智慧農業(yè)環(huán)境數據采集與遠程控制系統設計

摘 要：結合智慧農業(yè)的發(fā)展需求，設計了一種智慧農業(yè)環(huán)境數據采集與遠程控制系統。該系統采用WSN+WiFi的開放式系統架構，將多個傳感器節(jié)點采集的數據實時傳輸到云平臺進行發(fā)布，用戶通過APP訪問區(qū)域內的環(huán)境數據并進行控制。制作了一臺原理樣機并完成了系統的功能驗證，具有較好的工程應用前景。

關鍵詞：智慧農業(yè)；WSN+WiFi；數據采集；環(huán)境感知；遠程控制；云平臺

中圖分類號：TP39；TN802 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-0-03

0 引 言

在傳統農業(yè)中，對于灌溉、施肥、噴藥等流程，農民全憑經驗和感覺。從傳統農業(yè)到現代農業(yè)轉變的過程中，農業(yè)信息化的發(fā)展大致經歷了電腦農業(yè)、數字農業(yè)、精準農業(yè)和智慧農業(yè)四個階段。智慧農業(yè)[1-3]指的是利用物聯網、人工智能等現代信息技術與傳統農業(yè)進行深度融合，實現農業(yè)生產全過程的信息感知、精準管理與智能控制的一種全新的農業(yè)生產方式，可實現農業(yè)的可視化診斷、遠程控制以及災害預警等功能。目前，我國農業(yè)正在從傳統農業(yè)向現代農業(yè)轉變。信息科技的高速發(fā)展將為現代智慧農業(yè)的發(fā)展提供強力的物質與科技支撐，智能化、網絡化、數字化已經成為新一輪農業(yè)基礎設施建設的主要特色[4]。

新一代信息技術是第四次工業(yè)革命的核心技術，信息技術需要和具體的產業(yè)應用相結合，如信息技術和傳統農業(yè)結合產生了智慧農業(yè)技術，信息技術的應用將大大推動傳統農業(yè)生產方式的變革。農業(yè)生產需要合適的環(huán)境，如溫度、濕度、光照等，利用信息技術可以實現對農業(yè)環(huán)境的實時感知與控制。本文結合智慧農業(yè)的發(fā)展需求，設計了一種智慧農業(yè)環(huán)境數據采集與遠程控制系統。該系統采用新型網絡化開放架構，將多個傳感器節(jié)點采集的數據實時傳輸到OneNET云平臺進行主題發(fā)布，用戶訂閱該主題后可以查詢到區(qū)域內環(huán)境數據并進行控制。

與傳統的數據采集和監(jiān)控系統相比，基于云平臺的智慧農業(yè)系統采用WSN+WiFi的開放式系統架構，即由分布在自由空間的一組“自治的”無線傳感器協作完成對特定區(qū)域農業(yè)環(huán)境的感知，將WSN獲取的農業(yè)環(huán)境數據發(fā)送給協調器，協調器通過WiFi接入互聯網，將環(huán)境數據發(fā)送到云平臺并進行發(fā)布；用戶可通過APP實時訪問農業(yè)環(huán)境數據并進行控制。該系統將WSN短距離通信與WiFi遠距離通信結合起來，成為一個開放式系統[5]。

1 多節(jié)點數據采集與遠程控制系統設計

1.1 系統總體設計

根據系統功能，智慧農業(yè)環(huán)境數據采集與遠程控制系統包括數據采集終端模塊[6]、區(qū)域無線自組網模塊、無線網絡通信模塊、云服務器平臺、用戶終端5個部分，如圖1所示。數據采集終端模塊包括農業(yè)生產環(huán)境相關的各種傳感器，如溫度數據采集終端、濕度數據采集終端和光照數據采集終端等，數據采集終端模塊通過ZigBee和網絡協調器連接，網絡協調器經無線網絡通信模塊接入互聯網，連接云平臺服務器。用戶終端通過APP訪問云平臺，實時獲取農業(yè)環(huán)境數據，系統通過環(huán)境控制設備對環(huán)境狀態(tài)進行控制。

（1）WSN+WiFi開放式系統架構

系統采用WSN+WiFi開放式系統架構，該架構具有以下特點：①WSN基于ZigBee協議棧進行無線組網，硬件成本低，能減少布線、施工的工作量，增加了現場組網的靈活性；②協調器通過WiFi模塊連接互聯網，基于MQTT協議將環(huán)境數據發(fā)送到云平臺，用戶通過訂閱即可訪問數據；③通過發(fā)布/訂閱方式使系統成為一個開放式系統，并可對訪問用戶進行控制。

（2）無線網絡通信模塊

無線網絡通信模塊將獲取到的環(huán)境信息通過內嵌TCP/IP協議棧的ESP8266模塊上傳給云平臺，使用4G/5G/WiFi等通信方式的設備都可接入。ESP8266的應用層采用MQTT通信協議，模塊出廠時已內置AT固件，波特率為115 200 b/s，可以進行AT指令操作。

（3）云服務平臺

系統采用OneNET作為云服務平臺，OneNET是由中國移動打造的PaaS物聯網開放平臺。平臺能夠幫助開發(fā)者輕松實現設備接入與連接，快速完成產品開發(fā)部署，為智能應用產品提供完善的物聯網解決方案。云平臺有用戶登錄識別功能，登錄成功的用戶通過Web端添加用戶的智能設備，如溫濕度傳感器、光照傳感器、溫度控制裝置、通風裝置和噴淋裝置等。云服務平臺將上傳的數據自動解析，得到當前農業(yè)環(huán)境信息，并自動顯示在云平臺上。用戶可以通過Web、移動手機端訪問云平臺上的環(huán)境信息，進而完成相關環(huán)境控制任務。

（4）用戶終端

系統設計了基于手機APP的用戶終端[7]，云平臺會將數據根據數據庫的規(guī)則引擎轉發(fā)給APP，使用戶能隨時查看農業(yè)環(huán)境的相關信息，云服務平臺也會將用戶下發(fā)的指令轉發(fā)給無線網絡通信模塊，方便用戶對農業(yè)環(huán)境終端設備進行控制。

1.2 硬件系統設計

圖2是系統硬件結構。系統包括采集控制終端和協調器，多個采集控制終端和協調器通過ZigBee網絡連接，組成了WSN網絡，協調器通過WiFi模塊ESP8266連接到OneNET云服務器。系統采用嵌入式STM32F103ZET6作為主控制器，環(huán)境傳感器包括農業(yè)環(huán)境所需的溫度、濕度、光照傳感器等；基于WSN網絡協議，協調器接收來自采集控制終端的環(huán)境數據，將環(huán)境數據上傳到OneNET。用戶可以通過APP訪問云服務器上的數據，進而對環(huán)境進行控制，STM32嵌入式MCU接收到用戶命令，驅動環(huán)境控制器對環(huán)境進行控制，如制冷/制熱、噴淋、照明等。

（1）主控制器。選用STM32F103ZET6作為主控制器[8]，該控制器是意法半導體公司推出的一款基于Cortex-M3架構的32位嵌入式MCU，內含串口、外部中斷、DMA控制器、定時器等片上資源，具有成本低、功耗低、框架成熟等優(yōu)點。

（2）環(huán)境傳感器。系統選用溫濕度傳感器DHT11、光照強度傳感器BH1750FVI等測量環(huán)境參數。DHT11是一款功耗非常低的單總線溫濕度傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，其信號輸出引腳和單片機的GPIO引腳相連。

（3）通信模塊。系統包括區(qū)域連接的WSN組網和互聯網連接的WiFi。WSN采用CC2530無線組網，其中ZigBee提供了一種支持低速率、低功耗、安全性和可靠性，而且經濟高效的標準型無線網絡解決方案。協調器采用ESP8266作為WiFi互聯網接入模塊，通過串口和STM32連接，STM32發(fā)送AT指令配置模塊工作在STA客戶端模式，將WiFi的名稱和密碼以及OneNET云平臺的服務器地址和端口號發(fā)送給ESP8266，使其能夠接入OneNET。

（4）環(huán)境控制器[9-10]。環(huán)境控制器用于對農業(yè)環(huán)境進行調節(jié)，根據設定的環(huán)境參數閾值，控制制冷/制熱、噴淋、照明等設備實現開啟/關閉，使農業(yè)環(huán)境符合作物生長的需要。

1.3 軟件系統設計

1.3.1 主程序流程設計

軟件流程如圖3所示，首先對系統模塊進行初始化，通信模塊初始化時，MCU通過AT指令，使通信模塊連接到互聯網，OneNET云平臺提供的TCP連接端口號為6002。與云服務器建立TCP連接后，將數據和主題等信息按照特定格式打包成MQTT協議包，通過TCP發(fā)送到MQTT服務器，MQTT服務器根據主題信息向訂閱了此主題的設備發(fā)送MQTT協議包，接收端按照規(guī)則解析協議包并提取數據。主程序每隔5 s完成一次組包并上傳至云平臺，系統接收并解析指令，構建發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)用來幫助實現數據的收發(fā)，最終完成終端設備與云平臺的通信。

1.3.2 用戶終端APP設計

在OneNET云平臺上建立和系統相關的產品和設備，系統中的終端設備和OneNET之間通過MQTT協議進行通信。當云平臺上建立的產品發(fā)布后，用戶登錄APP就可以對產品數據進行訪問。用戶終端為用戶提供人機交互界面，通過它可以實時查看環(huán)境數據，根據環(huán)境數據可自動/手動對環(huán)境狀態(tài)進行控制。

基于HBuilder軟件開發(fā)用戶終端APP界面，用戶可以使用云平臺提供的相關產品/設備信息，自定義展示的內容；然后基于Android或iOS平臺進行編譯，生成可執(zhí)行的APK文件。

2 系統實現與功能驗證

根據智慧農業(yè)環(huán)境數據采集與遠程控制系統的功能要求，開發(fā)了一臺原理樣機，如圖4所示。原理樣機包括環(huán)境數據采集器、環(huán)境控制器、OneNET云平臺、用戶終端應用APP。環(huán)境數據采集器采集溫濕度環(huán)境數據，將數據基于MQTT協議上傳至OneNET，用戶終端應用APP訪問OneNET并實時顯示環(huán)境數據，APP根據環(huán)境數據驅動環(huán)境控制器（LED燈模擬）工作。

用戶在OneNET云平臺上建立產品和設備，產品和設備有唯一的ID號，當環(huán)境終端通過ESP8266連接網絡和OneNET服務器以后，連接的設備將顯示在線狀態(tài)，如圖5所示。

打開在線設備數據流，可以看到與環(huán)境終端設備相關的數據，如溫濕度環(huán)境數據、環(huán)境控制器狀態(tài)數據，如圖6所示；數據也可同步顯示在用戶終端APP上，如圖7所示，用戶終端APP可驅動環(huán)境控制器工作。

3 結 語

智慧農業(yè)是未來農業(yè)的發(fā)展方向，信息技術的應用將有力地推動傳統農業(yè)生產方式的變革。本文設計了一種基于云平臺的智慧農業(yè)環(huán)境數據采集與遠程控制系統，該系統采用WSN+WiFi的開放式系統架構，即由分布在自由空間的一組“自治的”無線傳感器協作完成對特定區(qū)域農業(yè)環(huán)境的感知，通過WiFi模塊ESP8266將環(huán)境數據發(fā)送到云平臺，用戶可通過APP實時訪問農業(yè)環(huán)境數據并進行控制。完成了多節(jié)點數據采集與遠程控制系統設計，包括數據采集終端模塊、區(qū)域無線自組網模塊、無線網絡通信模塊、云服務器平臺、用戶終端5個部分。最后制作了一臺原理樣機并完成了系統的功能驗證。

注：本文通訊作者為楊會軍。

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