基于OneNET云平臺的遠程監控智能灌溉節水系統①

李思佳 賀福強 張明月 何 昊

（貴州大學機械工程學院 貴州貴陽550025）

一種農業智能灌溉節水系統，可遠程監控現場環境的空氣溫濕度、土壤濕度以及通過云端傳輸數據分析，可以自動控制內部環境參數、施肥澆灌等設備［1］；同時，還可以通過手機、串口、計算機等用戶終端向管理者推送動態監測信息，通過分析采集信息來控制灌溉量［2］。終端多樣化提供了更大的便利，實現農作物現場環境的信息化、智能化遠程監測，其主要是依靠信息感知技術、網絡通信技術、自動控制技術等先進技術。本設計通過WiFi通訊技術，基于由中國移動開發的OneNET物聯網云平臺［3］對智能農業灌溉節水系統進行研究，該系統以PC為下位機，以OneNET為應用平臺終端，在可控范圍內減少灌溉用水的浪費，可大量減少人工成本，實現無人值守、精準調控的環境，達到高效節水［4］。

1 總體方案設計

本系統由5部分構成，分別為硬件設備、微控制器模塊、被控模塊、無線WiFi通訊模塊、物聯網云服務器等，該設計是根據農產品溫濕度信息實現實時執行的自動化灌溉。圖1為系統方案設計框架。

圖1 系統方案設計框架

傳感器通過無線傳感器網絡作為農業信息感知硬件設備，將結果提供給生產者，主要用于采集和獲取各種農業資源信息，比如種植業中的溫濕度和土壤濕度等參數。將采集到的數據上傳到以STC12C5A60S2為主控芯片的微控制器模塊。可將路由器熱點通過WiFi無線模塊進行連接，實現數據和主控芯片之間的通訊。可通過路由器的中轉上傳數據，傳輸到遠端云服務器后，采用OneNET平臺進行數據的處理和存儲，從而使農業管理員能夠通過網絡對農作物進行數據存儲和分析決策，下達命令對作為智能灌溉系統被控終端的繼電器開關、LED燈光照明進行反饋數據并控制。

2 硬件設計

2.1 OneNET云服務器

OneNET作為一個PaaS物聯網開放平臺，能夠幫助開發者輕松實現設備與設備連接，通過多種環境監控傳感器設備介入環境監控平臺，實現海量數據并發接入，保證傳感器數據采集的安全性與穩定性。同時，還可以準確及詳盡地歸檔，獲取時間序列化的數據，并有效解決設備控制命令下行和實時通知消息推送，以及實時傳輸和路由等問題［5］。OneNET平臺作為一個媒介，以多功能為主導，可以看到通過多個傳感器所采集到的信息。因此，云服務平臺最好的選擇就是OneNET。

2.2 WiFi通信模塊

本次設計選用了ESP8266的AP+Station，ESP8266是一款超低功耗的WiFi透傳模塊［6］，可實現互聯網或局域網的通信。工作時傳輸性能穩定、傳 輸 距 離 遠［7］。圖2為WiFi-ESP8266工 作原理。

WiFi模塊是由編碼模塊和高頻發射模塊組成，編碼模塊是具有遠程管理功能，支持遠程參數設置。高頻發射模塊可以采集串口設備數據，通信功能是將TTL電平轉為符合WiFi無線通信網絡標準的嵌入式模塊，通過異步收發器（UATR）接口連接到設備上。STC12C5A60S2和ESP8266之間的通信主要是通過STC12C5A60S2上的P0.0與端口TXD，STC12C5A60S2上的P0.1與ESP8266端口RXD之間的數據交換來完成，其中RXD屬于串行數據接收端口，TXD屬于串行數據發送端口［8］。

圖2 WiFi-ESP8266的原理

2.3 微控制器模塊

單片機其CPU可以對其I/O端口直接進行操作，位控能力更是無法比擬的。還可以用于各種物理量的采集與控制。選擇單片機作為本系統的主控元件，因為單片機是為了滿足工業控制而設計的，控制功能特別強，且成本低數據采集方便靈活，更加適合本文設計的主控芯片。

根據功能作用，本設計采用STC12C5A60S2［9］作為系統設計核心，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，可當作2路D/A使用，芯片的電路設計和軟件設計都特別方便，匯編程序也比較簡單。

2.4 傳感器模塊

傳感器模塊包括溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器［10］。圖3為空氣溫濕度測量電路圖。考慮性能和測試結果準確等，選擇DHT11溫濕度傳感器。DHT11數字傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接［11］。該傳感器容易受多方面因素影響，但DHT11是一個穩定性很高的溫濕度傳感器，響應時間短也滿足本設計實時性的要求。

圖3 溫濕度測量電路圖

土壤濕度傳感器又稱為土壤水分傳感器，主要用來測量土壤相對含水量，也就是指土壤含水量占田間持水量的百分數，不同農作物的相對含水量有所不同。其優點是土壤濕度傳感器測量精度高，性能強，響應速度極快，數據傳輸效率高，在本系統中有著不可缺少的重要性。采用FDR頻域反射原理，利用電磁波在介質中傳波頻率來測量土壤介電常數［12］。因為要長期埋在土壤里，所以由不銹鋼針和防水探頭構成，對表層和深層土壤進行定點監測和在線監測。工作原理是當傳感器插入土壤后，輸出電壓隨著土壤濕度升高而增大，本設計采用的是叉型設計，方便插入土壤。傳感器探頭a、b是由長160 mm、直徑為5 mm的兩根不銹鋼棒制成，相間55 mm。圖4是土壤濕度測量電路。

2.5 系統澆灌模塊

圖4 土壤濕度測量電路

系統澆灌模塊是該設計的重要組成部分，所謂智能灌溉，就必須要有著自動灌溉的能力，通過數據分析何時應該打開水泵開始灌溉，何時應該關閉水泵停止灌溉。臥式潛水泵是潛水泵的一種，其優點體積小、攜帶方便，可以廣泛應用到農業中去［13］。主要用于農田灌溉及高山區人畜用水。但是在現實中卻要考慮自然因素的影響，水泵的工作環境有：（1）額定電壓為110V，最高電壓137V，最低電壓77V；（2）在240 KPa的氣壓下保壓1 min不會存在漏氣。水泵電路見圖5。本設計中，水泵模塊的電壓是5 V，用LED指示燈來判定水泵是否正常工作。

圖5 水泵電路

2.6 電源轉換電路模塊

本設計的電源都是采用5 V的直流電源，但該電源的有2個接口［14］，一個適用于5 V電壓，一個適用于3.3 V電壓，便于適合多個設備供電。5 V轉3.3 V穩壓電路見圖6。USB直流電源直接供電，為了使電源電路設計能夠更加的方便，采用了電腦適配器USB接口直接接入電源，而且它的成本也是相對較低的。保證電源穩定在5 V輸出，使系統更加穩定，通過紅LED燈亮可以清晰看出電源已經供電。USB供電接口見圖7。

通過這些不同的元器件的組合，設計的基于WiFi技術的智能灌溉系統得以實現，各個元器件都有著不同的功能，缺一不可，將各個元器件連接起來，形成一個總的控制系統，在設計總體電路圖時，通過電源模塊給整個電路通電，然后通過ESP8266各引腳的作用，分別連接LED燈、水泵模塊、溫度傳感器模塊等，目的就是為了通過WiFi模塊的控制，代碼的編寫，串聯起各個模塊，來實現基于WiFi組網技術的智能灌溉系統。

圖6 5V轉3.3V穩壓電路F

圖7 USB供電接口

3 軟件設計

3.1 WiFi傳輸程序設計

WiFi傳輸程序設計分為3個部分。首先，初始化。每次在云平臺上觀察到設備狀態為“離線”時，說明未連接該無線網絡，需要重新配置，正確輸入WiFi名稱和WiFi密碼。其次，掃描網絡。看到接收和發送的數字不斷在變化，說明連接成功，判斷是否有農業傳感網絡節點數據上傳到上位機，倘若有則建立起信道傳輸渠道，沒有則繼續連接。

單片機在上電后，進行系列的初始化，用TTL接口加入指定的WiFi網絡，將各個傳感器采集到的數據發送給接口。建立WiFi網絡，然后和其進行通信。當找到合適的WiFi網絡時，傳感器把采集到的數據通信到上位機和OneNET云平臺，若達不到環境參數的標準值，則會對相關數據進行處理，判斷是否為自動模式，再反饋到被控設備，并進行反應。系統軟件的工作流程見圖8。

圖8 系統工作流程

3.2 PC上位機設計

PC上位機即智能灌溉節水系統管理軟件，可以直接發出指令操控整個系統，軟件界面顯示溫濕度信號的實時狀態變化及各個灌溉閥門執行按鈕，擔任著灌溉部分對各濕度傳感器的遠程管理工作，是整個灌溉系統的樞紐［15］。本設計采用的是51單片機的增強型STC12C5A60S2芯片，開發環境是Keilu Vision4 C51軟件，是如今嵌入式常用的開發環境，支持C/C++語言開發，而且C語言編輯效率很高。根據窗口界面的設置參數，找到對應的正確端口數，設置好波特率，來設置串口類的各個參數。圖9為未連接時串口示意圖。智能灌溉節水系統上位機軟件界面主要包括串口傳輸、接收信息、發送信息以及數據存儲模塊。監測人員通過上位機給系統發出控制指令，保證各模塊正常運行。

圖9 未連接時串口示意圖

4 系統測試

4.1 實時信息界面

將程序下載到單片機后，給系統上電。在連接好所有設備后便打開串口進行調試，在串口調試成功后，顯示連接成功，可以在串口工具上看見溫度、土壤濕度、光照強度等數據的信息。為了更智能的設計，在串口工具上設置了主動和手動2個模式。為了根據不同的環境，設定了閾值。圖10為連接成功后串口顯示圖。

圖10 連接成功后串口顯示圖

4.2 遠程監控界面

遠程監控界面主要根據OneNet提供的網頁編輯來進行設計。在網頁上可以手動選擇想要了解的農作物的信息，可以觀察到OneNET云平臺的應用界面上與PC上位機的控件相一致，隨時監測農作物實時狀態，如監測4種不同農作物，并在該界面上清楚地看到不同農作物的環境參數變化。圖11為OneNET用戶遠程控制界面。

4.3 開關控制驗證

遠端設備控制部分的狀態可以通過按鈕實時地反映出來，見圖12。當開啟水泵時，按鈕的紅燈就會亮起，而紅燈滅時為關閉狀態。當自動模式時，按鈕的綠燈就會亮起，綠燈滅時為手動模式。從PC上位機和OneNET平臺網頁端來看，經過多次試驗發現，按鈕改變狀態到設備有1 s延時，實際情況還要依據網速而定。

5 總結

圖11 用戶遠程控制界面

圖12 用戶控制窗口

本設計以STC12C5A60S2為核心，利用ESP8266和OneNET云平臺的特性，設計一套基于WiFi技術和物聯網感應的智能農業實時監控系統。通過采集多種傳感器檢測到的數據，上傳到OneNET云平臺中，上傳實時數據，可以讓用戶隨時看到參數數據，監控整個農業環境，實現農業灌溉的自動化。經過測試，本系統解決了傳統灌溉水資源浪費大、穩定性差的問題，整個系統符合實用性、開放性、方便性等設計原則，極大優化了水資源的調配。