智慧農業中的物聯網結構的設計與研究

◎高尚 賈雪

一、研究背景

當今社會，人工智能是科技潮流，而物聯網也逐步進入了家家戶戶，應用到了各個領域。而我國作為農業大國，但是如今從事農業生產的年輕人越來越少，長此以往，大量流失的農業生產勞動力必定不能滿足機械化生產所需的勞動力，農業生產必將走上一條沒有勞動力的智慧化生產的新道路。

物聯網技術是智慧農業的基礎。所謂智慧農業系統就是通過物聯網采集數據，控制并訓練智能化機械設備，以達到農業系統智慧化管理的目的。縱觀我國農業發展歷程，從傳統農業的手工生產到機械農業的機械化生產，雖然減輕了人力的勞動負擔，但依舊是以人為主來獲取農作物信息的，依舊需要消耗大量的人力物力，而且實時性差，工作效率低。所謂智慧農業系統就是用智能設備和各種傳感器取代人力來收集農作物信息，甚至可以控制通過物聯網的智能化農業生產機械進行一些工作。不但大大降低了人力資源消耗，還可以大幅度提升工作效率。必能促使農業生產步入時代新潮流。

二、系統設計

1.總體設計思路。

本設計主要研究關于智慧農業系統的數據傳輸以及信號處理部分，傳感器的分布與算法暫不討論。本設計的設計思路就是"簡便"，而對于一個系統而言，所謂簡單，不過是不需要搭建系統，秉著這一思路，充分利用物聯網無線、不受距離限制的優勢，把智慧農業系統拆分成塊，每一個塊都是一個單獨的智慧農業系統，組合到一起就是一個功能更多的系統。

這部分的設計模式可以理解為一個項目小組的群聊，群聊里有組長和組員，組長可以在群里發布任務并指定某個組員，關注著組長的組員們通過組長發的消息來確認組長指定的是不是自己并作出相應的反饋發布到群里。這個模式其實就是智慧農業系統應用到的MQTT 通信協議，即發布/訂閱型消息協議。也就是說，該系統的結構只有兩層：服務器和客戶端。服務器就是一個群聊，客戶端分為組長客戶端和組員客戶端。

2.MQTT 通信協議。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議），是一種基于發布/訂閱（publish/subscribe）模式的"輕量級"通訊協議，該協議構建于TCP/IP 協議上，由IBM 在1999年發布。MQTT 最大優點在于，小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是2 字節），協議交換最小化，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。非常適合在物聯網領域進行傳感器與服務器的通信或者信息的收集，要知道嵌入式設備的運算能力和帶寬都相對薄弱，使用這種協議來傳遞消息再適合不過了。

3.系統結構設計。

本設計以MQTT 通信協議進行數據交互，以百度天工物接入物聯網云作為服務器，創建智慧農業系統模型，創建客戶端實例，并授予所有實例發布訂閱權限。手機電腦終端可以查看并控制全部客戶端及數據。

以ESP8266 芯片作為開發的核心。其本身作為32-bit 的MCU 并兼具網絡功能，可以大幅度降低開發成本。基于ESP8266 可以設計出室內終端，監控云臺，溫度、濕度、光照度等傳感器模塊。

室內終端：可以參考為組長客戶端，即利用ESP8266 的網絡功能，接入服務器，接收已訂閱的其他客戶端發布的消息或者音視頻流并存儲到本地，再由ESP8266 的MCU 打印到相應的顯示器上。也可以把控制信號通過MCU 轉換為控制信息，再通過網絡功能把控制消息發布給服務器上相應的客戶端。

控制云臺和傳感器模塊：可以參考為組員客戶端，即利用每個客戶端的ESP8266 的網絡功能接入服務器，接收訂閱的組長客戶端，即室內終端發布的控制消息，解析并作出相應動作。也可以把該客戶端本身的傳感器采集到的信息通過MCU 轉為消息，通過網絡功能把該消息發布到服務器上。

三、系統特色

本設計的最大特點就是將智慧農業的系統結構個體化，使用時可以任意選擇需要的傳感器及其他模塊的種類和數量。功能的本質則是利用了MQTT 消息協議的消息訂閱/發布原理：所有客戶端都是把自身的消息發布到服務器，組長客戶端訂閱所有的其他客戶端的消息，同時也可以向所有客戶端發布消息。所有組員客戶端都只訂閱組長客戶端的消息，只能接收組長客戶端的消息或者向組長客戶端發布消息。這樣就可以最大限度的降低系統內各個模塊的耦合度，不需要搭建，方便更新升級系統功能，實現系統結構個體化。

四、總結

本篇文章僅討論了智慧農業系統中的物聯網實現的相關問題，是智慧農業設計的一部分。對于智慧農業而言，物聯網只是其“智慧”，而“農業”才是其根本，所以理想中的智慧農業是在此基礎上，還可以實現根據農田土壤情況分析出可以種植哪些農產品，能根據農作物生長趨勢自動施肥灌溉等功能。然而實現這些功能不僅需要有一套完善的算法，執行灌溉施肥等任務的機械也需要考慮接入服務器，形成整體的物聯網。這些都是本設計將面臨的難題。但是智慧農業在未來社會中有著廣闊的發展前景，在農業生產力大幅減員的二十一世紀，智慧化農業生產必將是農業生產發展的主流，亦是人們心中向往的社會。