基于傳感和互聯技術的智慧鄉(xiāng)村綜合信息監(jiān)管系統研發(fā)

張文彪，何亮，張俊輝，崔孟凱，胡安正，陳傳亮

（湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著物聯網和信息科技迅猛發(fā)展，人類社會已邁入了移動物聯網時代，無線通信、圖像傳輸等技術都得到了迅猛發(fā)展，各種技術在人們的日常生活中得到了廣泛的應用。如何將攝像頭的無線圖傳、無線通信等物理原理及相關技術應用于美麗鄉(xiāng)村，已經成為研究的熱點之一。在獲取準確的環(huán)境信息、無線信息傳輸等方面，仍存在許多待探討的物理原理和急需解決的技術問題。對此，本項目設計了一種基于5G、無線傳感和互聯等新技術的智慧鄉(xiāng)村綜合信息監(jiān)管系統。

1 信息監(jiān)管系統總體設計思路

該智能鄉(xiāng)村管理系統的整體構想主要包括以STM32F103RCT6 單片機作為主體平臺。通過RM500U-CN 5G 全網通無線透傳模組進行遠程雙向通信，將傳感器模塊采集到的數據進行匯總整理上傳到阿里云IOT 物聯網平臺、遠程遙控和手機APP。同時，攝像頭OV7670 每隔一段時間采集一幀圖片，并通過RM500U-CN 模塊傳輸到遠程上位機，實現多平臺智能化管理鄉(xiāng)村。主體平臺部分采用STM32F103RCT6 作為主控處理器，基于土壤檢測模塊、熒光法溶解氧傳感器等多種模塊，利用5G、物聯網、無線圖像傳輸等技術，來實現以下功能：土壤酸堿度、土壤濕度、水位、水質、溫濕度等情況的監(jiān)測、空氣質量監(jiān)測、實時查看作物生長情況、APP 提醒、手機短信通知等。此外，系統支持多個鄉(xiāng)村的數據共享，并通過多個RM500U-CN 模塊進行組網，符合當前互聯網萬物互聯的趨勢[1]。

圖1 系統總體方案框圖

2 監(jiān)管系統的結構組成、工作原理介紹

■2.1 MCU 主控模塊

本次選用的微控制器是意法半導體公司生產的STM32F103RCT6。這款控制芯片的內核規(guī)格為32 位，主頻頻率72MHz，程序的內存類型為flash，具有256KB 的閃存存儲器，以及48KB 的SRAM 隨機存儲器。該單片機還配備了3 個12 位模數轉換器，轉換時間僅為1μs，可支持多達21 個輸入通道。此外，該單片機還擁有2 個12 位D/A 轉換器、112 個快速I/O 口、11 個定時器和13 個通信接口，其中包括2 個I2C 接口、SPI 接口、3 個USART 接口、一個USB 接口和一個CAN 接口。支持三種低功耗模式，可以在低功耗，短啟動，多種喚醒模式下尋找平衡。在用戶沒有需求時，切換到低功耗模式，用戶若需要查看數據，可遠程喚醒單片機進行工作。

■2.2 攝像頭成像原理及運用

景物通過 Lens 生成的光學圖像投射到 sensor 表面上， 經過光電轉換為模擬電信號， 消噪聲后經過 A/D 轉換后變?yōu)閿底謭D像信號，再送到數字信號處理芯片（DSP）中加工處理（DSP 芯片中會有ISP-圖像信號處理器、JPEG encoder-JPEG 圖像解碼器等）[1]。所以，從 sensor 端過來的圖像是 Bayer 圖像，經過黑電平補償（black level compensation）、鏡頭矯正（lens shading correction）、壞像素矯正（bad pixel correction）、顏色插值 （demosaic）、Bayer 噪聲去除、 白平衡（ awb） 矯正、色彩矯正（color correction） 、 gamma 矯正、色彩空間轉換（RGB 轉換為 YUV）、在 YUV 色彩空間上彩噪去除與邊緣加強、色彩與對比度加強，中間還要進行自動曝光控制等，然后輸出 YUV（或者 RGB）格式的數據，再通過I/O接口傳輸到CPU 中處理。

圖2 攝像頭模組

該方案采用攝像頭OV7670，采集附近農作物圖像，由STM32F103RCT6 單片機將攝像頭OV7670 采集的農作物的圖像每隔一段時間傳給RM500U-CN 模塊，然后由RM500U-CN 模塊將圖像傳給上位機，供用戶查看農作物生長情況。

■2.3 土壤檢測模塊

土壤檢測模塊是一種多合一傳感器，可測量土壤PH、EC、溫濕度、二氧化碳濃度、光照度、空氣溫濕度。探針選用奧氏體不銹鋼材料制作，具有良好的防銹、耐電解、耐腐蝕特點，適合各種土質。探針與機體之間使用高密度環(huán)氧樹脂，高溫真空澆灌，可有效阻止水分進入機體內部。線纜加粗，抗干擾能力強，信號傳輸更穩(wěn)定。

■2.4 熒光法溶解氧傳感器模塊

熒光法溶解氧傳感器（如圖3 所示）無需更換膜片、頻繁校準，長期免維護、使用安裝方便、反應靈敏，適用于工業(yè)水質檢測、水產養(yǎng)殖監(jiān)測、江河湖海水質參數監(jiān)測等維護不便利且需要長期監(jiān)測的場景。

圖3 熒光法溶解氧傳感器實物圖

3 系統軟件設計

■3.1 軟件設計總體方案

本此項目將傳感器模塊，攝像頭OV7670 采集到的數據進行匯總整理上傳到阿里云IOT 物聯網平臺、遠程遙控和手機APP，在系統運行過程中，主RM500U 模塊接收到來自鄉(xiāng)村的其他RM500U 模塊的綜合信息，單片機對其信息進行匯總整理后，通過ESP8266 與手機APP 建立連接，進行數據傳輸，手機APP 能夠及時顯示平臺反饋的信息。圖4 為系統軟件設計總體方案。

圖4 系統軟件設計方案

■3.2 RM500U-CN 模塊數據傳輸

STM32 控制器將處理好的農作物生長環(huán)境數據通過串口與RM500U-CN 模塊（如圖5 所示）建立連接，由RM500U-CN 進行TCP 數據透傳。由于傳輸的數據的種類數量較多，所以需要通過軟件算法對丟包、信息準確度一般等問題進行解決與優(yōu)化后，將數據發(fā)送到遙控器和阿里云、原子云平臺，用戶可在阿里云、原子云平臺查看到以往數據以及數據發(fā)展趨勢[2]。RM500U-CN 模塊支持移動 5G、聯通 5G 和電信 5G 手機卡，進行網絡傳輸，傳輸距離不受限制，同時支持發(fā)送短信。相比于傳統5G 模組，不用去配置復雜的AT指令，使用移動網絡與服務器建立連接，在微信小程序、手機APP 中查看數據。

圖5 RM500U-CN 模塊

■3.3 無線遙控

遠程遙控由STM32F103RCT6 單片機、STM32 是通過串口連接上RM500U-CN 模塊、OLED 屏組成，可查看各地作物生長環(huán)境數據，下發(fā)具體的指令。RM500U-CN 模塊接收到多個數據采集點的RM500U-CN 模塊傳輸的多個數據，對數據進行分類解析，并且對預警數據賦予優(yōu)先級，用戶依次下發(fā)對應指令。如熒光法溶解氧傳感器模塊檢測到鄉(xiāng)村某處魚塘的含氧量低于設定閾值，則會通過魚塘的RM500UCN 模塊向管理系統發(fā)出預警信息，提示用戶開啟魚塘增氧泵，用戶則通過遙控的按鍵切換OLED 菜單，選擇不同的模式，來開啟對應魚塘的增氧泵。土壤檢測模塊檢測到蔬菜大棚的溫度低于設定閾值，也是通過大棚內RM500U-CN模塊向管理系統發(fā)出預警信息，用戶接收到信息后，下達開啟對應大棚的暖氣系統。鄉(xiāng)村農業(yè)通過多個RM500U-CN模塊進行組網，實現多路連接，完全獨立，互不影響，管理系統主機自動下發(fā)指令，各地從機返回有效數據，減少了開發(fā)周期，減少服務器查詢壓力，實現了鄉(xiāng)村的智能化管理。遠程遙控程序設計框圖如圖6 所示。

圖6 無線遙控程序設計框圖

■3.4 阿里云IOT 物聯網平臺的連接

利用MQTT 協議接入阿里云，MQTT 是基于TCP/IP 協議棧構建的異步通信消息協議，是一種輕量級的發(fā)布、訂閱信息傳輸協議。可在不可靠的網絡環(huán)境中進行擴展，適用于設備硬件存儲空間或網絡帶寬有限的使用場景，使用MQTT協議，消息發(fā)送者與接收者不受時間和空間的限制。利用阿里云IOT 創(chuàng)建物聯網設備，獲取該設備三元組，將STM32單片機通過ESP8266 接入互聯網，移植阿里云提供的函數文件，替換連接使用的三元組，驗證是否連接成功，將數據節(jié)點與對應的回調函數綁定，編寫用戶控制函數，測試投入使用[3]。阿里云提供了與物聯網平臺相對接的網頁應用，用戶可以通過在編輯器上進行綁定設備，通過拖拽組件到畫布上進行配置樣式、數據源和交互動作等，即通過圖形可視化的方式進行手機相關應用和WEB 的開發(fā)。設備端通過訂閱云服務器，云服務器接收到APP 或Web 消息后推送至訂閱它的設備端，設備端也可以通過MQTT 協議發(fā)布屬性到服務器，這樣訂閱這個設備的應用就會收到服務器的推送，將數據進行解析后顯示在APP 上。在統計頁面中，系統統計了一個月內蔬菜大棚內溫度等數據，并繪制成曲線圖形式（如圖7 所示），用戶在使用過程中可以明顯觀察到變化規(guī)律并更改設定的閾值，來實現智能化管理控制。

圖7 阿里云web 頁面統計圖

■3.5 智能管理系統配套手機APP

手機APP 采用的是機智云平臺的APP，首先是數據點的創(chuàng)建，自定義數據點，含有功能說明意義的顯示名稱，如：開關、溫度，濕度，預警，故障等。使用標識名用來區(qū)分不同功能的數據點，方便系統區(qū)分不同的數據信息，常在用戶端和云平臺開發(fā)時進行使用。命名方式也是根據開發(fā)語言變量名命名制而制定的，通常是由英文字母、數字和下劃線組成，開頭只能是英文字母。智能化鄉(xiāng)村管理系統對農業(yè)進行智能管理，利用手機APP 設置目標溫度、濕度、氧氣含量，設置報警閾值的一個智能監(jiān)控系統。應用開發(fā)，根據用戶所使用的平臺，選擇所需要的平臺源碼，可以自動生成APP 的源碼，打包后便可直接安裝到手機上運行。也可以在源碼的基礎上修改，通過自己的創(chuàng)意來設計APP，從而達到更好的效果。MCU 開發(fā)，機智云平臺可以根據選定的硬件平臺，以及方案類型，生成MCU 在開發(fā)過程中所需要的代碼，實現機智云平臺與MCU 的快速接入。因此可以跳過通訊協議，通過移植生成的源碼便可快速開發(fā)硬件程序。手機APP 界面如圖8 所示，系統實物圖如圖9 所示。

圖8 手機APP 界面

圖9 系統實物圖

4 結束語

鄉(xiāng)村振興是黨中央提出的戰(zhàn)略，鄉(xiāng)村農田的土壤酸堿度、土壤商情、水位、水質、溫濕度和空氣質量等綜合信息的智能化監(jiān)測和管理是實現智慧鄉(xiāng)村和農業(yè)現代化的重要基礎。本項目基于5G 技術、傳感器技術和物聯網技術的鄉(xiāng)村綜合信息監(jiān)管系統研發(fā)，使鄉(xiāng)村管理者和戶主不受時間、空間等條件的限制，實現足不出戶就能對農作物的生長狀況等鄉(xiāng)村重要農業(yè)生產信息進行綜合監(jiān)管。在本研究的基礎上，未來的發(fā)展方向將集中在智慧鄉(xiāng)村環(huán)境信息智能化管理系統的構建上。這一系統將進一步提高鄉(xiāng)村管理者和戶主對農業(yè)生產信息的可視化監(jiān)管能力，同時也為鄉(xiāng)村的可持續(xù)發(fā)展提供更多機會。