基于農業物聯網的特早熟黃花菜智慧管理系統

盛曉雨，蔡 鵬，鄭世玲，張 霞*

（1. 聊城大學物理科學與信息工程學院，聊城 252000；2. 山東省光通信科學與技術重點實驗室，聊城 252000）

0 引言

近年來，隨著物聯網、5G 通信等技術的飛速發展以及專家學者的深入研究，國內外涌現出許多與農業物聯網相關的新技術，拓寬了物聯網在現代農業中的應用［1］。比如美國應用“5S 技術”、智能化農機技術等形成了農業精細化、規?；l展的智慧農業生產線系統［2］；我國應用傳感器技術以及ZigBee、Wi-Fi、NB-IoT等網絡通信技術，將環境監測設備從互聯網單點設備逐步轉變成多元化設備平臺［3］。但當前國內農業智慧化覆蓋程度不夠廣泛且相關硬件設備成本較高，導致在農業生產采集過程中，一些農作物種植管理還是人工操作。一方面，生產過程對溫濕度等數據的把控要靠農民本身的經驗或對相關數據進行逐一采集來判斷作物所處環境的信息，缺乏準確性與權威性；另一方面，通風、灌溉等設施需要人力啟動，耗費大量的人力物力，工作量大［4］。急需構建智慧農業管理系統，借助大數據平臺進行農業數據的收集、分析以及環境的改善，以實現現代農業的提質增效增產［5］。其中，陳玉［6］搭建的智慧茶園云管理平臺采用Spring Cloud 架構完成，可實現對茶葉大棚的環境監測以及精準控制管理；鄭春雨等［7］基于安卓平臺和GIS 技術，設計了一套智慧農業管理系統并在河湖長制遙感動態監測等工作中取得有效推廣；劉飛飛等［8］設計的基于ZigBee 的分布式農業環境監測系統，采用了ZigBee 通信傳輸技術，進行數據采集處理與精準傳輸。

從上述研究背景和現狀可知，農業智慧化管理從點的突破逐步轉變成系統能力的提升，覆蓋了農業生產中的多個環節。但是，智慧管理系統多用于種植水果蔬菜、茶葉等常見作物，應用類型不夠廣泛且系統的設計方案和核心技術還有待優化提高。針對上述問題，通過對聊河黃花菜市場需求的調研，設計了一種基于農業物聯網的“特早熟”黃花菜智慧管理系統，應用于聊城市聊河農業科技有限公司的黃花菜種植大棚。系統利用數據采集硬件模塊對黃花菜大棚中的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳等環境信息進行數據采集，依托OneNET 物聯網云平臺搭建接收數據的界面，工作人員可通過手機客戶端和網頁客戶端對采集數據進行監控并遠程控制棚內的卷簾、風機、照明、灌溉等設備，讓黃花菜始終處在適宜的生長環境中，從而有效提高大棚的管理效率。該系統通過后期測試和現場布設后，聊河基地用戶反饋可實現黃花菜園區標準化生產的集中管控，提高勞動生產率和農作物采摘質量。

1 智慧管理系統總體架構設計

整個黃花菜智慧管理系統主要應用于現代化“特早熟”黃花菜園的綜合管理。根據農業生產環境的實際需求進行分析，參考物聯網體系結構模型，采用分層思想［9］對黃花菜智慧管理系統的總體架構進行設計。

智慧管理系統總體架構主要由三層結構組成，分別為感知執行層、傳輸層和應用層，如圖1所示。

圖1 智慧管理系統總體架構

感知執行層主要包括土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度等多種傳感器，對黃花菜大棚中的溫濕度、光照強度、二氧化碳等環境信息進行數據采集；傳輸層由匯聚節點、Wi-Fi 模塊等部分組成，主要負責數據傳輸與預處理；應用層是依托OneNET物聯網云平臺搭建而成的智慧黃花菜園管理平臺，用戶可以通過網頁客戶端或手機微信小程序實時查看農業大棚環境信息，以及對溫室大棚內的遮陽、灌溉、通風等設備進行遠程控制。

2 智慧管理系統硬件設計

該智慧管理系統從功能實現上又可以分為環境監測和遠程控制。環境監測系統硬件結構由Arduino UNO PLUS 主控模塊、多種傳感器數據采集模塊、無線通信模塊等構成。基于環境監測系統提供的數據，推進農業管理智能化，設計遠程智能控制系統，該控制系統硬件結構主要由STM32F103C8T6 主控芯片、無線通信模塊、控制設備和相應的繼電器、接觸器控制電路組成，采用自動調節控制和遠程控制相結合的設計，實現棚內卷簾、風機、照明、灌溉等設備的即時控制。系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構

2.1 數據采集系統硬件設計

在黃花菜園區，可以通過采集環境監測數據為大棚的智慧化管理提供數據指導，數據采集系統的硬件電路圖如圖3 所示。選用Arduino UNO PLUS 作為主控模塊，配置了十四個數字I/O 端口、六個模擬端口、I2C 插頭等引腳，支持UART、I2C、GPIO 等，適用于多種物聯網應用場合［10］。主控電路與DS18B20 土壤溫度檢測模塊、YL-69土壤濕度檢測模塊、AHT20空氣溫濕度檢測模塊、GY-302 光照強度監測模塊和SGP30 二氧化碳檢測模塊連接，進行多種環境數據的采集。采集到的傳感器數據通過Wi-Fi模塊上傳到云平臺，Wi-Fi模塊采用串口與MCU通信，云平臺存儲和展示所收集到的環境信息。

圖3 數據采集系統硬件電路圖

除了PC 端云平臺展示，還安裝了LED 顯示屏。主控模塊本身不含RS485 通訊接口，所以外接了TTL 轉RS485 模塊，通過RS485 協議與LED 顯示屏進行通訊，通過LED 顯示屏可以更直觀地觀察到溫室大棚內環境數據變化。

2.2 遠程控制系統硬件設計

為了最大化地開發數據采集系統的黃花菜信息傳輸處理功能，發揮數據采集的作用，實現基于數據指導的遠程控制照明、灌溉等設備的功能，選用性能更加穩定、操作更加便捷的遠程控制系統，遠程控制系統的硬件電路如圖4所示。該系統選用STM32F103C8T6 單片機作為主控模塊，端口輸出信號經過光耦隔離電路，使被隔離的低壓主控電路和外部高壓繼電器控制電路之間沒有電的直接連接，主要是防止因有電的連接而引起的干擾。

圖4 遠程控制系統硬件電路圖

在繼電器控制電路中，單片機通過發送高低電平信號來控制繼電器線圈吸合，不同的繼電器分別實現控制總供電和控制接觸器切換功能。當控制總供電的繼電器吸合時，負責切換的繼電器吸合或斷開會引起兩個接觸器交替吸合，以此來控制接觸器控制電路中電機的正轉反轉；當控制總供電的繼電器斷開時，接觸器都斷開，控制的設備停止運作。此控制系統還加入了Wi-Fi通訊模塊，將設備狀態上傳至云平臺，平臺可下發命令控制相應設備，適用于遮陽棉、噴水器、通風機等設備的遠程控制。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件功能描述

基于Arduino、STM32 嵌入式軟件編程，數據采集部分軟件實現主控板在主循環中完成對土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳等傳感器數據的采集，將數據匯集到終端節點，通過Wi-Fi模塊將數據定時發送到OneNET 云平臺。還可以按照控制器規定的通訊協議與LED 屏通訊，將傳感器采集到的數據展示在大屏幕上。遠程控制部分軟件實現基于STM32 控制設備與狀態上傳云平臺，實時監聽接收網關下達的控制命令。

3.2 數據采集部分軟件設計

打開Arduino 編程軟件，寫入硬件采樣程序，系統對硬件、I2C 等通訊協議進行初始化設定（包括中斷、延時、串口）。MCU 控制中心通過Wi-Fi 模塊發送AT 指令連接云平臺，平臺得到響應顯示設備在線。各種傳感器通過USART、單總線、I2C 通訊協議與Arduino UNO PLUS 主控板進行通訊，單片機將采集到的環境監測數據上傳到OneNET 云平臺，通過可視化界面及LED屏實時顯示。軟件流程如圖5 所示。

圖5 數據采集軟件流程

3.3 LED電子顯示屏軟件設計

該系統為了更直觀地顯示數據，在數據采集設備上外接了液晶拼接LED 大屏，該LED 屏內置的控制卡支持二次開發，通過RS485 通訊方式與主控模塊進行通信。軟件實現需要按照字庫控制器的標準協議格式（幀頭+包頭數據+數據域+包校驗+幀尾）生成數據幀，并將數據幀發送給內置的控制卡，控制卡會按照協議有所回復，同時會根據命令數據的不同進行相應的處理，包括將采集到的環境信息顯示到LED 屏上，通訊就可以正常進行了。

3.4 遠程控制部分軟件設計

首先，進行硬件初始化，配置所需的AT 指令，通過串口把AT 指令發送給Wi-Fi 模塊，即循環發送一個指針里面的所有數據。其次，通過EDP 協議建立與平臺的連接，調用平臺封裝好的接口函數，以EDP協議的Type3格式上傳數據。最后，通過平臺下發命令，提取到的命令會存儲在數組中用字符匹配函數判斷該數組是否有想要的命令，即可進行相應的設備控制操作。同時，為了防止設備掉線，每隔30 s 發一次心跳包，以長時間保持跟平臺的連接［11］。軟件流程如圖6所示。

圖6 遠程控制軟件流程

4 系統測試

為了檢驗該系統的性能，通過采集環境數據用于黃花菜大棚的控制。該管理系統在聊城市聊河農業科技有限公司農業大棚開啟綜合測試，現場部分設備布設展示如圖7和圖8所示。

圖7 傳感設備分布情況

圖8 電機控制實物圖

其中，數據采集系統每隔4 s 采集一次數據，技術測試人員可在編程系統Arduino IDE 的串口監視器中查看到傳感器采集的環境信息，與此同時各種數據會發送至云平臺，產生發送數據成功響應，檢查串口監視器與云平臺數據流展示是否一致，如圖9所示，顯示一致后說明成功完成環境監測數據的上傳。

環境監測數據成功上傳后，如果土壤濕度低于預設閾值，工作人員可通過云平臺遠程控制系統打開噴淋、滴灌等設備，自動完成農田灌溉，補足作物所需水分。經過一系列測試，聊河基地用戶反饋該系統操作簡潔高效，極大提升了數據采集的準確性，達到了遠程控制的可靠性和及時性效果，用戶能隨時隨地觀察設備的運行狀態，及時進行預警，明顯減少了人工投入，對實現黃花菜的提質增效增產有顯著幫助。

除了云平臺顯示和控制，用戶還可以通過如圖10 所示的微信小程序界面，登錄查看黃花菜生產過程中的環境監測數據，在系統中查看每一個采集點的環境實時數據和歷史數據，實現遮陽棉、灑水器、風機等設備的遠程控制。

圖10 基于特早熟黃花菜智慧管理系統的微信小程序

聊河基地用戶反映使用微信小程序可以提升日常農事作業記錄的便利程度并有效反饋黃花菜生長過程中遇到的問題，及時采取相應措施保障黃花菜的健康生長狀況。

5 結語

本文設計了一個基于農業物聯網的特早熟黃花菜智慧管理系統，該系統采用傳感器技術和Wi-Fi網絡通信等技術，將采集數據傳輸至云平臺進行處理和分析，實現環境信息的自動監測和實時報警，用來判斷黃花菜的環境信息是否正常，如果不正常還可以及時采取措施修復環境，以盡量避免惡劣環境對黃花菜造成的減產甚至死亡問題。然后，將灌溉、遮陽等半自動化設施接入平臺以根據環境信息來實現智能控制，大大降低人力成本。同時，用戶還可以通過微信小程序進行數據提取及操控。另外，考慮到農業大棚網絡覆蓋范圍不廣和Wi-Fi模塊傳輸距離較短等環境因素，可能會造成采集過程中數據的丟失，后期將數據處理與分析等方面作為研究重點，全面優化系統的數據傳輸性能，最大化地開發數據的功能，為現代農業的智慧化管理提供數據指導。