基于物聯(lián)網(wǎng)和Cat.1 模組的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

冉卓衡

（天津工業(yè)大學，天津 300387）

在實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與應用中，溫濕度、光照等環(huán)境參數(shù)都能對作物的生長品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。例如，當大棚內(nèi)溫度過高時，會引發(fā)作物“高溫不實”或“高溫逼熟”等熱害現(xiàn)象，而過低的溫度又會產(chǎn)生低溫冷害、凍害等現(xiàn)象[1]；如果溫室中的濕度長時間處于較高的狀態(tài)，則容易引起種植區(qū)域內(nèi)各種霉菌滋生[2]；而當日光不足時還會造成植被的寡照陰害[3]。因此，如果能在農(nóng)業(yè)應用場景中實現(xiàn)快速獲取環(huán)境中的反饋信息，并以此來及時地調(diào)節(jié)相應的環(huán)境參數(shù)，將對農(nóng)作物的種植與生長產(chǎn)生積極的影響。此外，隨著近年來傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)中的成熟應用，我國的農(nóng)業(yè)智能化水平也正逐步邁入發(fā)展的黃金時期[4-6]。

基于Cat.1 模組和物聯(lián)網(wǎng)云平臺構建了一套實用的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。Cat.1 模組可以無縫接入現(xiàn)有的LTE 網(wǎng)絡，實現(xiàn)高速率、低延時與低功耗地接收感知層采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。華為OceanBooster 云平臺不但能提供農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化服務，還可根據(jù)云平臺設置好的觸發(fā)規(guī)則，下發(fā)相應的控制命令給農(nóng)業(yè)設施，使農(nóng)業(yè)設施可跟隨大棚內(nèi)實時的環(huán)境參數(shù)自主地實現(xiàn)調(diào)節(jié)與開閉。在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與效率的同時，又可減少電能消耗，降低化學肥料與有害物質(zhì)的污染，具有較好的實用性和一定的環(huán)保性。

1 系統(tǒng)整體架構

該智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)由參數(shù)采集傳感器、功能執(zhí)行設備、數(shù)據(jù)可視化平臺、規(guī)則設置平臺、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收模塊等組成，各個模塊間的關系如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的結構框圖

系統(tǒng)內(nèi)的各個單元通過協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)智能化地監(jiān)測與調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的各項環(huán)境指標。在用戶端使用者還可通過手機及網(wǎng)頁瀏覽并設置相應的環(huán)境與控制信息，便捷地管理農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)作物的生產(chǎn)。采集端系統(tǒng)的主要硬件部分由通信模塊、顯示模塊、電源模塊、環(huán)境參數(shù)傳感器和調(diào)節(jié)控制模塊等組成，各部分關系的系統(tǒng)架構如圖2 所示。

圖2 采集端的系統(tǒng)架構

2 系統(tǒng)主要硬件組成

該系統(tǒng)基于Cortex-M4 內(nèi)核的STM32L431 低功耗系列微控制處理器開發(fā)，該處理器不但有著豐富的外設資源[7]，且工作頻率也高達80 MHz[8]。除了選用市面上常用的環(huán)境參數(shù)傳感器之外，該系統(tǒng)還通過Cat.1 模組與GSM 模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，使整個系統(tǒng)具有低功耗、低成本和易于使用的特點。

2.1 參數(shù)采集傳感器

2.1.1 光照傳感器

系統(tǒng)基于BH1750 傳感器內(nèi)置的16 位模數(shù)轉換器，通過IIC 協(xié)議可直接傳輸農(nóng)業(yè)環(huán)境中光照強度的數(shù)字信息，而不需要經(jīng)過復雜的計算[9]。傳感器的測量結果也可以通過光度計來直接地進行驗證，所測得光照強度的物理單位是lx（勒克斯）。

2.1.2 氣體傳感器

氣體監(jiān)測所使用的MQ-2 型傳感器是一款可識別多種氣體的探測器，其廣泛被應用于液化氣、苯、烷、酒精等氣體的探測。具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命長等優(yōu)勢[10]。當環(huán)境中的氣體濃度越大，傳感器的導電率就會變大，輸出電阻也隨之降低，最終使模擬信號的輸出增大，從而實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)環(huán)境中氣體參數(shù)的測量。

2.1.3 GPS定位模塊

該系統(tǒng)采用設計緊湊的Quectel L80-R 型定位模塊，其定位誤差最大僅為2.5 m。當種植區(qū)域內(nèi)部署有大量的智慧農(nóng)業(yè)采集端設備時，通過GPS 定位模塊即可實現(xiàn)智能設備的精準定位與搜尋。

2.1.4 溫濕度傳感器

農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中溫濕度的采集裝置為SHT30 型溫濕度傳感器，該傳感器基于IIC 總線通信模式，不但能夠提供極高的可靠性和出色的長期穩(wěn)定性[11]，還具有功耗低、反應快、抗干擾能力強等優(yōu)點[12]。所測得的數(shù)據(jù)以16 位傳輸，其所測濕度的換算公式為：

所測得溫度信號的換算公式為：

其中，SRH和ST表示傳感器輸出的濕度和溫度。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

感知層所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)LWM2M 協(xié)議，通過Quectel M26 GSM 模塊將光強信息、溫濕度信息、GPS定位信息和命令執(zhí)行結果等信息上傳，用戶可通過網(wǎng)頁端與手機端實現(xiàn)對大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的訪問與控制。

2.3 數(shù)據(jù)接收模塊

該系統(tǒng)的接收端采用Cat.1 模組實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。Cat.1 是4G 通信LTE 網(wǎng)絡下用戶終端類別的一個標準，其上、下行峰值速率分別為5 Mbit/s和10 Mbit/s[13]。盡管NB-IoT 在當下物聯(lián)網(wǎng)市場中發(fā)展迅速[14]，但其上、下行速率只有100 kbps，而Cat.1 在網(wǎng)絡覆蓋、速度和延時上均占有優(yōu)勢，因而非常適合在對性價比、時延性、覆蓋范圍、通信速度均有較高要求的智慧農(nóng)業(yè)場景中使用[15]。此外，相比于傳統(tǒng)的LTE Cat.4 模組，Cat.1 又有低成本、低功耗優(yōu)勢[16]。用戶在連接該模塊后，信號的質(zhì)量與附著情況可通過AT 指令查詢，所得的查詢結果如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)絡連接情況測試圖

如圖3 所示，使用AT 指令發(fā)送CGATT 與CPIN指令至模組后，所得的響應結果分別為1 和READY，表示Cat.1 模組的SIM 卡正常工作，并已經(jīng)正常附著網(wǎng)絡。此時可通過CSQ 指令進一步地查詢信號質(zhì)量與誤碼率，響應數(shù)值30 表示信號的傳輸質(zhì)量較好，誤碼率的數(shù)值為99，處于0～99 的正常范圍內(nèi)。參照指令的響應結果，可以得出此時Cat.1 模組已成功接入移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，且信號傳輸也較為穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)主要軟件設計

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的軟件組成部分主要有數(shù)據(jù)上傳程序、命令下發(fā)程序和物聯(lián)網(wǎng)云平臺三大部分組成。通過CoAP 通信協(xié)議，采集端可將傳感器的采集參數(shù)、設備工作的狀態(tài)等信息以數(shù)據(jù)報文的形式上報至云平臺。

3.1 數(shù)據(jù)上傳程序設計

在上傳數(shù)據(jù)前，首先需要在云平臺上進行設備注冊。在成功實現(xiàn)設備與物聯(lián)網(wǎng)之間的連接后，待下一次設備正常供電時，就可以基于定義好的業(yè)務邏輯實現(xiàn)環(huán)境信息采集、周期上傳數(shù)據(jù)、相關事件觸發(fā)等功能。數(shù)據(jù)的上傳程序流程圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)上傳程序流程圖

當系統(tǒng)接入網(wǎng)絡并完成了硬件與通信協(xié)議的初始化后，通信模組就會向平臺發(fā)送標識碼等設備信息以連接至物聯(lián)網(wǎng)平臺。當收到平臺下發(fā)的連接成功信息后，傳感器立即開始采集周圍的環(huán)境信息，并將采集完畢的就緒信號傳遞至云平臺。在收到并解析云平臺下發(fā)的JSON 格式的反饋信息后，設備就開始將采集的環(huán)境信息轉換成二進制數(shù)據(jù)并上報給云平臺。當云平臺收到數(shù)據(jù)成功上傳的報文后，一次完整的數(shù)據(jù)交互才能結束。

3.2 命令下發(fā)程序設計

在物聯(lián)網(wǎng)平臺中，用戶可通過虛擬開關控制真實的農(nóng)業(yè)設備。在接收到云平臺下發(fā)的命令后，設備中程序的運行過程如圖5 所示。

圖5 命令下發(fā)程序流程圖

當物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)控制命令后，設備在收到命令后會立刻返回ACK 響應信息。當云平臺成功接收到設備的反饋信息后，設備就開始執(zhí)行云平臺所要求的控制指令內(nèi)容，并發(fā)送相應的控制指令執(zhí)行結果到云平臺。最終物聯(lián)網(wǎng)云端會更新可視化界面中設備的當前狀態(tài)信息。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺設計

3.3.1 數(shù)據(jù)可視化應用

采集端所收集的環(huán)境溫濕度信息、位置信息和設備狀態(tài)信息可以被部署在華為OceanBooster 平臺中，并通過虛擬的儀表、地圖、折線圖等功能模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化展示。如在光照可視化圖表中，設備每采集一次光照數(shù)據(jù)，圖表中就會記錄一次當前時間設備所檢測的光照數(shù)據(jù)值，如圖6 所示。

圖6 可視化圖表效果圖

當采集到多個時間點的采集數(shù)據(jù)后，就會形成一條完整的可視化曲線，以供用戶掌握實時動態(tài)的環(huán)境變化信息。除可視化功能外，該平臺還支持控制命令的下發(fā)。在該系統(tǒng)中，既可實現(xiàn)手動控制模擬的LED 照明燈、風扇等農(nóng)業(yè)設施，也可在云平臺中建立控制規(guī)則，實現(xiàn)智能地控制農(nóng)業(yè)設施工作。

3.3.2 建立控制規(guī)則

傳感器所上傳的數(shù)據(jù)不但可以在云平臺實現(xiàn)可視化，還可通過建立如圖7 所示的控制規(guī)則，以命令下發(fā)的方式來智能地調(diào)節(jié)與控制聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)設施。

圖7 建立控制規(guī)則示意圖

該系統(tǒng)中所設置的規(guī)則依據(jù)所處的環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)了對模擬風扇開閉、模擬農(nóng)業(yè)補光燈開關、煙霧報警等設施的自動控制。具體的參數(shù)干預閾值可根據(jù)農(nóng)業(yè)場景中大棚內(nèi)的實際情況而定，且隨著季節(jié)的變化應做出相應調(diào)整。同時，還可將同一套規(guī)則運用至多個智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)設施整體調(diào)控一致的效果。

4 系統(tǒng)測試結果

將設備與模組連接電源后，傳感器的數(shù)據(jù)采集與云平臺的數(shù)據(jù)可視均工作正常。經(jīng)測試，手動向云平臺發(fā)送設備控制命令后，相關命令均被模擬農(nóng)業(yè)設施成功執(zhí)行，云平臺中所建立的規(guī)則均成功實現(xiàn)其預設的功能。如當向溫濕度傳感器呼氣時，模擬風扇則會轉動；當空氣中的煙霧含量過高時，蜂鳴器報警裝置立即鳴響；當用手遮擋光照傳感器時，模擬農(nóng)業(yè)LED 燈的自動補光作業(yè)就會啟動。光照傳感器被遮擋前后的系統(tǒng)測試結果如圖8(a)和(b)所示。

圖8 系統(tǒng)實物測試圖

此外，用戶還可瀏覽云平臺中傳感器所上傳的歷史數(shù)據(jù)，并基于相關數(shù)據(jù)手動或自動地修改大批量系統(tǒng)的控制參數(shù)，在節(jié)省人力物力的同時，達到增量增產(chǎn)的目的。同時用戶還可通過瀏覽云平臺中的報表、告警及上傳時間等信息，使用分析軟件或數(shù)學分析方法對本地歷史數(shù)據(jù)加以整理與處理，以更合理地設置傳感器與控制規(guī)則，實現(xiàn)調(diào)控機制的進一步優(yōu)化與改進。

5 結論

文中基于Cat.1 模組和物聯(lián)網(wǎng)云平臺設計了一款新型的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但可通過Cat.1模組低延時地傳輸不同類型傳感器所采集的環(huán)境信息，還可依托云平臺中所設置的規(guī)則，智能地調(diào)節(jié)和控制農(nóng)業(yè)設施運行，營造有利于農(nóng)作物生長的環(huán)境，進而達到增產(chǎn)增收的目的。經(jīng)測試，該系統(tǒng)實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)設施調(diào)控的自動化與設備采集參數(shù)的可視化，滿足了智慧農(nóng)業(yè)場景中數(shù)據(jù)傳輸所需的穩(wěn)定性與實時性，符合我國當下農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的時代發(fā)展要求，在未來有著廣闊的市場前景與應用價值。