基于OneNet平台的作物监测系统

单桂朋+江朝晖+孙云云

摘 要：针对农业物联网终端节点和网络平台的不足，文中采用新型硬件模块和OneNet平台设计了一款作物监测系统。系统可对空气、土壤、茎秆生长和作物图像等信息进行精准采集和个性化展示，硬件性价比高，传感器和节点接入方便；软件开放性和通用性好，易于进行二次开发。本系统适用于温室作物生产管理和作物学研究。

关键词：农业物联网；作物监测；传感器节点；OneNet平台

中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）12-00-04

0 引 言

对作物生长环境和本体信息进行精准、全面、实时、远距离监测是农业生产管理和科学研究的需要[1]。近年来，物联网的快速发展为相关研究和应用带来了诸多便利，但面临的问题也不少，主要表现在以下两方面：

（1）终端节点存在功耗大[2]、集成度低[3]、传感器单一[4，5]、成本较高[6，7]等缺点；

（2）网络平台每个项目或应用都另起炉灶，自成一家，不仅开发难度大、成本高、效率低，而且由于标准不统一[8，9]，难以实现开放、共享。

由于这些关键因素的限制，目前，基于物联网的作物监测应用尚处于试验、示范阶段，与普及应用还有不小的差距。

为解决上述问题，本文采用新型高集成终端/中继模块以及中国移动物联网开放平台OneNet[10-12]设计了一款作物监测系统，该系统可采集空气温湿度、光照强度、土壤温湿度、土壤电导率、土壤pH值、植株茎秆微变化以及作物图像等信息，具有性價比高、通用性好和开发难度小等特点。

1 系统结构

作物监测系统结构如图1所示。该系统由传感器节点、中继模块和OneNet应用平台组成[13，14]。运用复合通信模式，中继模块与传感器节点之间采用WiFi协议组成局域网，并通过GPRS接入互联网云平台。传感器节点采用新型ESP8266主控模块，可接入多种不同类型的传感器，主要包括空气、土壤和作物生长等方面。中继节点A20模块通过WiFi接收传感器采集的信息，并外接摄像头模块，通过AT指令与OneNet平台建立TCP连接，传送数据和图像，实现平台数据的下发、拍照控制。OneNet平台具有一站式托管、多协议智慧解析、数据存储和大数据分析、多维度支撑等优势[10，15]，可提供应用模板，将数据、图像个性化展示在网页上，保存到数据库。

2 传感和中继节点设计

2.1 传感主控模块

主控ESP-12F WiFi模块由安信可科技有限公司开发，核心处理器ESP8266在较小尺寸封装中集成了业界领先的 Tensilica L106超低功耗32位微型MCU。该模块支持标准的IEEE802.11b/g/n协议，拥有完整的TCP/IP 协议栈与多样化接口——UART，HSPI，SDIO/SPI，I2C， ADC_IN， GPIO16， relay control， PWM，IR TX/RX，可挂载多种类型的传感器。

2.2 空气监测节点

空气温湿度和光照强度节点电路图如图2所示。监测节点由传感主控模块、数字温湿度传感器DHT11和数字光照传感器GY-30组成。DHT11的数据线DATA与WiFi模块的GPIO4相连，WiFi模块通过GPIO读取DHT11采集的空气温湿度数据。GY-30是I2C总线接口，光谱测量宽范围和高分解（1～65 535 Lux）。GY-30挂载到WiFi模块的I2C接口上，SDA接GPIO2，SCL接GPIO14，WiFi模块通过I2C总线协议读取GY-30采集的光照强度数据。

2.3 土壤监测节点

土壤监测原理如图3所示。该部分由主控模块、TTL转485模块（TTL-RS 485 Module）、集线器和土壤温湿度传感器、土壤电导率传感器、土壤pH值传感器组成。采用通用485接口，可连接多个传感器（最多可连128个），且传输距离长（无中继最远达1 200 m）。

文中采用的SWR-100W型土壤温湿度传感器、ST-EC型土壤电导率传感器、ST-PH型土壤pH值传感器皆为通用RS-485型传感器，使用标准的Modbus-RTU协议。所有传感器都通过集线器连接到TTL转485模块上。TTL转485模块与WiFi模块的串口相连，每个传感器需预先设置一个不同的设备地址，WiFi模块通过向每个地址发送查询命令来读取各传感器的数据。命令见表1所列。

2.4 茎秆微变化监测节点

茎秆微变化监测原理如图4所示。该部分由主控模块、可调电源升压模块（VTrans Module）和高精度线性可变差动变压器（LVDT）式位移传感器组成。系统采用LVDT8-A-5MM-DL传感器，为直流12～24 V供电，4～20 mA电流型数据输出。在电流输出端接一个50 Ω的精密电阻，WiFi模块通过A/D端口读取电阻上的电压值。传感器安装在植株的茎干或枝条上，生长量（即位移）由公式（1）求出：

L=（U/50-4）×5/16（mm） （1）

其中，L为待测生长量（mm），U为A/D口输入电压（mV）。

2.5 中继节点

中继节点A20是一款由GPRS和WiFi合成的模组，GPRS和WiFi可以分开供电，单独工作，互不干扰，同时还支持外挂Camera。本设计将WiFi部分的处理器芯片ESP8266作为主控，用以控制GPRS。由于WiFi只有一个双向串口，因此需要开发ESP8266端的程序。

WiFi部分收到各传感器节点发送的监测数据后，将数据通过串口经GPRS发送到OneNet平台。采用OV7670（30 W像素）摄像头获取作物图像，挂载在A20模块的GPRS部分，由WiFi部分通过串口向GPRS发送AT指令，控制GPRS实现拍照和图像数据上传功能。endprint

3 OneNet平台接入和协议

OneNet是中移物联网有限公司基于开放、共赢理念，面向公共服务自主研发的开发云平台。OneNet作为PaaS层，更专注于为SaaS层和IaaS层搭建连接桥梁，分别向上下游提供中间层核心能力，为各种跨平台物联网应用、行业解决方案提供简便的云端接入、海量存储、计算和大数据可视化服务，从而降低研发、运营和运维成本[10]。

用户接入OneNet的流程：注册用户，登录平台，创建产品，创建设备，新增数据流，新建应用并发布[15]。采用公开的HTTP协议[16]，应用新增、更新、查看和删除的方法对数据流进行处理。其中，数据新增方法和数据查看方法分别见表2、表3所列。

4 软件设计

4.1 采集软件

终端节点的核心处理器ESP8266可运行多线程RTOS系统，官方提供的SDK便于二次开发。数据采集过程如图5所示。

4.2 中继软件

中继模块软件流程如图6所示。其核心是创建两个线程，分别负责数据转发和图像获取。在线程1中，中继接收数据后，按照表2格式将数据整合成图7所示的数据包，向GPRS连续发送AT指令与OneNet平台建立TCP连接。在线程2中，按表3的格式发送数据包，查询手动拍照开关状态，当检测到开关打开时，向GPRS连续发送图8所示的拍照上传指令。

5 测试及结果

5.1 数据Web展示

在温室中进行监测试验，数据在网页上的展示如图9所示。应用包括以下4个部分：

（1）空气监测点1：包括空气温度曲线图、空气湿度曲线图和光照强度曲线图；

（2）土壤监测点1：包括土壤温度曲线图、土壤湿度曲线图、土壤电导率曲线图和土壤pH值曲线图；

（3）茎秆变化曲线图；

（4）作物图像，包括图片显示和拍照开关（也可设置为定时拍照）。

每个曲线图、图像、开关都关联对应的数据流，平台会不断查询数据流是否更新，并将已更新的数据显示在网页上。

5.2 平台数据导出

使用OneNet官方提供的数据导出工具OneNetServer 1.16.10.9_packed.exe，可以将监测数据和图像导出至数据库。图9中第一个曲线图导出的数据见表4所列。

5.3 终端节点性能

经测试，传感器节点的体积约为35 mm×70 mm×25mm，工作电流<100 mA，深度睡眠时电流仅3.8 mA，平均功率<15 mW，采用通用的3.7 V/2 000 mA·h聚合物锂电池供电，电池连续使用时间>493 h，节点成本低于50元。

6 结 语

本文采用新型电路模块和OneNet平台设计了一种作物监测系统，可采集空气、土壤、茎秆生长和作物图像等信息。该系统具有硬件性价比高，传感器和节点接入方便，软件开放性和通用性好，二次开发简易等特点，可用于温室作物的生产管理和作物学研究，具有良好的应用前景。接下来将对继续降低节点功耗、对节点进行保护性封装等做进一步研究。

参考文献

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