基于云平臺打造低成本智慧農場解決方案研究

摘" 要：在當前數字化轉型的浪潮中，智慧農業作為推動農業高效可持續發展的重要方式備受關注。如何在有限的成本內實現智慧農場的高效能高普及運作，一直是研究的熱點與難點。因此，該文提出一種基于云平臺的智慧農場管理模型，采用PacketTracer軟件來模擬農場硬件網絡的拓撲結構，將收集到的農場數據上傳至OneNet云平臺，實現數據的監測和存儲，以及對智能設備的遠程控制，并通過微信小程序連接云平臺獲取實時農場環境數據。最后，研究以樹莓派為硬件平臺，構建實體智慧農場模型，驗證所提解決方案的可行性和有效性。實驗表明，結合OneNet云平臺和微信小程序的智慧農場解決方案能顯著降低智慧農場搭建和運營成本，同時提升生產的自動化和智能化水平，具有廣泛推廣的應用潛力。

關鍵詞：智慧農業；OneNet云平臺；PacketTracer；微信小程序；物聯網

中圖分類號：TP273" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）06-0001-04

Abstract： In the current trend of digital transformation， smart agriculture has attracted much attention as an important way of promoting the efficient and sustainable development of agriculture. How to realize the high-efficiency， high-popularity operation of smart farm at the limited cost has always been a hotspot of research and a difficult point. Therefore， this paper proposes a smart farm management model based on cloud platform， which uses PacketTracer software to simulate the topology of farm hardware network， uploads the collected farm data to OneNet Cloud Platform， so as to realize data monitoring and storage， as well as remote control of intelligent devices. Besides， this paper obtains real-time farm environment data through WeChat Mini Programs connecting to cloud platform. Finally， a physical smart farm model is built on the hardware platform of Raspberry Pi to verify the feasibility and effectiveness of the proposed solution. Experiments show that the smart farm solution combing OneNet Cloud Platform and WeChat Mini Programs can significantly reduce the construction and operating costs of smart farm and improve the automation and intelligent level of production， with a potential of being widely promoted.

Keywords： smart agriculture; OneNet Cloud Platform; PacketTracer; WeChat Mini Program; Internet of Things

目前，我國傳統農業生產模式面臨諸多挑戰，耕地面積不斷減少、環境惡化和效率低下成為制約農業可持續發展的關鍵因素。未來我國現代農業發展的主要潛力和方向是構建轉型的智慧農業體系和模式[1]，智慧農業應運而生。盡管智慧農業在技術層面取得了一系列突破，但是背后的成本構成依然值得深思。在硬件設施上，智慧農業中的基礎設施包括農業機械設備以及在農業中應用的信息化網絡平臺，其高昂的建設成本依然是阻礙智慧農業擴大推廣范圍和應用的主要瓶頸。

中國農業仍然以家庭小作坊模式為主，大多數農戶尚未實現規模化、集約化生產，這在很大程度上限制了高成本技術手段的普及和使用。此外，云計算和大數據等技術雖然為智慧農業提供了強大的數據處理能力，但相關平臺和系統的開發、部署和維護往往需要較高投入。根據我國的相關數據顯示農村人均可支配收入大約為11 422元[2]，這對于絕大多數的小規模農戶來說是不切實際的。

針對這一問題，本研究提出了一種基于云平臺的智慧農場管理模型。該方案的核心在于利用免費的互聯網資源，如開源物聯網平臺和廣泛使用的社交平臺微信，構建一個低投入、易操作的智慧農場系統。通過將物聯網技術與云平臺相結合，使農業生產管理自動化、智能化，提高農業生產的效率和產品的質量，同時顯著降低信息化建設和運行維護的成本。

1" 系統整體設計

本研究提出的智慧農場管理模型分為3個層次：感知層、傳輸層（網絡層）和應用層[3]。

1.1" 感知層

感知層主要包括農場生產環境參數信息的收集以及控制信號的接收和執行，主要通過各種傳感器設備采集農場環境的信息，包括土壤溫濕度、光照、二氧化碳濃度等[4]，并匯聚到樹莓派等MCU控制裝置中。隨著傳感器技術的不斷成熟和使用量的不斷增大，絕大多數的傳感器成本屬于可以接受的范圍。

1.2" 傳輸層

傳輸層將感知層采集的數據通過物聯網網絡進行匯總，并通過有線或無線方式，選用TCP透傳或http協議與OneNet云平臺連接，完成數據交換。

1.3" 應用層

應用層將傳輸層匯總的數據進行分析和處理，并根據信息進行分類和數據挖掘，為農業決策提供數據依據，并對農業生產設備進行遠程控制，通過手機端登錄微信平臺或者電腦端登錄云平臺遠程查看實時數據，實現農業生產智能化和智慧化。

系統整體設計結構如圖1所示[5]。

2" 系統實現

2.1" 硬件網絡拓撲結構

本研究使用PacketTracer軟件進行仿真，為了盡可能準確真實地模擬實際農業生產環境，建立硬件網絡拓撲結構如圖2所示。

模型選取溫度傳感器、土壤濕度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器形成終端感知層節點，定時采集農場各項環境參數，通過連接MCU單片機上報數據。MCU根據采集到的環境參數通過編程進行智能控制，控制連接在MCU上的執行器改變農場環境參數。以溫度控制器為例：當環境溫度低于10 ℃，啟動加熱器，關閉制冷器，實施升溫；當環境溫度高于18 ℃，關閉加熱器，啟動制冷器，實施降溫[6]。

網絡拓撲結構選用智慧農場網關、交換機以及無線接入點等建立傳輸層，IP地址規劃見表1[7]。

2.2" OneNet數據上傳及控制命令下發

在OneNet云平臺上選擇多協議接入，在TCP透傳選項中，添加一個TCP產品。在添加的產品下，創建4個設備，并在每個設備中創建各自的數據流模板，用來接收傳遞到OneNet云平臺上的溫度、濕度、光照、土壤濕度數據，并添加APIKey以及上傳腳本。以溫度控制器為例，使用python代碼在MCU上編程，通過realtcp模塊連接OneNet云平臺[8]，實現溫度數據的上報以及控制信息的接收。例如，當接收到“WarmOpen”指令，則打開加熱器；接收到“ColdOpen”，則打開制冷器。其代碼如下：

同理，我們在濕度控制器、土壤濕度控制器、光照控制器上編寫代碼，實現數據的上傳和控制命令的解析與執行。

通過OneNet云平臺上的應用管理，將接收到的環境數據進行可視化操作，將溫度、濕度、土壤濕度、光照強度數據綁定到常規圖表中的儀表盤上，將命令下發綁定到控制模塊的按鈕上，實現在云平臺上對農場環境數據的顯示和農場設備的遠程控制，如圖3所示。

2.3" 微信小程序設計

通過微信平臺提供的微信開發者工具，發送http請求到OneNet云平臺，獲取農場數據，通過按鈕觸發獲取操作，實現手機端也能夠實時查看農場的環境數據，核心代碼如下：

微信小程序前端界面設計如圖4所示，用戶通過點擊顯示環境數據按鈕，發送httpGET請求到OneNet云平臺，獲取到json數據格式的環境信息，解析后顯示在微信小程序界面上。

3" 系統測試驗證

3.1" 樹莓派硬件搭建

為了驗證該模型的可行性和有效性，選取樹莓派4B開發板作為模擬智慧農場的硬件平臺，選取土壤濕度傳感器搭配PCF8591模塊采集土壤濕度信息；DHT11溫濕度模塊采集農場溫濕度信息，通過連接樹莓派4B開發板，將采集到的環境數據通過http協議上傳到OneNet云平臺。硬件搭建連接如圖5所示。

3.2" 功能測試

在樹莓派上使用python進行編程，通過urllib2模塊，發送httpPOST請求到OneNet云平臺實現農場數據的上傳，以溫度數據上傳為例，代碼如下：

查看OneNet云平臺上的數據流展示，可以看到通過樹莓派采集到的溫度數據已經成功上傳到了云平臺上，如圖6所示。后期我們可以利用微信小程序進行數據獲取，實現手機端的數據共享。

4" 結束語

基于云平臺打造的低成本高效能智慧農場解決方案的關鍵優勢是借助免費的物聯網平臺和微信平臺，極大地降低了農業信息化的建設成本。這種模式不僅大大減少了初期投資門檻，降低了信息化建設的難度，同時可以充分利用已有的智能設備和通信平臺，使更多農業從業者能夠接觸和使用智慧農業技術。通過利用大數據分析和云存儲服務，進一步優化了農業生產流程，提升了整個農業生產鏈的價值，為中國大規模農戶群體提供一條可行的智慧農業發展路徑，不僅可以推動農業現代化，還有望帶動農業的全面信息化進程，助力傳統農業向智慧農業的轉變，實現農業生產的可持續發展和農民收入的穩步提高。

此外，該方案通過樹莓派模擬農場環境進行了系統的測試和驗證。通過模擬真實的農場環境，驗證系統的穩定性和可靠性。這為實際的智慧農場應用提供了有力的支持，確保了系統在實際操作中的可靠運行。美中不足的是，OneNet云平臺已經下架了視頻相關的sdk支持，無法將第三方網絡攝像頭接入云平臺，從而進一步降低智慧農場視頻監控系統的搭建成本。

參考文獻：

[1] 鄭大睿.我國智慧農業發展：現狀、問題與對策[J].農業經濟，2020（1）：12-14.

[2] 李大偉.智慧農業發展中成本控制研究[J].農業經濟，2021（11）：17-19.

[3] 張濤，樊振興，宋青存，等.一種基于LoRa+5G的低成本智慧農業物聯網系統[J].物聯網技術，2021，11（7）：93-96.

[4] 頓文濤，趙玉成，袁帥，等.基于物聯網的智慧農業發展與應用[J].農業網絡信息，2014（12）：9-12.

[5] 蔡鵬，盛曉雨，張霞.基于OneNET平臺的農業大棚環境監測系統[J].河南科技，2023，42（14）：25-30.

[6] 王永紅，王詩瑤.基于高階PacketTracer的溫室智能物聯網系統仿真研究[J].河南農業科學，2021，50（6）：156-162.

[7] 余振養.基于PacketTracer的溫濕度傳感器的實訓設計[J].現代信息科技，2020，4（20）：166-168，171.

[8] 余振養.基于OneNet和PacketTracer的智慧大棚控制系統研究[J].信息與電腦（理論版），2021，33（9）：141-144.