基于物聯網技術的氣象監測系統設計

李臣輝，王祖良

（西京學院 信息工程學院，陜西 西安 710123）

0 引 言

為了服務農業、建立智慧農業、全面提高農業信息化水平，使傳統農業變成現代化農業，再到智慧農業，市場上涌現出一大批高新科技公司，涉及傳感器、物聯網、信息化等，這些新型技術已逐漸應用于農業設施。社會已經進入信息化時代，在智慧農業這一體系中，數據的采集是非常重要的環節，尤其是氣象數據的監測。要想實現農業的精細化、科學化管理，這些是必不可少的參考數據。在這些系統和數據的支持下，農業從業者能進行科學決策，擺脫傳統的盲目決策的局面。因此能夠準確監測氣象數據變得非常重要。農業上主要運用到的氣象數據包括風速、風向、降雨量、空氣溫濕度、光照強度、CO濃度、土壤PH值、土壤溫濕度、EC值等。在現代科學技術條件下，做出監測以上參數的傳感器早已不成問題，現在已經開始朝著更加穩定、智能、抗干擾方向發展，并且可以根據用戶需求進行定制開發。對于物聯網公司而言，這將大大減少開發成本，提高系統集成性，大大縮短產品研發周期，更好更快地服務于智慧農業。

鄉村大多是農田與農民處于兩地狀態，農民居住在一起，農田在相對比較空曠、偏遠的地方。因此農民想要查看農田的干旱程度、土壤溫度等就必須要親自到農田才可以，而且只能依靠人們的經驗來判斷和決策，導致澆水、施肥量不能達到作物最適宜的范圍，進而導致農民種田成本上升，收入降低。

1 系統總體結構

本文設計了一款全自動、無人看守的農田氣象數據監測系統，系統主要由氣象站支架臺、傳感器、集線器、網關、LED顯示屏、鋰離子可充電蓄電池、太陽能電池板等部件組成。系統整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構

2 硬件設計

硬件部分主要由傳感器、集線器、網關等組成。

2.1 傳感器

下面介紹本系統所用的主要傳感器。

（1）光照和溫濕度三合一傳感器

光照和溫濕度三合一傳感器廣泛適用于農業大棚、花卉培養等一些需要光照度及溫濕度監測的場合。該傳感器內部集成度高、抗干擾能力強、美觀大方、安裝方便。采用12～24 V DC供電，平均功耗為48 mW，通信方式為RS 485。

（2）風向傳感器

風向傳感器體型小巧、輕便、便于組裝，只需占用較少的空間即可，方便施工，可以有效捕獲外部環境信息；殼體采用優質鋁合金型材，具有很強的抗腐蝕性，特別適合于室外極端環境。已被廣泛應用于溫室、氣象站、船舶、碼頭等一系列風向測量環境。風向測量范圍為0～360°，測量精度為1°。通信方式為RS 485，功耗小于1 W。供電電源為12～24 V DC。

（3）風速傳感器

本系統采用的這款風速傳感器體型小巧輕便，易于現場安裝，殼體采用鋁合金型材，具有很強的防腐蝕性，非常適合應用于極端環境下的氣象監測；同時內部采用順滑的軸承系統，可使傳感器數據非常穩定可靠，適用于礦區、碼頭、氣象站等需要測量風速的場合。供電電源為12～24 V DC，平均功耗為40 mW，通信方式為RS 485。

（4）土壤EC、濕度、溫度三合一傳感器

土壤EC、濕度、溫度三合一傳感器適用于測量土壤溫度、水分以及土壤鹽分含量（電導率）的場合。同時對三者進行測量，集成到一個傳感器上，大大降低了用戶的成本，縮小系統的體積，極大地方便了客戶；精度高，輸出穩定，適用于科學實驗、溫室大棚、牧場、田園等。供電電源為12～24 V DC，平均功耗小于0.15 W，通信方式為RS 485。

（5）雨量傳感器

雨量傳感器用于測量降雨量，將降雨量轉換成電信號的形式進行傳送，滿足人們的需求，觀測降雨量的大小。供電電源12～24 V DC，平均功耗85 mW，通信方式為RS 485。

2.2 485集線器

RS 485通信具有良好的電氣性能，抗干擾能力強，而且通信距離可達3 000 m，在實際應用中具有非常大的優勢。RS 485總線最多可以連接128個收發器，這就大大增加了其可擴展能力，非常有利于在工業相關領域采用。優良的抗噪聲干擾能力、長的通信距離以及強大的可擴展能力，使其在很多場合被廣泛使用，因此本系統也采用此通信方式作為溝通傳感器與網關的橋梁。

本系統是通過485通信方式的集線器將各個傳感器的數據匯總到一條485通信標準的數據線上，然后再將這條數據線連接到網關上，最后交由網關對傳感器數據進行耦合處理，并通過4G模塊上傳到服務器。

2.3 網關

網關主要由信息處理模塊、4G模塊、繼電器模塊等組成。信息處理模塊是把采集后的傳感器數據進行分析，通過分析0、1高低電平來實現對傳感器數據的實時讀取。4G模塊是本系統上傳數據的主要模塊。通過流量卡與移動、聯通或者電信基站連接，通過內部程序連接服務器，然后把信息處理模塊的數據上傳到指定服務器。當與指定服務器建立連接后，即可在MQTT平臺對數據進行下發和訂閱，實現對數據的遠程操作，從而實現物聯網。繼電器模塊為后期擴展相應功能預留的端口，目前未接入設備。繼電器的功能是用小電流控制大電流。通過控制線圈的通斷來實現觸點狀態的改變，通過常開、常閉觸點的改變來實現想要的功能，比如充當開關功能接入電動機等。本系統采用的網關如圖2所示。

圖2 網關

3 軟件設計

考慮到農田基本上都處于偏遠地區，大面積鋪設電力電纜不太現實，而且農田一般沒有WiFi網絡，但一般都有手機通信基站。因此采用4G模塊作為本系統的通信方式，對采集到的傳感器數據進行讀取和轉換，并通過網絡上傳到MQTT服務器，然后進行數據的操作。還可在PC端連接網關，配置數據上傳周期、查詢歷史數據等。系統軟件處理流程如圖3所示。

圖3 軟件處理流程

4 調試與測試結果

經過傳感器、電源系統、網關等的搭建，最終實現了系統的穩定運行。完整接線測試系統如圖4所示。圖5為安裝到現場的實際圖。表1所列是實驗測得的數據。

表1 實驗數據

5 結 語

本文設計的氣象監測系統通過各種傳感器采集數據，經485集線器將傳感器數據匯總后連接到網關上；然后通過4G無線模塊將數據上傳發送到服務器；最后服務器對數據進行處理，并通過LED顯示屏進行顯示。系統穩定可靠、功耗低、采集數據準確，能夠滿足人們的需求，為農戶增產增收提供有力的保障。

圖4 系統測試

圖5 現場安裝