基于OneNET平臺的農業大棚環境監測系統

蔡鵬 盛曉雨 張霞

摘 要：【目的】在種植聊河“特早熟”黃花菜過程中，因對生長環境參數的把控不精確，導致作物產量低等問題，提出解決該問題的技術方案。【方法】搭建基于Arduino的、以中國移動OneNET物聯網云平臺為終端調配中心、通過WiFi模塊進行通信連接的農業大棚環境監測系統。【結果】該系統已成功應用于聊河黃花菜植基地，結果表明，該系統可對農業大棚中的溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環境參數進行實時監測和上傳，并對異常數據進行報警，提醒農戶及時對生長環境進行調控。【結論】該系統操作簡單，運行穩定，開放式云平臺的應用能減少服務器架設，降低開發成本，有效滿足農戶需求，具有良好的應用前景。

關鍵詞：農業物聯網；環境監測；WiFi技術；OneNET云平臺

中圖分類號：TP29 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）14-0025-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.005

Agricultural Greenhouse Environment Monitoring System Based on OneNET Platform

CAI Peng SHENG Xiaoyu ZHANG Xia

（School of Physics Science and Information Engineering， Liaocheng University， Liaocheng 252000， China）

Abstract：[Purposes] In the process of planting Liaohe 'extremely early maturing' daylily， the inaccurate control of growth environment parameters resulted in low crop yield， yet a technical solution to this problem was proposed.[Methods] An agricultural greenhouse environment monitoring system based on Arduino， with China Mobile OneNET Internet of Things cloud platform as the terminal deployment center， and communication connection through WiFi module was built. [Findings] The system had been successfully applied to the yellow broccoli planting base in Liaocheng. The results showed that the system could monitor and upload the environmental parameters such as temperature and humidity， light intensity and carbon dioxide concentration in the agricultural greenhouse in real time， and alarm the abnormal data to remind farmers to regulate the growth environment in time.[Conclusions] The system is simple in operation and stable in operation. The application of open cloud platform can reduce server erection， reduce development costs， effectively meet the needs of farmers， and has good application prospects.

Keywords：agricultural Internet of things; environmental monitoring; WiFi technology; OneNET cloud platform

0 引言

一直以來，我國對農業的發展都極為重視。隨著“十四五”規劃的穩步推進，業界眾多專家、學者將物聯網技術融入到農業、畜牧業等傳統行業中，基于物聯網技術的新農業也快速發展起來。在傳統農業管理中，農民要定期巡視各個大棚，估算大棚區內的溫度、濕度等數據，而對數據的把握主要依靠農民日積月累的耕作經驗。在這個過程中存在兩大問題：一是大面積園區實地考察農作物的生長環境會耗時耗力，導致人工成本增加［1］；二是人工對生長環境的判斷缺少準確性和權威性，且天氣狀況復雜多變［2］，農民“靠天吃飯”成為常態。物聯網技術的應用使環境信息的獲取方式突破限制，能實現對環境數據的實時監測，并以一種更加直觀的形式把數據呈現出來，從而實現足不出戶，便曉農間事。由于數據采集是基于傳感系統的，因此可根據需求合理地布置監測點。該方法比人工用肉眼判斷得到的信息更科學、準確［3］。為了能實時監測農作物的生長環境，需要設計出一個運行穩定、操作方便、低成本的農業環境監測系統。

目前，我國農業物聯網技術朝著成熟化、智能化方向不斷發展，可應用先進技術對環境因素進行人為調控。徐耀煒等［4］設計的環境監測系統是不聯網的單點設備，缺點是無法通過手機、電腦等設備來實現遠程監控；謝忠志等［5］設計的車間環境智能監測系統由開發者自行部署服務器，無形中增加了開發的工作量及設備成本［6-7］。為解決聊河農業科技公司在“特早熟”黃花菜種植過程中因生長環境調控不精確而導致產量低下的問題，本研究設計一套基于OneNET平臺的農業大棚環境監測系統。根據采集到的空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度等信息來判斷植物所處的生長環境和光合作用的強弱，基于OneNET平臺可實現將數據采集點終端感知設備采集到的數據實時上傳到云端，通過數據可視化界面將數據以圖形的方式向農戶展示。

1 系統總體設計方案

中國移動通信集團有限公司積極助推萬物互聯時代，其自主研發的OneNET物聯網平臺使客戶終端通過運營通道與云端連接，從而形成“端、管、云”的網絡架構［8］。根據物聯網分層技術，可將整個系統大體分為4個層次，即感知層、傳輸層、平臺層、應用層［9］。該系統的總體設計方案如圖1所示。其中，感知層是物聯網的“五官”，主要由分布在各采集節點的傳感器組成，負責獲取和整合環境信息，并匯聚于Arduino單片機中；傳輸層提供端對端通信，利用WiFi無線通信技術，選用TCP透傳協議，與云平臺連接，從而完成數據交換；平臺層負責接收和查看MCU傳輸的各項環境指標，對數據進行存儲、匯總，并以圖形的方式進行可視化展示；應用層旨在為用戶提供便捷的服務，從而實現手機端或電腦端登錄平臺遠程查看實時數據。此外，為避免多傳感器與MCU相連時布線復雜、繁瑣等弊端，設計了PCB印刷電路板，用集插式來代替傳統的接線式，從而提升系統的穩定性。該系統可讓農戶能隨時隨地掌握棚內環境狀況，避免因自身經驗判斷而造成誤差，并根據監測結果來采取相應的措施，保證作物處在適宜的生長環境，促進農作物增產，提高企業經濟效益。

2 系統硬件設計

硬件系統由傳感設備、Arduino系列單片機、無線通信模塊及供電模塊組成。主控制器發送指令驅動傳感設備收集農業大棚內的環境信息，通過無線通信模塊配合TCP透傳協議將數據上傳至OneNET云平臺，完成數據的存儲與可視化展示。如果實時顯示的數據超出預先設定的閾值范圍，則觸發報警，提醒用戶要及時作出調整。

2.1 主控與采集電路設計

環境監測節點要充分監測農業大棚內的環境參數，包括溫室情況、土壤墑情及植物所需的光照，要外接5個傳感器和1個WiFi模塊。因此，開發板的選擇是基于容易實現，其端口數量也是至關重要的。為滿足上述條件，該系統使用Arduino UNO PLUS型單片機。該單片機的優勢在于開源，即軟硬件完全開放，并提供14個數字 I/O 端口和6個模擬端口，在同樣體積下可連接更多的傳感器和元件。

要采集的參數包括空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度，硬件采集系統電路設計如圖2所示。主控制器通過外接各類傳感器來收集數據，并在PC端顯示。空氣溫濕度傳感器使用的是新一代AHT20型高精度傳感器，采用I2C協議進行通信，優點是精度高、功耗低、抗干擾能力強，適合在惡劣環境中使用；使用DS18B20型傳感器對土壤溫度進行測量，由于傳統模塊的感應芯片嵌入在小模塊上，無法直接測量土壤溫度。本研究使用的傳感器是在原有傳感器基礎上增加防水探頭；使用FC-28型傳感器對土壤濕度進行測量，因其長時間插入土中，與土壤長時間接觸，導致其生銹。為了使測量穩定、延長其使用壽命，因此傳感模塊的感應探頭面積較寬，對表面進行鍍鎳處理；選用GY-302型光照強度傳感器對光照強度進行測量，采用的ROHM原裝BH1750FVI芯片是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路［10-12］；選用SPG30氣體傳感器對二氧化碳濃度進行測量，該傳感器內部集成了4個氣體傳感器件，通過附著在表面的金屬氧化物顆粒上吸附的氧氣與目標氣體發生反應，從而釋放電子，使傳感器金屬氧化層的電阻發生改變，然后對電阻進行信號處理，得到氣體值。

2.2 供電模塊設計

為保證系統能在農業大棚內穩定、持續工作，選用12 V鋰電池進行供電，優點是電池容量大、電流輸出穩定、可循環充電使用。由于單片機的輸入電壓為5 V，設計了一個由LM7805穩壓器組成的降壓電路，為單片機持續供電。供電電路設計如圖3所示。

2.3 無線通信模塊設計

近年來，基于ZigBee、Lora、WiFi、藍牙等無線通信技術的農業大棚環境監測系統發展迅速，從而加快農業現代化進程［13］。4種通信技術對比見表1。聊河黃花菜種植基地的大棚全長為80～100 m、寬為20～30 m，結合實際條件，WiFi模塊可實現完全覆蓋，低功耗、低成本讓該系統的優勢更加明顯。ESP8266模塊連接電路設計如圖4所示。使用時對模塊進行簡單配置，即可完成數據傳輸。

2.4 PCB印刷電路板設計

對環境信息的監測會用到大量高度集成的傳感器，通常每個型號的傳感器有4～5個接線口，大量使用杜邦線會造成接線端子接觸不良，導致系統傳輸的穩定性大大降低。PCB印刷電路板內嵌連接導線，用集插式來代替傳統的復雜布線，可實現電路中各元件間的電氣連接。在對PCB進行設計時，先確定PCB尺寸，再確定特殊元件的位置，并根據電路的功能單元對電路的全部元器件進行布局。PCB印刷電路設計如圖5所示。

3 系統軟件設計

一個完整的系統是在軟硬件相互配合下才能實現相應功能的［14］。基于OneNET平臺的農業大棚環境監測系統軟件設計分為傳感器數據采集設計、WiFi通信模塊設計和OneNET平臺標準化配置。軟件部分主要通過MCU對各傳感器進行初始化，設置合適的采集間隔，傳感器收集到的數據經WiFi模塊與OneNET平臺交互，總體流程如圖6所示。

3.1 傳感器數據采集軟件設計

傳感器采集信息時使用的通信方式主要分為兩種。空氣溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度傳感器使用的是I2C協議，土壤溫濕度傳感器使用的是單總線協議。應用單總線協議的傳感器正常讀數要經過4步，即初始化、ROM操作命令、存儲器操作命令、處理數據。主機發出初始化信號等待從機的應答信號，判斷設備能否正常工作。當從機準確響應后，先跳過ROM操作命令，發送高速暫存存儲器操作命令，最終經數據處理后得到相應值。I2C協議的總線有4個狀態，即起始狀態、停止狀態、忙態、空閑態。當主機設備在I2C總線上發出起始信號時，開始一次通信，數據發送到SDA總線上，傳輸8 bit數據；當主機設備在I2C總線上發出停止信號時，停止本次通信。

3.2 WiFi通信模塊軟件設計

采用WiFi無線通信傳輸數據時，使用ATK-ESP8266型號，支持IEEE802.11b/g/n協議，通過TCP透傳協議與OneNET平臺進行信息交互。在使用WiFi模塊時，要對引腳進行相應的配置才能正常使用。系統通過Arduino下發AT指令，對ESP8266模塊進行配置。常用的AT指令配置見表2。

當發送AT指令后，模塊會給單片機返回信息，根據反饋內容來判斷AT 指令是否執行成功，從而繼續發送 AT 指令，直到與云平臺建立連接，并進入透傳模式。

3.3 OneNET平臺設置與標準化接入

該系統使用中國移動OneNET云平臺，其能為用戶提供多種協議和豐富的API，致力于在物聯網和設備間建立一個穩定、高效、便捷的應用平臺。在應用該平臺時要通過產品設備建立連接，按照OneNET平臺進行標準化接入，包括登錄注冊、添加產品、添加設備、配置設備后臺、創建設備序列號和密鑰等過程。

先在OneNET平臺注冊一個賬號，接著在控制臺下的多協議接入中選擇TCP透傳協議來創建新產品，在產品下創建新設備，并添加APIKey。為保證數據與平臺傳輸的穩定性，在設備列表上傳TCP透傳協議的腳本信息，在lua腳本中，設備名稱要與其鑒權信息保持一致，完成數據流與設備的綁定。此外，在Arduino主程序中向WiFi模塊發送AT指令，連上熱點，在開啟透傳模式操作后，要向OneNET平臺發送報文信息，包括產品ID、設備鑒權碼、腳本名稱，給平臺下達連接特定產品、設備的指令，完成MCU與平臺的綁定。

此外，OneNET平臺還為用戶提供報警機制，通過添加觸發器，對超過預設閾值的異常數據進行報警，從而引起農戶的注意，方便農戶及時處理，使農作物在適宜環境中生長，提高農作物產量。

4 系統試驗

該系統的測試地點為聊城聊河農業科技公司黃花菜種植基地試驗棚，將該系統中的各硬件模塊進行功能集成，對終端設備進行安裝上電，并進行組網測試［6］。將電源接入單片機，ESP8266模塊迅速與手機熱點建立連接，并接入云平臺，系統每隔3 s采集一次數據，可在串口監視器中捕捉到數據信息，并上傳到云平臺。為方便觀測所有實時采集數據，在后臺對顯示界面進行可視化處理，以折線圖的形式將所測數據展示出來，界面展示如圖7所示。移動土壤濕度傳感器，并用手電筒在系統附近來回擺動，發現對應數據出現波動，說明環境監測系統各感應模塊運行正常。

大棚中的環境變量在短時間內變化不明顯，無須頻繁采集數據，否則會讓系統長時間處于采集模式，造成資源浪費。為避免系統長時間處于采集模式造成電能浪費，且多次上傳數據會占用OneNET平臺數據存儲空間。所以，當系統正式投入使用時，把采集間隔設定為10～20 min。此外，OneNET平臺還會將采集到的數據與觸發器設置的閾值進行比較，若超出范圍，平臺會通過預設的郵箱對用戶發出警報，及時提醒管理者做出相應措施。此外，還充分考慮用戶需求及場景多樣性、智能化的發展，將環境監測系統通過RS485通信協議與仰邦控制卡對接上傳到LED點陣大屏幕中，測試效果如圖8所示。

5 結語

針對環境參數把控不精確導致大棚產量低下的問題，設計出一個基于OneNET平臺的農業大棚環境監測系統。該系統以Arduino UNO PLUS為主控芯片，配合多種類型的傳感器，通過I2C或單總線協議來采集數據，選擇高性能、低成本的ESP8266無線通信模塊將MCU采集到的數據上傳到OneNET平臺。用戶可通過網頁客戶端和手機鏈接的方式實時查看棚內環境信息，對超出閾值范圍的異常數據及時處理，改善農作物生長環境，保證農作物生長及品質最優化，提高農作物產量。應用該系統后，大棚內的環境參數指標滿足聊河地區黃花菜種植的基本要求，減少企業的人工成本，彌補傳統環境監測系統組網復雜、穩定性差、造價高的缺點，為農業物聯網的發展提供可靠的技術方案。

參考文獻：

［1］高學治.環境監測技術存在的問題及對策分析［J］.皮革制作與環保科技，2022（7）：43-45.

［2］劉強.我國環境檢測技術發展現狀及未來發展趨勢［J］.化工設計通訊，2022（3）：183-185.

［3］翟繼武.環境監測中物聯網技術的應用［J］.科技創新與應用，2014（25）：155-155.

［4］徐耀煒，職燕.基于單片機的環境監測系統設計［J］.大眾科技，2017（8）：12-13.

［5］謝忠志，李曙生.基于485總線的車間環境智能監測系統設計［J］.電子技術，2021（11）：126-127.

［6］鐘銳，劉凱.基于OneNET云平臺的古鎮環境監測系統設計［J］.計算機與網絡，2022（15）：63-67.

［7］張云琦，張景波，楊中雨.OneNet云平臺倉庫環境監測系統研究［J］.價值工程，2021（17）：134-135.

［8］GONALO M，RUI P.An indoor monitoring system for ambient assisted living based on internet of things architecture［J］.International Journal of Environmental Research and Public Health，2016（11）：1152.

［9］丁飛，吳飛，艾成萬，等.基于OneNET平臺的環境監測系統設計與實現［J］.南京郵電大學學報（自然科學版），2018（4）：24-29.

［10］崔雪峰，張日強，孟祥宇，等.基于Arduino的硝酸銨溶液析晶點溫度測量系統的研究［J］.現代礦業，2020（12）：165-167，173.

［11］劉曉金，閆華杰，張子民，等.基于單片機的太陽能自動盆栽灌溉器設計與制造［J］.山東工業技術，2018（5）：1-3.

［12］張鵬，孫紅艷.基于物聯網的船艙環境監測監控系統設計［J］.電子科技，2019（10）：79-82.

［13］婁曉康，張立新，張雪媛，等.基于Arduino和NB-IoT的棉田環境監測系統設計［J］.農機化研究，2022（6）：71-76.

［14］李寒.基于物聯網的智慧農業大棚控制系統設計［D］.保定：河北大學，2021.