà)布上進(jìn)行配置樣式、數(shù)據(jù)源和交互動(dòng)作等，即通過(guò)圖形可視化的方式進(jìn)行手機(jī)相關(guān)應(yīng)用和WEB 的開(kāi)發(fā)。設(shè)備端通過(guò)訂閱云服務(wù)器，云服務(wù)器接收到APP 或Web 消息后推送至訂閱它的設(shè)備端，設(shè)備端也可以通過(guò)MQTT 協(xié)議發(fā)布屬性到服務(wù)器，這樣訂閱這個(gè)設(shè)備的應(yīng)用就會(huì)收到服務(wù)器的推送，將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后顯示在APP 上。在統(tǒng)計(jì)頁(yè)面中，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)了一個(gè)月內(nèi)蔬菜大棚內(nèi)溫度等數(shù)據(jù)，并繪制成曲線圖形式（如圖7 所示），用戶在使用過(guò)程中可以明顯觀察到變化規(guī)律并更改設(shè)定的閾值，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化管理控制。

圖7 阿里云web 頁(yè)面統(tǒng)計(jì)圖

■3.5 智能管理系統(tǒng)配套手機(jī)APP

手機(jī)APP 采用的是機(jī)智云平臺(tái)的APP，首先是數(shù)據(jù)點(diǎn)的創(chuàng)建，自定義數(shù)據(jù)點(diǎn)，含有功能說(shuō)明意義的顯示名稱(chēng)，如：開(kāi)關(guān)、溫度，濕度，預(yù)警，故障等。使用標(biāo)識(shí)名用來(lái)區(qū)分不同功能的數(shù)據(jù)點(diǎn)，方便系統(tǒng)區(qū)分不同的數(shù)據(jù)信息，常在用戶端和云平臺(tái)開(kāi)發(fā)時(shí)進(jìn)行使用。命名方式也是根據(jù)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言變量名命名制而制定的，通常是由英文字母、數(shù)字和下劃線組成，開(kāi)頭只能是英文字母。智能化鄉(xiāng)村管理系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)進(jìn)行智能管理，利用手機(jī)APP 設(shè)置目標(biāo)溫度、濕度、氧氣含量，設(shè)置報(bào)警閾值的一個(gè)智能監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)用開(kāi)發(fā)，根據(jù)用戶所使用的平臺(tái)，選擇所需要的平臺(tái)源碼，可以自動(dòng)生成APP 的源碼，打包后便可直接安裝到手機(jī)上運(yùn)行。也可以在源碼的基礎(chǔ)上修改，通過(guò)自己的創(chuàng)意來(lái)設(shè)計(jì)APP，從而達(dá)到更好的效果。MCU 開(kāi)發(fā)，機(jī)智云平臺(tái)可以根據(jù)選定的硬件平臺(tái)，以及方案類(lèi)型，生成MCU 在開(kāi)發(fā)過(guò)程中所需要的代碼，實(shí)現(xiàn)機(jī)智云平臺(tái)與MCU 的快速接入。因此可以跳過(guò)通訊協(xié)議，通過(guò)移植生成的源碼便可快速開(kāi)發(fā)硬件程序。手機(jī)APP 界面如圖8 所示，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖9 所示。

圖8 手機(jī)APP 界面

圖9 系統(tǒng)實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

鄉(xiāng)村振興是黨中央提出的戰(zhàn)略，鄉(xiāng)村農(nóng)田的土壤酸堿度、土壤商情、水位、水質(zhì)、溫濕度和空氣質(zhì)量等綜合信息的智能化監(jiān)測(cè)和管理是實(shí)現(xiàn)智慧鄉(xiāng)村和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。本項(xiàng)目基于5G 技術(shù)、傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鄉(xiāng)村綜合信息監(jiān)管系統(tǒng)研發(fā)，使鄉(xiāng)村管理者和戶主不受時(shí)間、空間等條件的限制，實(shí)現(xiàn)足不出戶就能對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況等鄉(xiāng)村重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息進(jìn)行綜合監(jiān)管。在本研究的基礎(chǔ)上，未來(lái)的發(fā)展方向?qū)⒓性谥腔坂l(xiāng)村環(huán)境信息智能化管理系統(tǒng)的構(gòu)建上。這一系統(tǒng)將進(jìn)一步提高鄉(xiāng)村管理者和戶主對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的可視化監(jiān)管能力，同時(shí)也為鄉(xiāng)村的可持續(xù)發(fā)展提供更多機(jī)會(huì)。