基于OneNET 物聯網開放平臺的智慧農業監測系統設計

劉萬元，黃連清，黃方連，宋俊慷

（廣西民族師范學院數理與電子信息工程學院，廣西崇左532200）

基于OneNET 物聯網開放平臺設計了一種為智慧農業提供數據監測服務的監測系統。其主要將物聯網技術、移動通信技術、傳感器技術以及計算機技術等各種先進技術融合，以農業溫室為單元，在分析農業溫室種植農作物對環境要素需求的基礎上，選取光照強度、溫度、濕度、二氧化碳濃度等環境數據作為監測對象，對農業溫室內前述環境數據進行實時監測，形成以農業生產者為主體，高效、集成的農業溫室環境數據監測系統，進而提升農業生產過程控制的智能化，為提高農業溫室種植作物產出的品質和產量提供必要的技術保障。系統通過環境數據變送器采集農業溫室內各種環境信息（光照強度、溫度、濕度、二氧化碳濃度等）[1]，以ModBus-RTU 協議為核心，在OneNET 物聯網開放平臺上部署產品（服務器）的同時開發監測界面，使用4G-DTU 傳輸模塊完成采集數據遠程傳輸工作。在數據被OneNET 物聯網開放平臺所部署的產品（服務器）成功接收并存儲后，用戶可通過個人PC 或智能手機登錄在OneNET 物聯網開放平臺開發的監測界面，實現對農業溫室內農業生產環境數據的實時監測。在系統總體方案設計的基礎上，從OneNET 物聯網開放平臺部署，4G 移動通信數據傳輸模塊配置和環境數據變送器設置3個方面進行系統設計過程的介紹。

1 系統總體方案設計

系統所采用集成多種數據傳感功能的環境數據變送器實現農業溫室內環境數據的采集工作，主要對光照強度、溫度、濕度、二氧化碳濃度等農業生產環境數據進行采集；以4G-DTU 傳輸模塊為核心，搭建環境數據變送器和OneNET 物聯網開放平臺的數據交互通路；在OneNET 物聯網開放平臺上通過部署產品（服務器）的同時開發監測界面來存儲和展示環境數據變送器所采集的農業溫室內光照強度、溫度、濕度、二氧化碳濃度等環境數據，為農業溫室管理者優化農業溫室內農作物生產環境數據的設定，從而為提高種植作物產量提供決策依據[2]。圖1所示為系統整體方案設計圖。

圖1 系統整體方案設計圖

2 OneNET 物聯網開放平臺部署

為了存儲環境數據變送器所采集上傳的農業溫室環境數據，需要對OneNET 物聯網開放平臺進行相應的部署，具體可分為創建產品、添加設備和配置數據流3 個步驟。

圖2 接入協議選擇

首先，登錄OneNET 物聯網開放平臺進入控制臺，在OneNET 產品目錄選擇“多協議接入”服務，并創建一個用于接收和存儲監測數據的產品，由于環境數據變送器是以ModBus-RTU 協議的應答幀格式發送采集數據的，因此在創建多協議接入服務的產品類型時需要選擇ModBus 協議接入，如圖2 所示。

產品創建成功后點擊進入該產品，并打開該產品的設備列表，使用“添加設備”功能為該產品添加設備。添加設備的過程中需要自行按需求輸入創建設備的“設備名稱”“DTU 序列號”和“DTU 密碼”，同時設置“數據保密性”，在此基礎上還可以對設備進行功能性描述，并設定設備的位置信息。添加新設備主要配置內容如圖3 所示。

圖3 添加新設備配置內容

圖4 添加采樣數據流配置內容

成功添加設備后需要在所添加的設備內部配置數據流，在設備列表的操作欄點擊與新添加設備對應的“數據流”選項，進入該設備數據流展示列表，并點擊“添加采樣數據流”為當前設備添加采樣數據流。在進行采樣數據流添加時需要對“數據流名稱”“采樣數據命令”和“數據周期”進行配置。具體配置內容如圖4 所示，其中“采樣數據命令”的配置要符合ModBus-RTU 詢問幀格式，并配合環境數據變送器封有裝監測數據的ModBus-RTU 應答幀的類型確定具體參數，數據處理公式可對上傳數據進行簡單的算術處理。

3 第四代移動通信數據傳輸模塊配置

4G-DTU 傳輸模塊是第四代移動通信數據傳輸模塊的簡稱，系統中該模塊主要實現環境數據變送器和OneNET 物聯網開放平臺之間的數據橋接工作，系統設計使用了山東有人物聯網公司USR-780G2 型4G-DTU 傳輸模塊，保證兩者能正常進行數據交互[3]。因此，環境數據變送器和OneNET 物聯網開放平臺要分別完成它們與4G-DTU 傳輸模塊之間數據通路的搭建。

4G-DTU 傳輸模塊和環境數據變送器之間只需要使用兩根線纜將兩者的RS485 接口進行連接即可；4G-DTU 傳輸模塊和OneNET 物聯網開放平臺之間的連接是建立在TCP 長鏈接的基礎上，通過設置登錄包和TCP 套接字實現的。在進行配置時需要4G-DTU 傳輸模塊使用RS232 串行通信接口與個人PC 進行連接，在個人PC 上運行專門的配置軟件實現對USR-780G2 型4G-DTU 傳輸模塊進行配置，具體配置信息如圖5 所示。

登陸包的內容關系到4G-DTU 傳輸模塊是否能正常與OneNET 物聯網開放平臺所部署的設備實現連接，因此這里對登陸包的具體內容進行說明。依據OneNET 物聯網開放平臺開發手冊，采用ModBus協議進行接入需要對登陸包進行專門的設置，根據之前的產品添加和設備創建信息，本系統的登陸包的具體內容如表1 所示。

4 環境數據變送器

圖5 4G-DTU 傳輸模塊配置

表1 OneNET 物聯網開放平臺ModBus 接入登陸包設置

圖6 環境數據變送器配置

環境數據變送器使用山東建大仁科公司生產的多氣象要素百葉盒型環境數據變送器，完成農業溫室內環境數據的采集工作[4]。在將新環境變送器投入使用之前，也需要對其相關參數進行配置。使用USB/485 轉換器將環境數據變送器與個人PC 進行連接，在個人PC 上運行相應的配置軟件對其進行配置，具體需要配置的參數如圖6 所示。

波特率參數要和4G-DTU 傳輸模塊的波特率參數一致，這樣才能保證環境數據變送器和4G-DTU 傳輸模塊之間通過RS485 總線承載Mod-Bus-RTU 協議進行通信[5]。從機地址要和OneNET 物聯網開放平臺采樣數據流中“采樣數據命令”的地址參數一致，確保OneNET 物聯網開放平臺通過其采樣數據流下發的數據采集命令能被環境數據變送器正確識別。在此基礎上，環境數據變送器以ModBus-RTU 應答幀的形式發送的環境數據能被OneNET 物聯網開放平臺的采樣數據流進行正確存儲、展示。

5 系統數據存儲與展示

正確完成上述過程后就完成了基于OneNET物聯網開放平臺的智慧農業監測系統的搭建工作，系統應用可以進入OneNET 物聯網開放平臺查詢已經上傳的監測數據。與此同時，可以使用OneNET 物聯網開放平臺的監測界面開發功能，開發WEB 監測界面實現對歷史監測數據的展示工作。OneNET 物聯網開放平臺所提供的監測界面開發工具以組件拖拽方式進行界面開發，組件可以很容易與后臺存儲的數據進行連接，實現數據展示的多樣化。數據展示界面如圖7 所示，系統的使用者可以使用個人PC 或者智能手機通過互聯網訪問監測界面，實現農業溫室內環境數據的實時監測。

圖7 數據展示界面