基于云平臺的智慧農業(yè)信息系統(tǒng)設計與實現

吳超 趙紅

摘要：智慧農業(yè)信息系統(tǒng)是由計算機、傳感器、通信模塊、控制模塊以及執(zhí)行機構組成的多輸入、多輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)。以STC15W4K56S4單片機為控制核心，Air724 4G為通信模塊，光照傳感器、二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器等組成信息采集系統(tǒng)，搭建了硬件平臺。基于MQTT協(xié)議開發(fā)軟件，將環(huán)境檢測數據上傳云平臺，設計了數據采集、信息處理、終端控制的信息系統(tǒng)，實現了數據的遠程檢測與控制。

關鍵詞：智慧農業(yè);云平臺;MQTT;Air724 4G

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）15-0117-03

我國是農業(yè)大國，鄉(xiāng)村振興是國家戰(zhàn)略。雖然信息化、智能化、自動化的現代農業(yè)耕種方式在我國正漸漸取代傳統(tǒng)勞動密集型、粗放式的種植方式，但農業(yè)精細化管理和自動化程度遠不及歐美、日本等發(fā)達國家。相較于美國從事農業(yè)人口僅占美國總人口3%的數據比例，我國農業(yè)設施智能化管理的普及顯得尤為重要。通過利用物聯(lián)網等信息技術遠程控制管理農業(yè)種植系統(tǒng)，不僅能大大節(jié)省人力物力，還能提高農作物的產量，進而促進農業(yè)科技發(fā)展的進步與創(chuàng)新，加快農村地區(qū)轉變發(fā)展方式[1]。

我國農業(yè)經歷了手動人工控制、自動化控制和智慧化控制三個階段[2]。智慧農業(yè)控制系統(tǒng)將手動人工與自動化控制相結合，實現了手動到自動、再到智能化控制的過渡[3]。智慧農業(yè)信息系統(tǒng)主要涉及對農業(yè)環(huán)境信息的檢測與控制，包括空氣溫度與濕度、土壤濕度、光照強度、空氣中二氧化碳的含量等信息的檢測。采用傳感器等設備采集數據和信息加以處理后，將處理好的信息上傳至上位機和云平臺，根據數據的變化對終端設備發(fā)出指令，改變農作物生長環(huán)境，形成“采集—處理—控制”的閉合控制系統(tǒng)[4，5]。

1 智慧農業(yè)信息系統(tǒng)總體設計

1.1 智慧農業(yè)信息系統(tǒng)總體結構

智慧農業(yè)信息系統(tǒng)包括軟件和硬件兩個方面，通過各種傳感器進行數據采集，通過物聯(lián)網云平臺遠程監(jiān)測傳感器監(jiān)測到的數據，并根據需求手動控制風扇與水泵開與關;通過OLED顯示屏顯示光照強度、空氣溫濕度、土壤濕度以及二氧化碳濃度等。

智慧農業(yè)信息系統(tǒng)總體架構如圖1所示，由計算機、傳感器、通信模塊、控制模塊以及執(zhí)行機構組成多輸入、多輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)。終端數據采集模塊為各種傳感器，數據通過通信模塊傳送至MQTT代理服務器，用戶通過客戶端軟件和移動客戶端可以查看數據和發(fā)出指令。

1.2 智慧農業(yè)信息系統(tǒng)角色設計

智慧農業(yè)信息系統(tǒng)的用戶角色分為四種，分別是系統(tǒng)總控管理員、分區(qū)管理員、系統(tǒng)運維人員、用戶。各類角色從事的工作不同，并擁有不同的系統(tǒng)管理權限，相互協(xié)調，分工明確，推進系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

1）系統(tǒng)總控管理員

系統(tǒng)總控管理員是整個智慧農業(yè)信息系統(tǒng)的總控制管理者，擁有系統(tǒng)所有的管理權限，負責統(tǒng)籌所有系統(tǒng)的管理工作，具有最高決定權與執(zhí)行權。系統(tǒng)總控管理員可以對分區(qū)管理員、系統(tǒng)運維人員以及用戶進行管理，同時可以根據系統(tǒng)的實際需要對其核心參數進行調整和適時優(yōu)化。

2）分區(qū)管理員

分區(qū)管理員是地位僅次于系統(tǒng)總控管理員的一個角色，主要負責某個地區(qū)的管理工作，起到連接總控管理員與用戶的一個橋梁作用。分區(qū)管理員既可以指導與輔助用戶的使用工作，也可以分擔系統(tǒng)總控管理員的地區(qū)管理工作，對其負責區(qū)域內的智能溫室系統(tǒng)進行參數調整與管理，實時查看所在區(qū)域溫室大棚的環(huán)境參數變化。

3）系統(tǒng)運維人員

系統(tǒng)運維人員是負責智能溫室內軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)的運行與維護，以及用戶后期的維護與維修工作，保障用戶的使用體驗。同時，系統(tǒng)運維人員也可輔助分區(qū)管理員對某地區(qū)的智慧農業(yè)信息系統(tǒng)更好運作。

4）用戶

用戶是智慧農業(yè)信息系統(tǒng)的客戶，直接使用智慧農業(yè)信息系統(tǒng)對環(huán)境參數進行遠程監(jiān)測與控制。

2 智慧農業(yè)信息系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計

2.1 數據傳輸過程

智慧農業(yè)信息系統(tǒng)的數據傳輸過程如圖2所示，光照、二氧化碳、溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器采集數據信息后，將數據信息通過代碼傳輸給STC15W4K56S4， STC15將傳感器采集的數據通過串口通信，在OLED顯示屏上顯示所采集數據的信息，STC15單片機與Air724 4G通信模組進行UART通信，STC15通過串口1發(fā)送到Air724 4G通信模組中，Air724 4G通信模組通過MQTT協(xié)議將檢測的數據上報至云平臺，云平臺實時顯示檢測到的動態(tài)數據，智能溫室用戶不用親臨現場，根據設置的環(huán)境參數，遠程控制打開或者關閉風扇與水泵。

2.2 硬件系統(tǒng)設計

根據數據與控制信息傳輸過程，設計了硬件系統(tǒng)，搭建了實驗平臺，如圖3所示。信息與數據處理器為STE15單片機，光照、二氧化碳、溫濕度的數據采集用三合一傳感器，土壤水分的檢測采用土壤水分傳感器，通信模組用Air724 4G，終端執(zhí)行機構有水泵和風扇。各模塊的連接關系如圖3所示。

2.3 光照二氧化碳溫濕度三合一傳感器

為實現農業(yè)環(huán)境的遠程監(jiān)測，使用集光照強度、空氣溫濕度以及二氧化碳濃度測量三合一的傳感器，輕巧便攜、功能強大，采用的485通信。該傳感器選用了集成三種功能一體的RS485環(huán)境監(jiān)測變送器，節(jié)點為從機模式，支持modbusRTU協(xié)議。選用成品環(huán)境變送器使我們只需要關注數據傳輸邏輯、數據解析而不需要過多考慮傳感器采集環(huán)境參數的具體實現過程和邏輯代碼，減少開發(fā)時間。

2.4 土壤水分傳感器

土壤溫水分傳感器是對農作物生長的土壤進行水分含量監(jiān)測，通過檢測的數據判斷是否需要控制水泵進行灌溉。該傳感器集成RS485通信協(xié)議，為從機模式，也支持modbusRTU協(xié)議。

2.5 Air724 4G通信模塊

4G通信技術全稱為第四代無線通信技術，4G通信技術比2G、3G更為先進，比5G更加成熟。4G通信技術不僅實現了單一終端向多元化終端的轉變，提高了各種數據傳輸的速度與效率，而且也使得通信的效能大幅度提升，兼容性比2G、3G高很多。

3 智慧農業(yè)信息系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設計

智慧農業(yè)信息系統(tǒng)利用C語言在Keil μVision5編程環(huán)境下編寫終端控制程序，利用MQTT傳輸協(xié)議連接終端硬件和云平臺，實現了系統(tǒng)的各項功能。

3.1 云平臺項目設置

新大陸云平臺是可以將光照強度、空氣溫濕度、土壤濕度以及二氧化碳濃度傳感器所測得的數值顯示，并控制風扇水泵等開關的一個物聯(lián)網云服務平臺。新大陸云平臺具有數據在線采集、數據處理、遠程調控以及預警信息發(fā)布等功能。如圖4所示，在云平臺新建項目，添加設備，并添加多個傳感器與執(zhí)行器。

3.2 控制系統(tǒng)開發(fā)

智慧農業(yè)信息系統(tǒng)利用C語言在Keil μVision5編程環(huán)境下編寫終端控制程序，利用MQTT傳輸協(xié)議連接終端硬件和云平臺，實現了系統(tǒng)的各項功能。

物聯(lián)網傳輸協(xié)議MQTT全稱為消息隊列遙測傳輸協(xié)議，是一種即時通信協(xié)議技術，具有簡單、輕量、開放和容易實現等優(yōu)點。MQTT協(xié)議連接溝通起Air724 4G通信模組與新大陸云平臺，在通訊過程中承擔三種角色，即發(fā)布者、代理（服務器）、訂閱者。Air724 4G通信模組通過MQTT協(xié)議將數據傳輸給新大陸云平臺，新大陸云平臺通過對所采集的數據進行分析和運算產生控制命令，再通過MQTT協(xié)議將控制命令傳輸給風機水泵以實現溫室的網絡化控制。基于MQTT協(xié)議的遠程控制數據的傳輸使農業(yè)信息系統(tǒng)的監(jiān)控面積得到延伸，實現分區(qū)化、大型化的管理，有力保障農業(yè)環(huán)境參數的自動采集、遠程監(jiān)測與控制等。

4 智慧農業(yè)信息系統(tǒng)功能實現

4.1 采集光照強度、二氧化碳濃度、空氣溫濕度

（1）采集光照強度

智慧農業(yè)信息控制系統(tǒng)測量農業(yè)大棚的光照強度，并將數據通過Air724 4G通信模塊上傳到新大陸云平臺，遠程監(jiān)控光照參數，并遠程控制可控節(jié)點執(zhí)行任務。根據設定閾值開啟日光燈來模擬增強光照強度或者關閉日光燈來模擬降低光照強度。

（2）采集二氧化碳含量

智慧農業(yè)信息控制系統(tǒng)檢測大棚內空氣中CO2的含量，并根據農作物的光合作用和呼吸狀況來調配最適宜農作物生長的二氧化碳的相對含量。

（3）采集大棚內空氣的溫濕度

智慧農業(yè)信息控制系統(tǒng)測量農作物生長環(huán)境的溫濕度并遠程監(jiān)控和遠程控制風扇開關。

4.2 采集土壤濕度

智慧農業(yè)信息系統(tǒng)測量土壤的濕度，當土壤濕度低于作物所需標準值，繼電器工作。在繼電器另一端添加微型水泵進行抽水功能，云平臺也可以自主控制繼電器工作，啟動電機澆水。當土壤濕度高于作物所需標準值，繼電器停止工作，停止?jié)菜．斖寥罎穸冉档偷讲焕谧魑锷L時，自動打開水閥灌溉。

4.3 OLED顯示屏顯示所采集數據

OLED顯示屏實時顯示農作物生長環(huán)境的光照強度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度以及土壤濕度所采集的數據。

4.4 新大陸云平臺遠程監(jiān)測與調控

新大陸云平臺實時顯示檢測動態(tài)數據，如圖5所示，云端遠程監(jiān)測與遠程控制，根據設置的環(huán)境參數，打開或者關閉風扇與水泵。

5 結語

智慧農業(yè)信息系統(tǒng)正在朝著集成化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，智慧農業(yè)將成為未來農業(yè)生產發(fā)展的趨勢，利用智能控制算法改善農作物生長環(huán)境，使農作物始終處于最優(yōu)的生長狀態(tài)。本文介紹了智慧農業(yè)信息系統(tǒng)的總體結構、軟硬件系統(tǒng)及實現的具體功能，利用各種傳感器采集數據，通過Air724 4G通信模塊將數據上傳新大陸云平臺;通過各種的智能控制開關，可自動實現澆水、通風等功能，實現了農業(yè)生產系統(tǒng)的智能化、精準化和網絡化。目前智慧農業(yè)信息系統(tǒng)從應用到實際的過程還有很多不足，從事相關農業(yè)技術研究工作的人員仍需進一步改進與完善。

參考文獻：

[1] 苑光明，王曼娜，丁承君，等.基于物聯(lián)網和霧計算的溫室智能感控系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2020，39（8）：110-113.

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[3] 孟凡宇.基于單片機的智能溫室大棚系統(tǒng)設計與實現[J].科技資訊，2020，18（3）：10-11，13.

[4] 朱斌.基于物聯(lián)網的智能溫室系統(tǒng)設計與實現[D].武漢：武漢輕工大學，2019.

[5] 鐘國榮，吳世海，鮑義東，等.基于物聯(lián)網技術的智能溫室大棚控制系統(tǒng)[J].電子技術與軟件工程，2019（8）：238.

【通聯(lián)編輯：梁書】