基于Huawei LiteOS的認養農業物聯網系統設計

趙 雨，栗雅清，林曉琪，王芮宇，蘇逸揚

（南京航空航天大學 電子信息工程學院/集成電路學院，江蘇 南京 211100）

0 引 言

當前，物聯網技術與特色農業的深度融合得到了國家政策的大力扶持[1]，“認養農業”是其中一種新型數字農業模式，指由個人借助物聯網平臺有償認養土地并參與作物耕種的全過程[2]。本文在一般智慧農業模式的基礎上采用認養農業模式，并利用華為物聯網操作系統Huawei LiteOS所具有的“物物互聯”等關鍵能力，設計了一種認養農業物聯網系統。

LiteOS是輕量級物聯網操作系統，最小內核尺寸僅為6 KB，具備快速啟動、低功耗等優勢，可廣泛應用于數字農業領域，未來可以搭載HarmonyOS操作系統實現“互聯互通”，能夠更好地實現農業操作系統在物聯網上的搭建與通信，具有實際應用意義[3]。

1 系統總體設計方案

該認養農業物聯網系統的主要功能是系統用戶可以通過手機等設備自由認領土地，遠程實時獲取其認領土地的溫度、濕度等環境數據并進行灌溉、補光、施肥等操作。

為滿足上述需求，該系統以Huawei LiteOS為核心架構，采用軟硬結合的方法進行設計。系統總體可分為3個層面，分別是感知與控制層、應用服務層和平臺服務層[4]，總體架構如圖1所示。

圖1 認養農業物聯網系統架構

感知與控制層主要由物理電路實現，其將大棚內的土地進行分區，并將每一區域作為一個終端節點，各終端節點與大棚內的公共集中器通過WiFi通信。每個終端節點融合多種傳感器并布置多類執行器，能夠接收集中器轉發的相應指令，根據指令進行環境信息的采集與執行器狀態的更改。集中器收集各節點發送的數據并通過5G模塊發送給云端進行存儲、分析等操作，也可接收云端所發送的控制指令并將其中轉至終端節點[5]。

應用服務層側重于界面友好的應用軟件的設計，用戶可通過該應用軟件實時遠程查看作物情況并發送控制命令。

平臺服務層主要實現了本地數據庫與云端服務器的搭建。云端服務器向下連接感知與控制層，向上面向應用服務層提供應用開發能力和統一接口，將數據在各級之間傳輸。

2 系統設計

認養農業物聯網系統由物理電路設計、應用軟件設計與本地數據庫及服務器搭建結合完成。

2.1 硬件設計

該系統的感知與控制層由物理電路實現，其由公共集中器與分布式終端節點組成。終端節點包含主控模塊、傳感器模塊、WiFi通信模塊等，其電路原理如圖2所示[6]。

圖2 終端節點電路原理

本文選用Hi3861V100 2.4 GHz WiFi SoC芯片作為終端節點主控模塊，其能夠滿足LiteOS小內核架構設計需求。Hi3861V100芯片集成高性能32 bit微處理器、硬件安全引擎以及豐富的外設接口，外設接口包括SPI、UART、I2C、PWM、GPIO和多路ADC，同時支持高速SDIO 2.0 Slave接口，最高時鐘可達50 MHz；芯片內置SRAM和FLASH，可獨立運行。其通過了HarmonyOS Connect認證，具有穩定、可靠的通信能力，靈活的組網能力，完善的網絡與功能強大的安全引擎，可用于嵌入式WiFi產品[7]，適合本系統的多終端節點分布式設計，應用于本系統中的實際農業環境時可靠安全。

各終端節點內布置了溫濕度傳感器SHT30、光照傳感器BH1750、土壤酸堿度傳感器等，確保所采集的環境信息詳細可靠，滿足智慧農業系統在復雜環境下采集多維度環境信息的需求[8]。同時，節點內布置火焰傳感器，能夠在檢測到火情后自動報警以保證環境安全。

集中器模塊電路以STM32為主控芯片，通過ESP8266將終端節點采集的數據集中，由5G模塊MH5300上傳至云端，并將接收的指令傳回終端節點[9]。集中器結構如圖3所示。

圖3 集中器結構

為實現多個終端節點統一傳輸，在原有Hi3861V100 WiFi通信模塊基礎上，本文選擇ESP8266核心處理器作為通信傳輸節點，實現集中器與各終端節點的通信[10]。ESP8266是一款物聯網WiFi芯片，基于ESP8266可以開發物聯網串口WiFi模塊，將用戶物理設備連接到WiFi無線網絡上，進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能。其適用于各種低功耗應用場景，能夠滿足本文低功耗、多節點聯網的需求。

2.2 軟件設計

應用服務層的開發目的是設計界面友好的軟件，以便用戶使用本系統。在設計過程中結合本地及云端數據對頁面進行相應渲染，提供與用戶交互的UI頁面并實現獲取數據、下發命令等系統功能[7]。

軟件的具體功能是實現用戶對其認領的土地環境的監測與控制。系統在用戶初次使用時通過注冊操作進行賬號綁定，并將相應信息儲存至云端。用戶再次使用時登錄即可通過該軟件查看其所認領土地的環境情況并進行灌溉、施肥等遠程操作[11]。

以該系統主要功能為例，用戶登錄后可以在主界面通過功能按鍵進行作物狀態的查看與環境情況的控制。主要功能流程如圖4所示。

圖4 應用軟件主要功能流程

該軟件所有的UI操作都在主線程設置[12]，對執行多線程的感知控制層下發指令，集中器與各分布節點響應軟件指令流程如圖5、圖6所示。

圖5 集中器響應指令流程

圖6 終端節點響應指令流程

集中器執行多線程，等待指令，當其判斷收到云端中轉的下發指令時，進行指令解碼以確定指令下發的目的節點，即在軟件中下發命令的用戶所認領土地的對應節點。而后判斷當前集中器是否可以響應指令，依據判斷結果執行或重復判斷，可執行時將指令下發至目標節點。同時，集中器判斷是否有需要上報的數據，若有則確定數據源節點后上報。

各終端節點同時執行多線程，與集中器通信并確定集中器轉發的用戶指令類型為采集指令或改變執行器狀態指令，從而進行環境信息的采集并上報，對執行器當前工作狀態做出保持或更改等操作。

2.3 云端服務器

為了使用戶能夠通過互聯網遠程訪問認養農業物聯網系統，該系統的平臺服務層主要進行了本地數據庫與云端服務器的搭建[13]。云端服務器將數據在物理電路與應用軟件之間傳輸并進行存儲、分析等操作[14]。

本地數據庫采用MySQL關系型數據庫管理系統以及Navicat可視化數據庫管理工具，實現了認養用戶數據的導入、導出、刪除、備份和還原[15]。從客戶端看，用戶可在其運行環境中訪問數據庫，實現服務器與Web前端的交互[16]。

在建立好本地數據庫的基礎上，完成基于華為云平臺云服務器的搭建。通過對接物理電路中的集中器其將硬件部分采集的信息上傳到云端[17]，而后可將其發送給相關用戶或云端儲存，在服務器操作過程中，后臺本地數據庫也會實時更新，從而實現認養農業系統的多用戶自由認養功能[18]。所實現的業務管理員系統界面如圖7所示。

圖7 業務員管理系統界面

3 系統測試結果

系統的功能測試分為板級測試、APP連接測試、數據存儲測試3個部分。

通過串口調試工具，可以看到設備啟動后聯網、采集數據、消息封裝等步驟均可在終端打印輸出，使用MQTT調試助手模擬向設備發送消息后也能夠得到相應結果，說明硬件電路部分工作狀況良好，各功能模塊設計無誤。而后在APP端進行設備狀態的查看和控制。通過華為云平臺提供的接口，在APP中能夠實時獲取設備的狀態信息并展示在前端頁面，同時也能夠完成對設備的遠程實時控制。最后，APP能夠訪問數據庫，獲取相應的歷史數據。

經測試，系統各層級功能均能達到設計要求，性能良好。

4 結 語

本文基于輕量級、低功耗的Huawei LiteOS，通過軟硬件結合進行了感知與控制層、應用服務層和平臺服務層3個層面的開發，實現了用戶對其認養土地環境的遠程監測與操作。系統測試結果表明，系統具有實際應用意義，與當前農業發展模式及“物物互聯”發展趨勢吻合。