郝 剛 陳淑花

(武漢城市職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 湖北 武漢：430064)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，信息化技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)從零散的點的應(yīng)用發(fā)展到全面應(yīng)用。信息的有效利用使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)市場系統(tǒng)、農(nóng)村生活系統(tǒng)等農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)更加有效、智慧。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展促成了智慧農(nóng)業(yè)的誕生。

智慧農(nóng)業(yè)跟現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)存在著很大不同，智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)開發(fā)與生產(chǎn)中的高級階段[1-2]，它集節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)、GPS、GPRS、云計算、云存儲以及現(xiàn)代新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體，可以很方便地實現(xiàn)對用戶對農(nóng)作物生長現(xiàn)場環(huán)境或者農(nóng)產(chǎn)品的全方位監(jiān)測、管理，對建設(shè)現(xiàn)代化高水平智能農(nóng)業(yè)有著重要意義。郝雅潔等基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)搭建的水肥一體化灌溉系統(tǒng)，既能提高灌溉利用率、節(jié)約水資源,又能提高作物品質(zhì),改善生態(tài)環(huán)境[3]。李道亮認(rèn)為5G與數(shù)字農(nóng)業(yè)的融合給智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[4]。冉彥中等選用Arduino和raspberry實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，利用Arduino進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用raspberry進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，開發(fā)APP上位機(jī)[5]。毛敏、趙云娥等選取Arduino作為數(shù)據(jù)采集端，利用Labview開發(fā)上位機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[6-7]。智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還可以精準(zhǔn)采集農(nóng)業(yè)苗情、墑情等相關(guān)信息[8]。本文設(shè)計了一套農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案,依托5G移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù),實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測的自動化與智能化。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)

結(jié)合目前主流信息架構(gòu)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計總體架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層[9]，系統(tǒng)總體架見圖1。

圖1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)

(1)物聯(lián)網(wǎng)感知層：感知層對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)而言，類似于人類的感覺器官,主要是用于識別物體并進(jìn)行信息采集，負(fù)責(zé)對農(nóng)田環(huán)境重要的參數(shù)進(jìn)行采集。優(yōu)選適用于農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用的常用、穩(wěn)定、可靠的傳感器，實現(xiàn)低成本多傳感器系統(tǒng)。

(2)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層：中間傳輸層位于物理感知設(shè)備和上層應(yīng)用系統(tǒng)之間，負(fù)責(zé)采集物理數(shù)據(jù)并進(jìn)行過濾解析以及處理，形成有效的信息傳給上層應(yīng)用，即將各種傳感器傳回來的模擬信號通過Arduino把這些轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳?？紤]農(nóng)業(yè)工程中現(xiàn)有的4G無線網(wǎng)絡(luò)和未來5G應(yīng)用中實現(xiàn)覆蓋，因此選用WiFi作為傳輸層網(wǎng)絡(luò)。

(3)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理者通過手機(jī)端或電腦網(wǎng)頁Blinker登錄系統(tǒng)，實時掌握農(nóng)田環(huán)境參數(shù)和農(nóng)作物生長情況，同時Blinker后臺可以設(shè)置自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化與智能化管理。

系統(tǒng)總體架構(gòu)的層次化設(shè)計，使得各層次的功能更加明確，同時各層次之間又能高效的交互和傳遞信息。依托此架構(gòu)逐層實現(xiàn)從硬件到軟件的設(shè)計，最終實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計與應(yīng)用。

2 多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的目的主要是采集農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的氣象環(huán)境信息、土壤實時墑情、大氣環(huán)境信息等參數(shù)數(shù)據(jù)，為決策提供依據(jù)。氣象環(huán)境信息和大氣環(huán)境信息可以通過搭配不同類型的智能型傳感器實現(xiàn)對空氣溫濕度、光照、二氧化碳濃度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等實時采集[10]。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集土壤環(huán)境信息,包括土壤水分、土壤溫度等環(huán)境信息采集。

針對多傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部署和應(yīng)用的需求，選取傳感器如表1所示。

表1 多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器介紹

DHT11型溫濕度傳感器是常用的、已校準(zhǔn)的數(shù)字型傳感器，測量濕度精度范圍±5%RH，測量溫度精度范圍±2℃，具有高速精確的特點。在硬件電路設(shè)計上，DHT11型溫濕度傳感器供電電壓范圍3.3V-5.5V DC，采用單總線協(xié)議，串行通信。

SGP-30型數(shù)字氣體傳感器是第一款單一芯片集成多傳感器的金屬氧化物氣體傳感器，能夠提供二氧化碳和揮發(fā)性有機(jī)化合物的測量。

BH1750型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器是16位數(shù)字輸出型傳感器，測量光強(qiáng)度范圍1 lx-65535 lx，具有精確高速的特點。在硬件電路設(shè)計上，BH1750型光強(qiáng)度傳感器供電范圍2.4V-3.6V DC，采用兩線式串行總線。

DS18B20型溫度傳感器是常用的已校準(zhǔn)的數(shù)字型傳感器，考慮到農(nóng)業(yè)信息采集的環(huán)境，選用鎧裝型DS18B20型溫度傳感器，測量溫度精度范圍±1℃。在硬件電路設(shè)計上，DS18B20型溫度傳感器供電電壓范圍3.3V-5.5V DC，采用單總線協(xié)議，串行通信。

YL-69型土壤濕度傳感器是常用的模擬量傳感器，利用插入土壤探針的阻值變化轉(zhuǎn)換成為土壤濕度值。在硬件電路設(shè)計上，YL-69型土壤濕度傳感器供電范圍3.3V-5V DC。

多傳感器接入Arduino UNO R3主控板，該主控板的數(shù)字I/O口和模擬量I/O口能夠滿足以上五類傳感器的接入，同時能夠提供3.3V和5V的供電電源驅(qū)動傳感器。

3 基于Arduino和ESP8266物聯(lián)網(wǎng)傳輸層設(shè)計

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用 Arduino UNO R3作為主控板和ESP8266作為傳輸層的核心[11]。Arduino是以 Atmege單片機(jī)為控制核心的單片機(jī)控制板，其中 Arduino Uno R3的處理器核心為 Atmega328,具有14路數(shù)字I/O口,其中6路可用作PWM輸出，另外具有6路模擬I/O口。Arduino UNO R3具有串口通信、I2C通信和SPI通信接口，能夠滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需的數(shù)字量、模擬量信號采集處理和信號的通信。在軟件開發(fā)上，Arduino具有成熟的硬軟件庫函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的軟件開發(fā)。

WiFi通信模塊ESP8266是樂鑫公司推出的一款廉價、超低功耗功能豐富的WiFi芯片，支持SPI、I2C、UART等方式進(jìn)行通信。UART通信時，可直接支持AT指令，大大簡化開發(fā)難度。ESP8266WiFi通信模塊是目前工程應(yīng)用中較為成熟的組網(wǎng)模塊，具有豐富的端口資源，滿足多種類型信號傳輸。ESP8266與Arduino的串口通信易于實現(xiàn)且通信穩(wěn)定。在系統(tǒng)開發(fā)方面，Arduino擁有ESP8266庫資源，使用時直接調(diào)用庫函數(shù)即可，簡化和優(yōu)化開發(fā)流程。

基于Arduino和ESP8266物聯(lián)網(wǎng)傳輸層設(shè)計一方面滿足農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用中相關(guān)信息的傳輸，另一方面滿足農(nóng)業(yè)作業(yè)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程控制，如圖2所示。未來應(yīng)用中，通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸，依托云存儲技術(shù)，能夠儲存農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)作業(yè)的數(shù)據(jù)化和農(nóng)產(chǎn)品的可溯源管理。

圖2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流

大型農(nóng)村和農(nóng)業(yè)合作社的種植模式一般分為大面積溫室群種植和露天種植，兩種模式下部署農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的方法不同。對于大面積溫室群，溫室內(nèi)可設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，單個無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點的WiFi傳輸信號傳輸距離不超過200m，一種方式可以設(shè)置ESP8266為AP模式作為節(jié)點網(wǎng)關(guān)，單個節(jié)點網(wǎng)關(guān)的ESP8266最多可以連接8個ESP8266節(jié)點，建立分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，另一種方式可以采用成熟的AP路由器作為節(jié)點網(wǎng)關(guān)，多個ESP8266接入節(jié)點網(wǎng)關(guān)。從物聯(lián)網(wǎng)傳輸層穩(wěn)定性的角度考慮，成熟AP路由器作為節(jié)點網(wǎng)關(guān)穩(wěn)定性好，可拓展性強(qiáng)，交互友好，更適用于溫室群物聯(lián)網(wǎng)傳輸層。對于露天種植，針對距離傳輸遠(yuǎn)的情況，可以采用成熟AP路由器作為節(jié)點網(wǎng)關(guān)的方法，也可以采用ESP8266通過軟串口，連接NB-IoT通信模組或者LoRa通信模組的方式傳輸數(shù)據(jù)。由此完成底層數(shù)據(jù)采集，并通過ESP8266的WiFi通信，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總和上云，依托數(shù)據(jù)可視化在應(yīng)用層展示。

4 基于Blinker物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層設(shè)計

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用 Blinker作為物聯(lián)網(wǎng)接入方案。Blinker是一套跨平臺、跨硬件的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，提供手機(jī)APP端設(shè)備端、服務(wù)端支持，能夠與公有云服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸存儲[12]。

為了對接Arduino和ESP8266，Blinker提供Arduino的連接支持庫，能夠方便實現(xiàn)接入。使用Blinker. begin()函數(shù)來初始化WiFi設(shè)置，并連接網(wǎng)絡(luò)廣播設(shè)備信息，等待APP連接。Blinker. run()函數(shù)需要頻繁調(diào)用以保持設(shè)備間連接并處理收到的數(shù)據(jù)。手機(jī)APP通過定時向設(shè)備發(fā)送心跳包，設(shè)備收到心跳包后會返回設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)。如果用戶有自定義狀態(tài)需要在收到心跳包時返回，可調(diào)用 Blinker. attach Heartbeat()函數(shù)。設(shè)備建立后，APP會立刻發(fā)送心跳包，此后每30s～60s發(fā)送一次，監(jiān)測數(shù)據(jù)隨心跳包發(fā)送至云平臺。雖然手機(jī)客戶端不能實現(xiàn)實時監(jiān)測，但是更新的頻率能滿足農(nóng)業(yè)監(jiān)測的基本需求。下面是Blinker私有云端口連接核心代碼：

void setup(){ Serial.begin(9600); BLINKER_DEBUG.stream(Serial);//開啟debug BLINKER_DEBUG.debugAll(); Blinker.begin(auth,ssid,pswd);//連接wifi Blinker.attachData(dataRead); Blinker.attachHeartbeat(heartbeat);//心跳包 Blinker.attachDataStorage(dataStorage);//云端數(shù)據(jù) Blinker.setTimezone(8.0);//時間 SW.attach(SW_callback); HL.attach(HL_callback); //DELETE.attach(DELETE_callback);}

在應(yīng)用層設(shè)計方面，Blinker提供了一套物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)API，其封裝了不同平臺的底層代碼，極大地方便了開發(fā)者。在手機(jī)APP開發(fā)上， Blinker提供了自定義布局來讓開發(fā)者定制自己的APP操作界面(見圖3)。而且Blinker可以同時讀取多臺Arduino的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)快速開發(fā)、分布式控制和遠(yuǎn)程管理。

圖3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)Blinker云平臺

在系統(tǒng)集成應(yīng)用中，將各類傳感器布置在農(nóng)業(yè)工程現(xiàn)場的固定區(qū)域，Arduino和ESP8266作為硬件控制的核心，設(shè)置防水防塵外殼，并采用太陽能供電系統(tǒng)對主板進(jìn)行供電。

Blinker應(yīng)用層針對用戶的實際傳感器部署需求和遠(yuǎn)程控制的需求，利用自帶開發(fā)工具開發(fā)上位機(jī)APP。利用移動互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)手機(jī)APP的發(fā)布，在APP端可以遠(yuǎn)程查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)，另外也可以遠(yuǎn)程操作，控制相關(guān)的農(nóng)業(yè)設(shè)備工作。為測試系統(tǒng)集成應(yīng)用效果，對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開展實測。

5 小結(jié)

針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，本文提供了從農(nóng)業(yè)信息采集的傳感器選型與物聯(lián)網(wǎng)感知層的構(gòu)建，到以WiFi為載體的傳輸層的搭建，最后到以Blinker云平臺為核心的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層部署的完整解決方案。并且，通過基于Blinker云平臺的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備的交互實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)從采集到控制的閉環(huán)管理和數(shù)據(jù)可視化。該研究在科技助力鄉(xiāng)村振興的目標(biāo)下，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用、智慧農(nóng)業(yè)的研究提供新的研究思路。