基于物聯網的智慧農業監測聯動系統設計

黃富達，陳松琪，陶志霖，韋樹貢，張宗謀，楊子靖，陸秀萍，鄭淑文

（廣西民族師范學院 數理與電子信息工程學院，廣西崇左，532200）

0 引言

目前，地面監測站和遙感技術結合的墑情監測系統等農業環境監測網絡系統已在國內外有應用，但我國與發達國家相比，仍存在一定差距，很多農業大棚只是處于試驗階段，技術方面還存在漏洞。我國是一個農業大國，但就目前來說，還不是一個農業強國，這就需要我們通過更多的物聯網技術提供為農作物創造更好的生長環境，讓農民們希望農作物增產增收的愿望成為現實。

然而隨著社會不斷發展，科技水平的逐步提升，人口數量也在不停增長，對農業的需求也越來越大。我國地域遼闊，地形復雜，種植區域一般為偏遠地區，很多環境對于智能設備的使用帶來了很大的制約，傳統的農作物生產方式有較大的弊端，容易受自然天氣的影響，效率較低，容易造成農作物經濟發展滯緩，給種植農作物的人們帶來巨大困擾。為了解決這一問題，設計了一款基于物聯網的智慧農業監測聯動系統。本文主要采用了物聯網、傳感器以及嵌入式技術等將獲取到的農作物生長信息上傳到云端，用戶可以通過手機、電腦登錄農業環境監控平臺，實時監測農作物信息，改進農業種植條件，實現農作物的增產增收。

1 系統方案設計

現階段，物聯網技術雖然是一個全新的概念，但其并沒有離開我國的互聯網技術，通過我國多種海量傳感儀器采集的多個信息數據內容，最終利用互聯網技術的相關技術標準和互聯網技術完美融合，可以及時準確地將多個信息傳輸到實際管理中心，從而滿足不同用戶的實際需求[1]。

本系統主要由STM32 主控芯片、傳感器設備、上位機、攝像頭模塊、服務端五部分組成。通過傳感器采集土壤溫濕度以及二氧化碳濃度、風速、風向、雨量等方面的情況，接著搭建好網站，并在農作物生長的地方安裝攝像頭將傳感器采集到的相關信息上傳到騰訊云小程序，用戶可以根據手機APP、電腦等獲取到的數據進行分析，手動控制增加光照強度或者增減雨量?；谖锫摼W的智慧農業監測聯動系統功能框圖如圖1所示。

圖1 系統功能框圖

2 硬件電路設計

■2.1 主控模塊

本系統主要采用STM32F103 作為主控模塊，擁有ARM Cortex32位微控制器，48 路LQFP 封裝，是ST 公司微控制器中的STM32 系列。 STM32F103C8T6 整個系統結構大致可以分為由ARM 公司設計的Cortex-M3 內核和ST 公司在此基礎上進行優化的總線矩陣、DMA（Direct Memory Access，直接內存讀取器），還有AHB、APB1 以及APB2上掛載的外設等兩個部分。采用高密度性能傳輸，結合無線傳感網絡處理系統獲取到的數據，使用單片機自身的串口USART 連接傳感器，獲取大氣、土壤的相關信息，實現自動灌溉功能并發送到氣象數據記錄儀。

■2.2 土壤溫濕度模塊

該模塊主要由兩個傳感器組成，分別是土壤水分傳感器、土壤濕度傳感器，用來獲取農作物所處的土壤環境信息，采集土壤的溫濕度。使用YL-69 土壤濕度傳感器，其是四線制的，中間有兩根線，其中AO 用來讀取實時濕度數據，D0 不連接，由于A0 輸出的是模擬量，單片機只能讀取數字量，所以需要通過ADC（模數轉換），連接單片機上的PA1 引腳，用來處理模擬數據。該模塊主要由不銹鋼探針和防水探頭構成，可以長期埋藏在土壤里面，只要將其插在土壤里，就可采集到土壤的濕度信息，該模塊在本系統中主要用于農業環境土壤墑情監測。

■2.3 溫濕度傳感器

采用的是DHT11 溫濕度傳感器，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型傳感器，采用專門的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，能夠采集到環境中的溫濕度，在農業物聯網的應用中較為廣泛，并且具有成本低廉，體積小、容易操作等特點。含有4個引腳，VCC、GND 分別接電源以及接地，I/O口為數據線，該接口主要獲取數據信息。在本系統中溫濕度傳感器用于采集大氣中的溫濕度，將采集到的數據打印輸出到OLED 顯示屏上以及顯示在騰訊云、華為云平臺，以便用戶感知外界溫濕度。

■2.4 攝像頭模塊

采用Maixpy3 模塊，其是一款基于linux cpython的Python3 軟件開發工具包（SDK），借助開源 Python 編程語言實現跨平臺統一和簡化 Linux 嵌入式設備上開發 AIoT（人工智能物聯網） = AI（人工智能） + IoT（物聯網）應用。物聯網攝像頭，覆蓋面廣，主要用于農業生產環節中能夠起到實時視頻監控農作物信息以及安全防盜監控，便于管理人員能夠第一時間了解生產過程中的每時每刻的狀況。

■2.5 ASR01 語音模塊

該模塊采用ASR01 系列，具有10m 超遠距離喚醒的特點，擁有98%的超高識別率。使用串口通信的方式向主控芯片STM32 芯片發送獲取到的數據，與單片機相結合來使用，連接RX-TX 引腳即可實現雙向通信，使用范圍廣泛，更改不同的提示關鍵詞，用戶可以準確地獲取到實時信息。本系統通過語音播報模塊提示用戶傳感器所獲取到的信息，當采集到的溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照值等超過一定的閾值，語音播報模塊提示用戶注意，是否有需要改善作物的生長條件。

■2.6 光照傳感器

使用BH1750(GY-30)光照傳感器，其是采用了ROHMBH1750FVI 芯片的感光模塊，通過數字輸出測量光照度，其檢測范圍在0~65535 勒克斯，誤差變動較小，提高了系統測量光照值的準確性。本系統中將傳感器采集到的光照值通過互聯網技術傳到云端，以便用戶隨時查看。

■2.7 風速傳感器

RS485 風向傳感器，采用Modbus 協議，具有體積輕巧、抗氧化、耐腐蝕的特點，使用范圍極其廣泛，主要應用在氣象站、海洋、環境、各個機場、港口、工農業實驗室及交通等領域，用于測量環境風速與風向，在本系統中采用此模塊主要是監測當地的風速、風向狀況，以便用戶根據農作物的生長條件進行調整，改善農作物的生長方式。

整體硬件電路圖如圖2所示。

圖2 整體硬件電路圖

3 軟件設計

本系統采用手機APP、小程序客戶端來協助用戶遠程控制作物信息，使其成為本設計的一大亮點。利用計算機網絡信息平臺對自然環境信息進行全方面監測，方便更好地采集到太陽能輻射、二氧化碳濃度等方面的監控數據，接著傳送到騰訊云中心服務器。在監測數據傳輸時該系統通過標準USB/RS485 通訊接口，與測量中心PC 機進行有線連接，然后利用GPRS/NB/LTE 與其進行無線傳送，使用TCP/IP協議利用LAN、WiFi、GPRS 等方式接入互聯網，然后將數據傳輸到騰訊云計算分析終端，以便于用戶在登錄監測系統就可以實時查看監測區域的歷史數據信息。

■3.1 系統軟件設計

程序主要分為兩部分：第一部分是氣象數據采集系統，第二部分為數據處理系統，系統軟件程序采用C 語言進行結構編程。

(1)氣象數據采集系統。在使用的農業氣象數據采集終端程序中提前設置好采集周期，接著采集各傳感器獲取到的溫度和濕度以及雨量開關信號等數字信號，采用多種傳感器組合采集環境參數，程序主要流程為：先給系統進行上電使能初始化，接著對所使用的端口進行初始化，定義計數周期，按預設好的請求指令對所用端口進行判斷，觀察是否出現異常，把反饋接收到的信息先存儲，再通過指令請求傳輸到數據處理系統；開始判斷信號請求指令是否開始執行數據采集程序，初始化傳感器后開始采集數據，通過A/D轉換數據，判斷數據是否轉換完成，通過I2C 協議對環境參數進行數據傳輸，以及進行24 小時制的數據監測。將采集轉換后的數據參數存儲到八進制位的數組中，通過USB/RS485 通訊把數據傳輸給數據處理系統中。結束返回。

(2)數據處理系統。主要程序為：系統上電初始化，定義計數周期，判斷端口是否異常，反饋數據并顯示，判斷請求指令是否開始接收數據，通過RS485 協議轉換接收傳輸的數組數據，判斷接收到的數組數據是否正常，反饋異常數據，通過判斷數組數值轉換不同環境參數數值并存儲到參數變量中，再通過串口通信UART 連接通信模塊，發送請求信號指令判斷連接是否正常，正常則將轉換后的數據發送到云端，異常則反饋異常信號到云端。結束返回。程序流程圖如圖3、圖4所示。

圖3 氣象數據采集流程圖

圖4 數據處理系統流程圖

■3.2 騰訊云小程序設計

在設計好的服務器中登錄小程序。使用者可以先注冊賬號，接著完成實名認證，接下來即可進入平臺，如已注冊，則可以直接登錄；若沒有注冊而直接登錄，將會有“您未注冊賬號，請先注冊”的提示。成功進入平臺后先創建屬于自己的產品，配置相關參數，添加屬性與命令，接著下發我們設計好的MCU 代碼指令“AT+NRB”，激活設備；輸入“AT+NMGS”開始上報數據，若上報數據成功，將會有“上報數據成功”的提示信息，接著即可查看相關數據；若上報數據不成功，將會打印輸出“上報數據失敗”。串口監測數據MCU 發送指令如圖5所示。

圖5 使用沁恒串口工具監測MCU 發送AT的指令窗口

4 系統測試

成功登錄小程序后，用戶可以查看上傳到云端的農作物信息，點擊“溫濕度”將可查看農作物所處的土壤溫濕度；點擊“光照值”即可獲取當前的光照強度；點擊“CO2濃度”即可在頁面上查看到當前農作物所處環境的情況；用戶還可以切換攝像頭頁面，實時監測農作物，不用出門就可以及時了解到作物信息，極大地減少人力、物力、財力的損失，同時觀測到是否會有破壞農作物的行為發生，以便更好地起到保護農作物的作用。通過物聯網技術的科學監測，農民在收到信息后，可通過數據中心下達操作指令，準確進行作業灌溉，減少水資源的浪費，促進農業管理向自動化方向發展[2]。通過下發MCU 代碼指令“AT+NRB”，設備被激活；輸入“AT+NMGS”即開始上報數據，接著便有數據上傳成功的提示，在小程序上可以查看到相關信息。騰訊云小程序獲取到的信息如圖6、圖7所示。

圖6 小程序頁面顯示

圖7 數據顯示大屏圖

5 結束語

本設計旨在研究一款幫助農民百姓們解決傳統農業種植方式的弊端的系統，全面監控農作物的生長信息，實現自動監測農業生態環境的功能，保證農業生態環境的可持續發展。借助物聯網技術幫助種植者隨時了解農作物的情況，種植者在室內就能獲取溫室內的信息數據，并借助無線數據對其進行遠程操控，完成實時監督任務，為農作物的生長提供更加良好的環境，調整農作物的生長周期，以保障農作物的成活率[3]。當傳感器采集到數據，就會將信息上傳到云端，能夠實時更新作物的生長環境信息。傳感器采集溫濕度、CO2濃度、光照值等數據，用戶通過手機APP、服務器等登錄騰訊云小程序，不用出門就能實時監測農作物的生產條件，極大地減少了人力、物力、財力的損失，擁有很大的發展前景。讓用戶實現農作物增產增收的愿望，響應國家號召，全面改善我國人民生活方式，提高其生活水平。