基于云平臺的智慧農業信息系統設計與實現

吳超 趙紅

摘要：智慧農業信息系統是由計算機、傳感器、通信模塊、控制模塊以及執行機構組成的多輸入、多輸出的閉環控制系統。以STC15W4K56S4單片機為控制核心，Air724 4G為通信模塊，光照傳感器、二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器等組成信息采集系統，搭建了硬件平臺?；贛QTT協議開發軟件，將環境檢測數據上傳云平臺，設計了數據采集、信息處理、終端控制的信息系統，實現了數據的遠程檢測與控制。

關鍵詞：智慧農業;云平臺;MQTT;Air724 4G

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）15-0117-03

我國是農業大國，鄉村振興是國家戰略。雖然信息化、智能化、自動化的現代農業耕種方式在我國正漸漸取代傳統勞動密集型、粗放式的種植方式，但農業精細化管理和自動化程度遠不及歐美、日本等發達國家。相較于美國從事農業人口僅占美國總人口3%的數據比例，我國農業設施智能化管理的普及顯得尤為重要。通過利用物聯網等信息技術遠程控制管理農業種植系統，不僅能大大節省人力物力，還能提高農作物的產量，進而促進農業科技發展的進步與創新，加快農村地區轉變發展方式[1]。

我國農業經歷了手動人工控制、自動化控制和智慧化控制三個階段[2]。智慧農業控制系統將手動人工與自動化控制相結合，實現了手動到自動、再到智能化控制的過渡[3]。智慧農業信息系統主要涉及對農業環境信息的檢測與控制，包括空氣溫度與濕度、土壤濕度、光照強度、空氣中二氧化碳的含量等信息的檢測。采用傳感器等設備采集數據和信息加以處理后，將處理好的信息上傳至上位機和云平臺，根據數據的變化對終端設備發出指令，改變農作物生長環境，形成“采集—處理—控制”的閉合控制系統[4，5]。

1 智慧農業信息系統總體設計

1.1 智慧農業信息系統總體結構

智慧農業信息系統包括軟件和硬件兩個方面，通過各種傳感器進行數據采集，通過物聯網云平臺遠程監測傳感器監測到的數據，并根據需求手動控制風扇與水泵開與關;通過OLED顯示屏顯示光照強度、空氣溫濕度、土壤濕度以及二氧化碳濃度等。

智慧農業信息系統總體架構如圖1所示，由計算機、傳感器、通信模塊、控制模塊以及執行機構組成多輸入、多輸出的閉環控制系統。終端數據采集模塊為各種傳感器，數據通過通信模塊傳送至MQTT代理服務器，用戶通過客戶端軟件和移動客戶端可以查看數據和發出指令。

1.2 智慧農業信息系統角色設計

智慧農業信息系統的用戶角色分為四種，分別是系統總控管理員、分區管理員、系統運維人員、用戶。各類角色從事的工作不同，并擁有不同的系統管理權限，相互協調，分工明確，推進系統的平穩運行。

1）系統總控管理員

系統總控管理員是整個智慧農業信息系統的總控制管理者，擁有系統所有的管理權限，負責統籌所有系統的管理工作，具有最高決定權與執行權。系統總控管理員可以對分區管理員、系統運維人員以及用戶進行管理，同時可以根據系統的實際需要對其核心參數進行調整和適時優化。

2）分區管理員

分區管理員是地位僅次于系統總控管理員的一個角色，主要負責某個地區的管理工作，起到連接總控管理員與用戶的一個橋梁作用。分區管理員既可以指導與輔助用戶的使用工作，也可以分擔系統總控管理員的地區管理工作，對其負責區域內的智能溫室系統進行參數調整與管理，實時查看所在區域溫室大棚的環境參數變化。

3）系統運維人員

系統運維人員是負責智能溫室內軟件系統與硬件系統的運行與維護，以及用戶后期的維護與維修工作，保障用戶的使用體驗。同時，系統運維人員也可輔助分區管理員對某地區的智慧農業信息系統更好運作。

4）用戶

用戶是智慧農業信息系統的客戶，直接使用智慧農業信息系統對環境參數進行遠程監測與控制。

2 智慧農業信息系統硬件系統設計

2.1 數據傳輸過程

智慧農業信息系統的數據傳輸過程如圖2所示，光照、二氧化碳、溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器采集數據信息后，將數據信息通過代碼傳輸給STC15W4K56S4， STC15將傳感器采集的數據通過串口通信，在OLED顯示屏上顯示所采集數據的信息，STC15單片機與Air724 4G通信模組進行UART通信，STC15通過串口1發送到Air724 4G通信模組中，Air724 4G通信模組通過MQTT協議將檢測的數據上報至云平臺，云平臺實時顯示檢測到的動態數據，智能溫室用戶不用親臨現場，根據設置的環境參數，遠程控制打開或者關閉風扇與水泵。

2.2 硬件系統設計

根據數據與控制信息傳輸過程，設計了硬件系統，搭建了實驗平臺，如圖3所示。信息與數據處理器為STE15單片機，光照、二氧化碳、溫濕度的數據采集用三合一傳感器，土壤水分的檢測采用土壤水分傳感器，通信模組用Air724 4G，終端執行機構有水泵和風扇。各模塊的連接關系如圖3所示。

2.3 光照二氧化碳溫濕度三合一傳感器

為實現農業環境的遠程監測，使用集光照強度、空氣溫濕度以及二氧化碳濃度測量三合一的傳感器，輕巧便攜、功能強大，采用的485通信。該傳感器選用了集成三種功能一體的RS485環境監測變送器，節點為從機模式，支持modbusRTU協議。選用成品環境變送器使我們只需要關注數據傳輸邏輯、數據解析而不需要過多考慮傳感器采集環境參數的具體實現過程和邏輯代碼，減少開發時間。

2.4 土壤水分傳感器

土壤溫水分傳感器是對農作物生長的土壤進行水分含量監測，通過檢測的數據判斷是否需要控制水泵進行灌溉。該傳感器集成RS485通信協議，為從機模式，也支持modbusRTU協議。

2.5 Air724 4G通信模塊

4G通信技術全稱為第四代無線通信技術，4G通信技術比2G、3G更為先進，比5G更加成熟。4G通信技術不僅實現了單一終端向多元化終端的轉變，提高了各種數據傳輸的速度與效率，而且也使得通信的效能大幅度提升，兼容性比2G、3G高很多。

3 智慧農業信息系統軟件系統設計

智慧農業信息系統利用C語言在Keil μVision5編程環境下編寫終端控制程序，利用MQTT傳輸協議連接終端硬件和云平臺，實現了系統的各項功能。

3.1 云平臺項目設置

新大陸云平臺是可以將光照強度、空氣溫濕度、土壤濕度以及二氧化碳濃度傳感器所測得的數值顯示，并控制風扇水泵等開關的一個物聯網云服務平臺。新大陸云平臺具有數據在線采集、數據處理、遠程調控以及預警信息發布等功能。如圖4所示，在云平臺新建項目，添加設備，并添加多個傳感器與執行器。

3.2 控制系統開發

智慧農業信息系統利用C語言在Keil μVision5編程環境下編寫終端控制程序，利用MQTT傳輸協議連接終端硬件和云平臺，實現了系統的各項功能。

物聯網傳輸協議MQTT全稱為消息隊列遙測傳輸協議，是一種即時通信協議技術，具有簡單、輕量、開放和容易實現等優點。MQTT協議連接溝通起Air724 4G通信模組與新大陸云平臺，在通訊過程中承擔三種角色，即發布者、代理（服務器）、訂閱者。Air724 4G通信模組通過MQTT協議將數據傳輸給新大陸云平臺，新大陸云平臺通過對所采集的數據進行分析和運算產生控制命令，再通過MQTT協議將控制命令傳輸給風機水泵以實現溫室的網絡化控制?；贛QTT協議的遠程控制數據的傳輸使農業信息系統的監控面積得到延伸，實現分區化、大型化的管理，有力保障農業環境參數的自動采集、遠程監測與控制等。

4 智慧農業信息系統功能實現

4.1 采集光照強度、二氧化碳濃度、空氣溫濕度

（1）采集光照強度

智慧農業信息控制系統測量農業大棚的光照強度，并將數據通過Air724 4G通信模塊上傳到新大陸云平臺，遠程監控光照參數，并遠程控制可控節點執行任務。根據設定閾值開啟日光燈來模擬增強光照強度或者關閉日光燈來模擬降低光照強度。

（2）采集二氧化碳含量

智慧農業信息控制系統檢測大棚內空氣中CO2的含量，并根據農作物的光合作用和呼吸狀況來調配最適宜農作物生長的二氧化碳的相對含量。

（3）采集大棚內空氣的溫濕度

智慧農業信息控制系統測量農作物生長環境的溫濕度并遠程監控和遠程控制風扇開關。

4.2 采集土壤濕度

智慧農業信息系統測量土壤的濕度，當土壤濕度低于作物所需標準值，繼電器工作。在繼電器另一端添加微型水泵進行抽水功能，云平臺也可以自主控制繼電器工作，啟動電機澆水。當土壤濕度高于作物所需標準值，繼電器停止工作，停止澆水。當土壤濕度降低到不利于作物生長時，自動打開水閥灌溉。

4.3 OLED顯示屏顯示所采集數據

OLED顯示屏實時顯示農作物生長環境的光照強度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度以及土壤濕度所采集的數據。

4.4 新大陸云平臺遠程監測與調控

新大陸云平臺實時顯示檢測動態數據，如圖5所示，云端遠程監測與遠程控制，根據設置的環境參數，打開或者關閉風扇與水泵。

5 結語

智慧農業信息系統正在朝著集成化、系統化的方向發展，智慧農業將成為未來農業生產發展的趨勢，利用智能控制算法改善農作物生長環境，使農作物始終處于最優的生長狀態。本文介紹了智慧農業信息系統的總體結構、軟硬件系統及實現的具體功能，利用各種傳感器采集數據，通過Air724 4G通信模塊將數據上傳新大陸云平臺;通過各種的智能控制開關，可自動實現澆水、通風等功能，實現了農業生產系統的智能化、精準化和網絡化。目前智慧農業信息系統從應用到實際的過程還有很多不足，從事相關農業技術研究工作的人員仍需進一步改進與完善。

參考文獻：

[1] 苑光明，王曼娜，丁承君，等.基于物聯網和霧計算的溫室智能感控系統設計[J].傳感器與微系統，2020，39（8）：110-113.

[2] 王毅敏.基于物聯網的智能溫室農業大棚管理系統構建[J].新農業，2019（22）：38.

[3] 孟凡宇.基于單片機的智能溫室大棚系統設計與實現[J].科技資訊，2020，18（3）：10-11，13.

[4] 朱斌.基于物聯網的智能溫室系統設計與實現[D].武漢：武漢輕工大學，2019.

[5] 鐘國榮，吳世海，鮑義東，等.基于物聯網技術的智能溫室大棚控制系統[J].電子技術與軟件工程，2019（8）：238.

【通聯編輯：梁書】