張欣征 劉曉東 齊佳萌 李夢源 杜小杰

關(guān)鍵詞：智農(nóng)監(jiān)測；STM32；Wi-Fi；微信小程序；阿里云

0 引言

隨著信息化時代的發(fā)展，數(shù)字化農(nóng)業(yè)已成為新時代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。國家在“十二五”“十三五”“十四五”規(guī)劃中均設(shè)定了數(shù)字化農(nóng)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)，并制定了相關(guān)政策及規(guī)劃。近年來，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用在一些領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展和豐碩成果。然而，目前許多應(yīng)用領(lǐng)域尚不支持短信及手機(jī)端微信小程序控制。為便于農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程管理，本文分析了智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，并結(jié)合微信、釘釘開發(fā)平臺，設(shè)計了一個植物生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測及報警系統(tǒng)，以期為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供借鑒。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)方面的優(yōu)勢

通過物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，結(jié)合傳感器技術(shù)，我們可以獲取農(nóng)業(yè)植物生長過程中的各類數(shù)據(jù)，如土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、植物正常肥料及病蟲害等信息，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至云平臺進(jìn)行存儲及處理。這為農(nóng)業(yè)農(nóng)作物生長提供了可控管理，為生產(chǎn)對象營造了一個接近原生態(tài)的最佳生長環(huán)境，從而減少了對施肥和農(nóng)藥的需求，降低了勞動強(qiáng)度，并提升了作物的品質(zhì)和品相。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的問題

智慧農(nóng)業(yè)是今后農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，但我國的信息采集以及后期全局的分析處理目前仍處于中低水平，缺乏系統(tǒng)的信息采集架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)。此外，在信息采集和分析后，缺乏相應(yīng)的專家處理系統(tǒng)。許多智能設(shè)備僅停留在數(shù)據(jù)的可視化顯示及遠(yuǎn)程管控上，不能針對問題給出及時有效的解決辦法。發(fā)展過程中仍存在個性化服務(wù)不強(qiáng)、信息采集系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)等問題。另外，目前許多智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)尚未實現(xiàn)真正的全自動智能化，許多設(shè)備仍需人為前往設(shè)備放置處通過刷卡或其他方式啟動或關(guān)閉，屬于半自動化控制。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

智慧農(nóng)業(yè)在全球范圍內(nèi)已得到了廣泛關(guān)注和推動[1]。一些發(fā)達(dá)國家，如美國、荷蘭、以色列等，一直處于智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的前沿。這些國家積極探索新技術(shù)的應(yīng)用，推動農(nóng)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。例如，他們利用無人機(jī)進(jìn)行遙感檢測和圖像識別，利用自動化系統(tǒng)進(jìn)行精確農(nóng)藥噴灑和收獲，利用大數(shù)據(jù)和人工智能進(jìn)行精細(xì)化管理等。一方面，人們得以從繁重的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)中解脫出來；另一方面，農(nóng)業(yè)種植變得更加科學(xué)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程得以加快[2]。

在中國，智慧農(nóng)業(yè)已成為國家戰(zhàn)略的重要組成部分[3]。在政府推動下，各種新技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。例如，傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)應(yīng)用于灌溉、精準(zhǔn)施肥、病蟲害監(jiān)測等方面。然而，智慧農(nóng)業(yè)目前仍主要局限于實驗田和大棚，許多高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田僅停留在低級應(yīng)用層面。因此，當(dāng)出現(xiàn)農(nóng)業(yè)災(zāi)情時，可以明顯看出高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的農(nóng)作物產(chǎn)品質(zhì)量更為優(yōu)質(zhì)。為此，智慧農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中勢在必行，關(guān)鍵在于如何加快完善智慧農(nóng)業(yè)中的技術(shù)攻關(guān)、專家系統(tǒng)構(gòu)建以及智慧農(nóng)業(yè)設(shè)施的維修和管理。因此，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈的數(shù)字化管理，實現(xiàn)追溯和可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)業(yè)與城市的融合，發(fā)展城市農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)旅游等，這些將成為后期農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心方向。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的設(shè)計方案

4.1 設(shè)計目標(biāo)

智慧農(nóng)業(yè)的運用領(lǐng)域?qū)τ诘讓佑布男畔⒉杉约靶畔⒌馁|(zhì)量要求較高[4]。此系統(tǒng)結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云平臺、MQTT傳輸協(xié)議和硬件設(shè)計等相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的核心功能：即借助底層硬件傳感器獲取空氣和土壤的溫濕度、光照數(shù)據(jù)、墑情及病蟲害情況，實時上報至云平臺并進(jìn)行可視化顯示。后臺通過專家系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實現(xiàn)在電腦端或手機(jī)端的遠(yuǎn)程設(shè)備管控。根據(jù)農(nóng)業(yè)生長經(jīng)驗，用戶可以通過云平臺設(shè)置農(nóng)業(yè)成長環(huán)境因素的界限值及報警閾值，當(dāng)某一數(shù)據(jù)值超出閾值時，平臺會通過手機(jī)短信進(jìn)行報警，從而方便用戶實時監(jiān)測管理。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

4.2.1 總體分析

本方案的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計采用物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)典的3 層架構(gòu)模型：感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

感知層主要負(fù)責(zé)采集農(nóng)作物生長所需的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)傳輸層則將感知層傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺。云平臺負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲與分析，并可以發(fā)出控制信息至感知層以控制外圍設(shè)備操作。此外，移動客戶端通過向阿里云發(fā)送請求，獲取云端數(shù)據(jù)并在移動端實時顯示，為用戶提供實時監(jiān)測和控制植物生產(chǎn)環(huán)境的功能。

4.2.2 數(shù)據(jù)感知層

數(shù)據(jù)感知層有控制器和傳感器兩個部分，其中，微控制器采用STM32F103ZET6 最小系統(tǒng)，板載OLED 顯示屏、環(huán)境溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和繼電器實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集和繼電器控制。微控制器采集完數(shù)據(jù)后，使用 ESP8266 WIFI模塊完成數(shù)據(jù)和阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺的雙向傳遞。

4.2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用的是無線Wi-Fi通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)到云平臺的發(fā)送和接收，Wi-Fi 芯片使用的是 ESP8266，其優(yōu)點主要是價格低、性能高和開發(fā)環(huán)境簡單。通過連接路由器使用TCP透傳模式，透傳就是在第一次使用時需要手動配置 Wi-Fi 的路由信息，主要是設(shè)置Wi-Fi名稱和Wi-Fi密碼，只有透傳設(shè)置完成才能正常聯(lián)網(wǎng)。使用時在 Wi-Fi 名稱和密碼不變的情況下僅需透傳設(shè)置一次即可，一旦Wi-Fi 信息更改則需要重新設(shè)置。在設(shè)置時，本系統(tǒng)開發(fā)使用的是AT指令。

4.2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層首先是利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺接收傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化處理，通過阿里云提供的云端API，服務(wù)端通過調(diào)用云端 API 將指令下發(fā)至設(shè)備端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[5]，在物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)置連接設(shè)備和數(shù)據(jù)模塊后可以實時看到農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)數(shù)值變化，同時為系統(tǒng)平臺設(shè)置報警機(jī)制，用戶可以遠(yuǎn)程設(shè)置閾值，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)報警時，系統(tǒng)可以通過短信、微信小程序等方式接收和查看植物成長狀態(tài)。本文采用微信小程序一是為了適應(yīng)目前移動端客戶的應(yīng)用習(xí)慣，二是微信小程序開發(fā)成本低廉。

4.3 報警機(jī)制

在阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺接收到數(shù)據(jù)感知層發(fā)送的數(shù)據(jù)后，通過本文設(shè)計的專家系統(tǒng)對溫度、墑情、光照及蟲情等進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)響應(yīng)的數(shù)據(jù)達(dá)到閾值時，系統(tǒng)會及時向用戶報警。為降低成本和方便使用，本文采用釘釘機(jī)器人作為報警方式，其設(shè)置過程如下：首先，在釘釘中創(chuàng)建自定義機(jī)器人，并獲取機(jī)器人的Webhook地址；其次，阿里云通過這個Webhook地址發(fā)送報警信息；最后，設(shè)置Webhook，實現(xiàn)阿里云的報警信息發(fā)送至釘釘機(jī)器人，從而及時通知相關(guān)人員采取應(yīng)對措施。添加機(jī)器人的過程如圖2所示。圖中設(shè)置機(jī)器人名字如溫度報警、安全設(shè)置有三種方式。選擇“自定義關(guān)鍵詞”允許用戶自己添加關(guān)鍵詞，只有包含這些關(guān)鍵詞的信息才會被推送；加簽相當(dāng)于給機(jī)器人設(shè)置一個密碼；IP段設(shè)置后，僅指定IP發(fā)出的信息會被推送。

5 系統(tǒng)功能測試

首先，確保系統(tǒng)設(shè)計的底層硬件連接成功，并將底層應(yīng)用程序加載至硬件系統(tǒng)，上電聯(lián)網(wǎng)。接著，進(jìn)行系統(tǒng)測試及控制監(jiān)測。系統(tǒng)上電后，硬件效果如圖3所示。同時，通過微信小程序，用戶可以實時監(jiān)控植物生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)，如圖4所示。當(dāng)設(shè)置的生產(chǎn)因素超限時，系統(tǒng)能夠及時向用戶報警，如圖5所示。

6 結(jié)束語

智慧農(nóng)業(yè)積極響應(yīng)國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，在物聯(lián)網(wǎng)框架內(nèi)融入了嵌入式和無線傳感網(wǎng)技術(shù)。本文從物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層三個方面詳細(xì)描述了本系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。感知層負(fù)責(zé)實時采集農(nóng)作物生長相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行有效管控，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)層將終端采集的數(shù)據(jù)實時傳送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過消息的訂閱發(fā)布實現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺的通信和數(shù)據(jù)交互。應(yīng)用層則利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺，以多種方式在云端展示農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)。此外，移動端通過微信小程序可實時查看生長環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控，并及時接收系統(tǒng)發(fā)送的報警信息，簡化了農(nóng)戶監(jiān)控植物生產(chǎn)的全過程，為農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展提供有力的數(shù)據(jù)支撐及技術(shù)支持。