面向智慧農業的物聯網監測系統設計

陸晶 林雪瓊 陳雨 楊佳 宋俊慷

摘 要：立足于農業現代化建設，以智慧農業監測為研究對象，設計了面向智慧農業的物聯網監測系統，目標是實現對農業信息數據的實時監測。該系統由物聯網數據采集裝置、物聯網數據終端和物聯網監測平臺三部分組成，可以有效傳輸部署在設施農業內采集農業信息數據，并通過監測軟件實時監測，為我國進一步推廣智慧農業的應用提供必要的研究支持。

關鍵詞：智慧農業；物聯網；監測

我國是農業生產大國，隨著我國經濟和科學技術的快速發展，食物的供應安全和衛生安全引起了越來越廣泛的關注，因此建立精準化的現代智慧農業監測系統有十分重要的意義。為實現面向智慧農業的物聯網監測系統開發，使用傳感器技術、移動通信技術和云平臺技術分別完成物聯網數據采集裝置、物聯網數據終端和物聯網監測平臺的組建，在進行農業信息數據實時可靠的采集、傳輸和監測的基礎上實現對農業生產過程的監控。

1 國內外研究進展

目前，發達國家如以色列、美國和澳大利亞等國的智慧設施農業已具備了技術成套、設備完善、規范生產、產量穩定、質量保證性強等特點，形成了設施制造、環境調節、生產資材為一體的產業體系，使得農業不受氣候條件影響，實現了農作物周年生產、均衡上市。在我國隨著物聯網技術的普及，現代化設施農業的發展也逐步趨向智能化，智慧化監控系統應用也在有序推廣，關于農業信息數據智慧監測技術代表性研究逐年增加。熊剛等人［5］以現代農業監測系統結構為依托，以LoRaWAN異構網絡技術為核心，設計了一種智慧農業監測系統，在實現遠距離通信基礎上完成農業生產監測。該系統在感知層上，借助各類傳感器采集農作物生長所需的光照強度、土壤溫濕度等信息傳輸到LoRaWAN網絡，網關節點再將數據進行上傳，達到用戶服務端，LoRaWAN網絡把接收到的控制指令，下發至感知層控制節點，從而人為干預農作物的生長環境中的灌溉，照明等裝置。劉青等人［6］以ZigBee技術為核心，結合光照，溫度等傳感器，依托CC2530單片機作為控制器，借助繼電器，控制光照、灑水等器件，設計開發智慧農業監測系統。該研究依托感知控制系統、云端數據和移動端APP等進行設計驗證，實現了用戶遠程監測農作物信息，更好地管理農作物生長并促進建設智慧農業綜合平臺發展。陳宏等人［7］采用傳感器和LonWorks電力線載波通信建立網絡節點實現遠程控制，從而采集設施農業現場數據和照片并進行驗證，能很好地監測農作物的生長狀態。該系統通過遠程控制管理農作物生長、培育等各個生長階段，達到提高農業生產效率和降低生產成本的效果。

本文針對“實時監測功能”進行研究設計實現面向智慧農業的物聯網監測系統，整個系統在使用物聯網技術的基礎上，通過對農業信息數據的采集，建立數據傳輸通路將采集數據上傳至服務端平臺，在終端設備上使用應用程序訪問服務端收集的農業信息數據，從而對農業生產實現智慧監測。

2 研究內容

為了實現上述研究目標，著力于以下三個方面的研究。

（1）農業信息數據的采集與傳輸。影響農作物生長的環境參數多種多樣，因此需要在選取有效的監測對象的基礎上選擇適合的數據傳輸方式，能夠為分析農業生產種植過程中土壤環境提供必要條件。

（2）數據傳輸通路的組建。數據傳輸通路作為是平臺的核心部分，其網絡的覆蓋范圍、靈活程度、抗干擾能力，對監測效果和監測難易度有著十分重要的影響，因此考慮使用具有靈活接入和覆蓋范圍廣的數據通信網絡建立監測數據的傳輸通道。

（3）監測數據存放平臺的選擇。監測數據存放平臺的選擇直接影響用戶訪問監測數據的體驗，因此一方面要求監測數據存放平臺安全、可靠，具有強大的數據分析處理能力，另一方面要求用于查詢監測數據的設備為我們日常生活使用的網絡終端設備（智能手機、電腦等）。

系統架構如圖1所示，整個系統分為物聯網監測平臺、物聯網數據終端、物聯網數據采集裝置三個部分。物聯網監測平臺主要負責下發數據采集命令和接收采集數據并進行存儲和展示；物聯網數據終端作為物聯網監測平臺和物聯網數據采集裝置之間的橋梁，起到對命令和數據上傳下達的作用；物聯網數據采集裝置在數據采集命令的作用下，收集農業信息數據并進行上傳。

系統各部分功能及具體設計方案如下：物聯網數據采集裝置依靠傳感器技術以微控制器為核心結合RS485總線，配合ModBusRTU協議完成農業監測數據的采集和上傳工作；物聯網數據終端在使用RS485承載ModBusRTU協議的總線型數據傳輸網絡的基礎上，配合支持4G移動通信技術的無線TCP連接數據端口，完成各農業監測和數據采集命令的上傳下達；使用基于“有人云”開發的物聯網監測平臺一方面實現數據采集命令的下發，另一方面完成農業信息數據的網絡發布和展示工作。

3 系統設計

3.1 物聯網數據采集裝置

如圖2所示，使用建大仁科公司的RSECTHN01TR1土壤電導率、溫度、濕度三合一傳感器作為物聯網數據采集裝置。該傳感器在針對土壤農業信息數據測量具有較高的靈敏度和較好的穩定性，能夠對鹽漬土的發生、演變、改良以及水鹽動態進行實時數據采集，具有承載ModBusRTU協議的RS485通信接口，在智慧農業監測領域具有廣泛的應用。

RSECTHN01TR1傳感器RS485接口基本通信參數設置為：二進制編碼（8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗），采用CRC校驗，比特率設置為115200波特。為能正確解析其所測量的土壤電導率、溫度、濕度農業信息數據，給出其ModBusRTU協議的寄存器地址與測量數據的對應關系如右表所示，云平臺可基于該對應關系完成配置正確讀取接收到的農業信息數據。

3.2 物聯網數據終端

如圖3所示，使用基于4G移動通信技術的有人物聯網公司USRG780 V2模塊作為物聯網數據終端，該終端支持國內電信運營商主流的4G網絡制式，以“數據透傳”作為功能核心。其軟件功能完善，可應用于大多數物聯網數據傳輸的常規應用場景，具有很好的易用性。使用者只要通過簡單設置，即可實現RS485通信到TCP/IP通信的雙向數據透明傳輸。

3.3 物聯網監測平臺

有人云，是專業為物聯網設備定制開發的云服務平臺系統，提供安全、穩定的設備接入和有效、可靠的通信能力，可低成本快速實現物聯網系統的場景智能化需求，具有應用開發、組態服務、運維管理、數據中心等核心功能。基于有人云開發的物聯網監測平臺，可實現農業信息數據的有效分析和處理，具體實現時主要完成有人云設備管理中的聯網設備和組態模板兩方面的內容配置。聯網設備主要完成有人云與USRG780 V2模塊的連接，變量模板完成有人云對傳感器采集數據的解析工作。

USRG780 V2模塊的連接配置主要包括如下步驟：有人云控制臺>設備管理>聯網設備>添加設備。如圖4所示在對應位置填寫設備SN、MAC/IMEI，開啟云組態功能，即可完成有人云與USRG780 V2模塊的連接。

傳感器采集數據解析配置步驟包括：有人云控制臺>變量模板>添加。如圖5所示在完成變量模板相關信息配置后，云平臺就能正確解析RSECTHN01TR1傳感器采集的電導率、溫度、濕度農業信息數據。

4 效果展示和系統優勢

使用有人云的組態功能可以很容易實現農業監測數據的展示工作如圖6所示，該智慧農業監測系統具有優勢如下。

4.1 土壤環境農業信息數據的采集和遠程無線傳輸

現有物聯網數據采集裝置多采用RS485總線承載ModBusRTU協議進行采集命令和采集數據傳輸工作，想要將這類監測數據經TCP鏈接上傳至互聯網需要設計專門的協議轉換模塊，這為物聯網技術在農業中應用的進一步推廣帶來不便。為了解決上述問題，通過對ModBusRTU協議研究發現其只規定了OSIRM七層模型中應用層的內容，主要實現客戶機和服務器在不同網絡設備之間的通信，這使得利用基于移動通信技術的無線TCP連接傳輸農業監測所用傳感器采集的數據成為可能。因此，將ModBusRTU協議的協議數據單位作為數據部分打包封裝至TCP報文段之中，完成農業監測數據和數據采集命令的傳輸工作。

4.2 土壤環境農業信息數據的存儲、分析處理和可視化展示

傳統的農業監測系統需要自主搭建服務器，自主開發監測界面，自主申請發布監測網站用的域名，軟件開發工作量十分繁重。使用基于“有人云”開發的物聯網監測平臺完成服務器搭建、監測數據存儲、監測網站的發布工作均在有人云的運營商云端進行部署，減少了監測系統開發的復雜度和成本，非常適用于進行服務鄉村振興的智慧農業技術的創新創業項目開展。

結語

我國農業正處于傳統農業向現代數字農業轉變的過渡期，農業新技術的應用推廣，可以有效解決生產率低下、農產品增長緩慢的問題，提高農業生產效率，降低生產成本，因此建立精準化的現代智慧農業監測系統有很重要的意義。使用物聯網監測平臺和物聯網數據終端，配合土壤農業信息數據的物聯網數據采集裝置，設計了面向智慧農業監測農作物生長環境的監測系統。旨在對作物生長環境進行精準的監測，加速現代農業新階段的智慧農業進一步推廣實施。

參考文獻：

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［3］許鵬，賈民政，張鵬，等.溫室環境因素檢測控制系統設計［J］.電子制作，2021（05）：2024.

［4］姚於康.國外設施農業智能化發展現狀、基本經驗及其借鑒［J］.江蘇農業科學，2011（01）：35.

［5］熊剛，胡啟迪，馬安良，等.基于異構網絡的智慧農業環境信息監測系統設計與實現［J］.熱帶農業科學，2022，42（03）：100104.

［6］劉青，李蘭蘭，張德樹，等.基于物聯網技術的智慧農業大棚監測系統研究［J］.安徽科技學院學報，2021，35（04）：1925.

［7］陳宏，吳建德.基于傳感器和電力線載波通信的智慧農業物聯網研究［J］.光通信技術，2022，46（03）：5659.

項目基金：2022年國家級大學生創新創業訓練計劃項目“面向智慧農業的物聯網監測系統設計”項目資助（項目編號：202210604035）；廣西民族師范學院一流本科專業建設項目（YLZY202102）

作者簡介：陸晶（2002— ），女，壯族，廣西南寧人，通信工程專業在讀本科生；林雪瓊（2001— ），女，漢族，廣西玉林人，通信工程專業在讀本科生；陳雨（2002— ），女，壯族，廣西南寧人，通信工程專業在讀本科生；楊佳（2001— ），女，江蘇無錫人，通信工程專業在讀本科生。

*通訊作者：宋俊慷（1989— ），男，陜西漢中人，碩士，講師，工程師，研究方向：物聯網技術在智慧農業中的應用。