基于OneNet和Packet Tracer實現大棚設備智能化控制系統

黑龍江工程學院 金子涵 任致遠 史旭東 王勝鐸

隨著物聯網、云計算等信息技術日益進步，我國的大棚種植業正朝著智能化方向蓬勃發展。針對智能化農業設備更實時、更高效的需求，本文設計了一種基于OneNet云平臺和Packet Tracer工具實現智能化大棚設備控制系統，該系統以家庭網關設備為核心，以計算機網絡為傳輸主干，管理員通過的OneNet平臺在終端對大棚進行遠程管理，并對其實現過程作了詳細介紹。最終應用表明該系統工作穩定、實時性強、管理效率高，解決了傳統農業設備管理效率低下、人工成本過高的痛點，具有現實意義及應用價值。

我國設施農業起步較晚，近些年，借助于物聯網、云計算等信息技術的蓬勃發展，大棚種植業正不斷朝智能化方向發展。為充分發揮農業設備智能化的優勢，本文設計了一種實時性強，管理有效的智能化大棚控制系統，操作人員通過OneNet平臺在終端對大棚內溫度、濕度、光照強度和通風情況進行控制，更有效地改善農作物生長環境，從而提高農作物品質。既方便了操作人員管理又降低了人工勞作成本。

1 系統應用說明

1.1 本地家庭網關控制

智能大棚設備以家庭網關設備為核心，以計算機網絡為傳輸主干，設備間通過IoE進行交互，具有如下功能：

（1）濕度信息每隔5s采集一次，當濕度數值小于20%時，自動打開加濕器，大于50%時，自動關閉加濕器；

（2）溫度信息每隔5s采集一次，當溫度數值小于5℃時，自動打開加溫器，大于28℃時，自動打開風扇，當溫度到達15～20℃時，關閉加溫器/風扇；

（3）光照強度信息每隔5s采集一次，當光照強度大于70%時，自動打開卷簾機，如果在30%以下，自動打開日光燈；

（4）用戶通過智能手機和PC訪問IoE服務器，并查看、管理智慧大棚設備。

圖1 系統方案拓撲圖

1.2 OneNet平臺控制

PT設備上云注冊之后，可以將本地的數據實時上傳到OneNet平臺，OneNet平臺具有設備控制、應用開發、數據分析等多種功能，本系統主要實現以下功能：

（1）OneNet平臺可以看到實時看到棚內的溫度、濕度以及當前的光照強度。

（2）OneNet平臺可以通過控制按鈕來實現對大棚內調節系統的控制。

2 系統方案設計

系統方案拓撲圖如圖1所示。

3 系統硬件設計

3.1 硬件整體規劃

以溫度控制系統為例，硬件端口表如表1所示，濕度控制系統、光照強度控制系統、風力發電系統與之同理。

表1 硬件端口表

拓撲圖如圖2所示。

圖2 拓撲圖

3.2 物體硬件設計

Packet Tracer提供了較多的傳感器和執行元器件，但這些元器件并不能直接用于本系統，需要改進或自行設計。以大棚卷簾機為例，展示其自制流程，分為以下五個步驟：

思路：大棚卷簾機的工作狀態只有開和關兩種狀態，可以對提供的咖啡機的代碼進行修改以達到預期效果。

從終端設備－〉家庭，選擇咖啡機。

點擊Thing編輯器－〉屬性，點擊圖片進行修改：因為卷簾機有開和關兩種狀態，所以需要上傳兩張不同狀態的圖片。

在Thing編輯器－〉規則，修改再插槽值對應的圖片：HIGH時，卷簾機工作。

代碼修改：點開python的main函數代碼，修改setup()中的設備的“type”。

完善元器件：選擇設備選擇區“Component/boards”中的MCU默認設備默認不帶以太網接口，需要為其添加以太網接口，步驟如下：雙擊MCU設備，如圖3所示，在Physical頁面，點擊2處按鈕關閉電源，把3處的PT-IOT-NM-1CFE模塊拖入4處，之后打開電源，完成控制器設備以太網接口的添加。

圖3 操作界面圖

4 系統網絡設計

為實現通過IoT服務器對智慧農業系統管理智能化，IoT服務器數據交互采用了無線方式。濕度傳感器、溫度傳感器、電池因不需要與IoT服務器直接交互而未配置無線網卡，其他對象都設置了無線網卡與無線網關IoT服務器交互。網絡設備、IP地址劃分情況如表2所示。

網絡信息配置：

步驟1：無線設備設置網絡接口地址信息。

家庭網關LAN接口地址設置，家庭網關和平板電腦均為無線設備，通過wifi相連。雙擊家庭網關圖標選擇Config選項卡，雙擊左側窗格的LAN，設置LAN接口IP地址信息。

家庭網關WIFI信息設置，在Config選項頁面，雙擊左側窗格的Wireless，記錄WIFI接入信息如圖。家庭網關設備默認開啟IoE服務和DHCP服務，無需設置，IoE服務默認的賬號、密碼均為admin；DHCP分配地址范圍與LAN接口地址處于同一個網絡。

智能手機網絡信息設置，雙擊智能手機圖標，在Config選項頁面，雙擊左側窗格的WirelessO，輸入SSID、加密方式、驗證方式及密鑰短語。完畢后，在Desktop選項頁面，打開Command Prompt，輸入ipconfig查看分配的IP地址信息，若WirelessO接口下分配到與家庭網關LAN相關網絡的IP地址信息，如圖4所示，表明WIFI組網成功。

表2 網絡設備、IP地址劃分表

圖4 WIFI組網成功

步驟2：有線設備設置網絡接口地址信息。

雙擊MCU1控制器并選擇Config選項卡，雙擊左側窗格的FastEthernetO，選擇DHCP自動獲取，其余設備參考進行設置。

步驟3：設備接入IoE服務端。

雙擊MCU1設備，“Cconfig“選項卡“IoT server”區域點選Home GateWay，即可連接當前網絡中的家庭網關設備，同樣的方法設置其他家居設備，使其接入IoE服務端。

5 家庭網關控制編程設計

5.1 控制系統

以溫度控制系統編程設計為例展開介紹，濕度控制系統和光照強度控制系統與之同理。

溫度傳感器通過MCU接入IoE服務端，MCU通過ioeclient模塊實現與IoE服務端交互。

（1）引入模塊：gpio、time、ioeclient；

（2）新建ioeSet函數進行IoE初始化：type定義設備名為Temp，states約定傳輸一個設備屬性數據，屬性名稱為temperature，數字類型；

（3）新建getTemp函數接收溫度數值：A0讀取的數據范圍0～1023，對應溫度數值－100～100，按此線性關系進行轉換；

（4）在main函數中調用IoE初始化函數，之后循環每隔5s依次讀取溫度數值，之后調用reportStates函數上傳數據至家庭網關。

5.2 IOE服務器注冊與控制

（1）家庭網關創建IOE賬號：雙擊和家庭網關相連的智能手機或者PC，選擇Desktop選項卡，點擊“web browser”選項輸入服務器地址10.1.1.120，點擊Go按鈕，在出現的頁面中，點擊“Sing up now”注冊IOE賬號，在注冊頁面，輸入賬號、密碼，之后點擊create按鈕。創建完畢。本系統使用賬號admin，密碼admin。

（2）登錄家庭網關IOE服務，查看設備：如果發現缺少設備，有可能是設備的遠程服務器沒設置好/設備的DHCP沒有配置在家庭網關下。

6 中國移動OneNet上云

思路：TCP設備接入OneNet平臺后，可通過“新增數據流”把數據傳入平臺，該接口基于http協議，即TCP設備通過TCP協議接入OneNet平臺后，通過http協議傳輸數據。

6.1 Packet Tracer工具編程

以光照強度控制系統編設計為例，代碼如下：

圖5 效果圖

6.2 OneNet應用界面編寫

打開OneNet左端的應用管理，點擊添加應用。通過基礎元素和控制元素搭配使用，可以實現應用創建，主要使用折線圖、按鈕功能。效果圖如圖5所示。

結語：本系統基于OneNet智能開放平臺、利用Packet Tracer進行編程并結合硬件設備實現大棚設備的智能化控制。用戶可通過PC和移動終端遠程查看、管理智慧大棚設備，更加智能高效地對農作物生長環境進行監測。設計方案已從模擬環境，應用在實際的智能農業沙盤模型上，具有一定的現實意義和推廣價值。