關(guān)鍵詞：OneNET云平臺；傳感器；智慧農(nóng)業(yè)；灌溉系統(tǒng)

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）21-0101-03

0 引言

我國是一個水資源短缺的國家，水資源時空分布不均[1-2]。隨著城市化進(jìn)程不斷加快，農(nóng)田灌溉用水占總用水量的比例不斷降低，缺水已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的制約因素。然而，我國農(nóng)業(yè)用水仍存在很大的浪費(fèi)，灌溉定額也偏高，部分灌區(qū)的灌溉定額高出作物實(shí)際需求的2-5倍。主要灌區(qū)的渠系水有效利用系數(shù)僅為0.53，比發(fā)達(dá)國家平均水平低0.26[3]?，F(xiàn)階段較為成熟的渠道防滲技術(shù)、噴灌技術(shù)、微灌技術(shù)等已在農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)中取得一定成果。然而，我國灌溉技術(shù)的監(jiān)測、調(diào)控管理水平仍滯后，尚缺乏量化指標(biāo)和配套集成技術(shù)，與國外先進(jìn)技術(shù)存在較大差距。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信技術(shù)在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，基于信息化手段的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)也吸引著研究者的關(guān)注[4-6]。因此，通過采用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)設(shè)計(jì)智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測與精準(zhǔn)灌溉，對解決水資源灌溉利用率低下等問題具有重要意義。

1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)參照物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)，分為數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)傳遞層和終端應(yīng)用層[7]，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

在數(shù)據(jù)獲取層，利用溫濕度傳感器獲取實(shí)驗(yàn)農(nóng)田數(shù)據(jù)，并由ESP32 MCU核心模塊進(jìn)行處理。在數(shù)據(jù)傳遞層，將處理后的數(shù)據(jù)打包并采用Wi-Fi通信方式將其上傳至OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺[8-9]。在終端應(yīng)用層，云平臺對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和決策，并使ESP32 MCU 執(zhí)行相應(yīng)的操作。應(yīng)用層提供可視化界面，實(shí)時展示農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)，用戶可以通過PC端和小程序移動終端實(shí)時查看和操作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取層的作用是通過傳感器采集農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)（如土壤溫濕度、氣象數(shù)據(jù)等），并上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，最后根據(jù)平臺下發(fā)的控制信號執(zhí)行相應(yīng)的操作，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉和提高水資源利用率。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取層的工作流程如圖2所示。數(shù)據(jù)采集終端完成初始化之后，ESP32模塊開始工作，控制溫度模塊、土壤濕度模塊和光照模塊對農(nóng)田環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。根據(jù)農(nóng)田中種植物品種特性設(shè)定農(nóng)作物最佳生長環(huán)境數(shù)據(jù)值，并在合理預(yù)設(shè)值范圍之內(nèi)持續(xù)監(jiān)聽檢測，將數(shù)據(jù)值傳回OneNET平臺，直至超過閾值啟動相關(guān)設(shè)備。小程序連接云端，用戶終端可以通過小程序和云端查看農(nóng)田的實(shí)時數(shù)據(jù)。

2.1 處理器的選擇

ESP32主板內(nèi)置Wi-Fi通信模塊，并且具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的接口，同時能夠輕松實(shí)現(xiàn)無線通信和低功耗設(shè)計(jì)，因此本系統(tǒng)選其作為微處理器。

ESP32主板搭載了雙核心的Tensilica LX6微處理器，主頻高達(dá)240MHz，具備較強(qiáng)的計(jì)算和處理能力，可以滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求；集成的Wi-Fi模塊，支持802.11 b/g/n協(xié)議，能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測。ESP32主板在處理性能方面表現(xiàn)優(yōu)良，并且能夠掛載豐富多樣的外設(shè)資源能極大地滿足本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)需求。

2.2 傳感器的選擇

傳感器是本系統(tǒng)硬件控制部分的核心部件，采集的數(shù)據(jù)也是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此，在本系統(tǒng)中，傳感器的選擇至關(guān)重要。由于需要采集農(nóng)田中的環(huán)境數(shù)據(jù)，傳感器的選擇主要取決于監(jiān)測對象的種類、量程、精度以及地理環(huán)境對傳感器的工作影響?？紤]到數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性，系統(tǒng)選取的器件如表1所示。

另外，在智能灌溉方面，本系統(tǒng)采用繼電器驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行抽水工作。繼電器由MCU直接控制，MCU通過傳感器提供的環(huán)境參數(shù)來決定是否啟動繼電器進(jìn)行灌溉工作。具體灌溉情景根據(jù)實(shí)際場景所需決定采用何種灌溉方式，如漫灌、集中式噴灌和滴灌等。本系統(tǒng)采用集中式噴灌，可有效提高水資源利用率。

2.3 主要硬件模塊

2.3.1 DS18B20溫度傳感器模塊

DS18B20是一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，具有高可靠性，在測量精度、時間效率、長距離傳輸和分辨率等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的特性。其內(nèi)部含有EEPROM，通過配置寄存器可以設(shè)定數(shù)字轉(zhuǎn)換精度和報(bào)警溫度，模塊在斷電后仍能存儲分辨率及設(shè)定的報(bào)警溫度閾值。在農(nóng)田環(huán)境中，DS18B20溫度傳感器模塊內(nèi)置高溫系數(shù)晶振和低溫系數(shù)晶振，隨溫度變化兩者震蕩頻率明顯不同，系統(tǒng)通過兩者變化的脈沖計(jì)算出當(dāng)前溫度。

2.3.2 土壤濕度傳感器模塊

本系統(tǒng)采用的濕度傳感器為土壤濕度電容式傳感器，其原理圖如圖3所示。該傳感器利用電容感應(yīng)原理進(jìn)行農(nóng)田土壤濕度檢測，與傳統(tǒng)的電阻式傳感器不同，能夠有效解決電阻式傳感器易被液體腐蝕的問題，從而大幅延長其使用壽命。傳感器內(nèi)置穩(wěn)壓芯片，支持3.3-5.5V寬電壓工作環(huán)境，這意味著即使在ESP32主控板上，也能夠正常工作。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

基于MicroPython環(huán)境，采用ESP32開發(fā)板作為硬件平臺，使用Thonny軟件，采用Python語言進(jìn)行開發(fā)。通過MQTT協(xié)議和ESP32自帶的Wi-Fi模塊，將測得的數(shù)據(jù)上傳至OneNET平臺，并且可以通過微信小程序便捷查詢農(nóng)田實(shí)時狀態(tài)。

首先，使用Wi-Fi Connect（） 函數(shù)連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，定義消息發(fā)布的主題（TOPIC1），定義客戶端ID（CLIENT_ID），用戶名（user_name），以及用戶密碼（user_password）。用戶可以根據(jù)自己的需求去修改OneNET平臺信息。其次，指定OneNET平臺的服務(wù)器的IP 地址（SERVER）和端口號（PORT），創(chuàng)建一個MQTT客戶端實(shí)例（client），并使用connect（）方法連接到OneNET平臺。通過DS18B20不斷獲取監(jiān)測到的空氣溫度（temp），通過ADC 轉(zhuǎn)換獲取監(jiān)測到的土壤濕度（wet）。最后，構(gòu)建JSON格式的消息體（mymessage），將空氣溫度和土壤濕度作為數(shù)據(jù)流上傳至OneNET平臺，并使用publish（）方法發(fā)布消息到指定的主題（pub?lish_TOPIC1）。系統(tǒng)與小程序邏輯代碼如圖4所示。

3 平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

OneNET云平臺支持多臺設(shè)備接入。本系統(tǒng)中的設(shè)備通過ESP32接入?yún)f(xié)議MQTT，并利用OneNET 云平臺的API接口將設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)在云端和小程序進(jìn)行展示。云端界面實(shí)時監(jiān)聽設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)變化。同時，本系統(tǒng)設(shè)有報(bào)警功能，當(dāng)設(shè)備數(shù)據(jù)滿足預(yù)定條件時會觸發(fā)報(bào)警（例如蜂鳴器打開或者水泵關(guān)閉）。數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺和小程序通過設(shè)備與云平臺之間建立的連接實(shí)現(xiàn)，提供數(shù)據(jù)分析功能。用戶可以利用數(shù)據(jù)分析工具和算法對設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取有關(guān)設(shè)備性能、趨勢和異常情況的洞察，為決策提供支持。

利用OneNET云端平臺提供的開發(fā)工具包和接口進(jìn)行二次開發(fā)（如圖5所示），用戶程序按照 JSON 格式與OneNET透傳云交互，接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)。服務(wù)器向設(shè)備主動發(fā)送讀取指令，設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)，完成解析、存儲、報(bào)警等功能，并發(fā)送反饋信息的指令完成智能控制。

為了及時掌握數(shù)據(jù)變化，結(jié)合云平臺進(jìn)行微信小程序的開發(fā)，移動端可以實(shí)時監(jiān)控實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)灌溉。該程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化，使得移動端和PC端可以同步對接，用戶可以實(shí)時查詢各種傳感器的數(shù)據(jù)變化，并根據(jù)閾值接收報(bào)警信息，如圖6所示。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)如今農(nóng)業(yè)灌溉存在的智能化程度相對較低的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。本系統(tǒng)集成了多種傳感器，進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集并將獲取到的數(shù)據(jù)結(jié)合云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)更新處理與決策，且可通過移動終端或PC端查看數(shù)據(jù)動態(tài)變化，有效實(shí)現(xiàn)了提高農(nóng)業(yè)灌溉的智能性和精準(zhǔn)性，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在一定程度上對水資源的節(jié)省提供了可行性方案。