基于云平台的智能生态管理系统

辛松恒 单超颖 温博 左志强 徐煜东

本文所设计的基于云平台的智能生态农场管理系统以STM32单片机为智能终端，智能农场内各个角落布置的传感器检测到的温湿度、光照强度、CO2浓度、土壤温湿度、鱼塘水质等实时数据通过ZigBee技术发送给终端进行处理；再由ESP8266WIFI将MCU处理的数据发送给OneNet云平台，用户通过手机或者电脑，可以实时的观察农场的实时环境，并可以通过云平台下达控制指令实现控制继电器的吸合进而对卷帘开关、加湿装置，滴灌装置、通风装置等设备的控制。用户也可以在云平台设置农作物适合生长的土壤温湿度、空气温湿度等值，MCU可以通过PID闭环控制使环境稳定到设定值。本系统采用了双电源供电，一是可以直接使用市电，也可以使用太阳能电池板进行23w充电。当用户进入农场内可以直观的通过OLED观察农场内环境数据。

随着物联网产业的迅速崛起，其应用已经延伸到了人们生活中的各个方面，在现代的农业生产中同样出现了物联网的身影，特别是智能温室蔬菜大棚远程监控系统，极大地提高了农业的生产力。针对我国目前农业发展缓慢，智能化程度较低，灌溉水资源浪费，化学肥料过度使用的问题，本文提出“鱼菜共生”的生态农业设想加以应用现代物联网技术进行解决。智能生态农场的目的就是最大程度的减少人工的参与，更加精确的采集到数据，同时减少了人工的失误以及损失，同时大幅提高了农场的环保节约性。本文通过传感器更加准确的实时检测环境中的空气中温湿度，CO2浓度，土壤湿度和PH值，通过ZigBee无线传输技术传输与终端进行数据交互。传统农场对于数据的采集不利于集中统计和管理，不便日后的一些统计整改工作，本文选择OneNet云平台储存信息，对于大量的数据可以快速查找，反复使用。

一、系统设计

（一）硬件设计

采用STM32单片机作为系统的核心，用其控制实现系统各模块的功能。STM32单片机资源丰富，有较为强大的控制功能及位寻址操作功能，价格低廉，应用方便等优点。

1.保温装置：本次设计的拉帘装置的遮光材质选用不同折光率的材料，起到调节光照、保温或降温的效果，目前的广泛应用的材质多为塑料编织和缀铝材料，拉帘装置采用自动化卷帘机，其具有坚固耐用、体积小、无噪音、自锁性能好等特点。

2.通风装置：本次设计采用蒸发式降温，使用加湿器对空气进行加湿，通过风机带动气流，来达到蒸发制冷的效果。

3.滴灌装置：滴灌方式可以有效调节秋冬季的温室大棚内的气候，在温度较高的农作物生长的过程中，微喷灌可实现水分子与大面积的空气进行交互，本次设计将微喷灌与滴灌相结合，使得他们在不同的气候环境下发挥各自的特色。灌溉用水从水源提取或通过雨水储存装置经净化后作为灌溉用水，供水管网的总阀采用电磁阀进行闭环控制。

（二）软件设计

1.本系统采用I2C总线协议，将采集到的PH值、温湿度、光照等重要农场数据传送到主MCU，然后对数据进行进一步的分析和处理。

2.为确保系统的稳定性，本系统采用双MCU机制，将主MCU所分析得到的数据通过Zigbee技术进行移动互联网的建立，实现传感设备采集到的数据信息的无线传递，实现与移动互联网的直接连接。

3.本系统采用wifi技术，将副MCU收到的数据，通过wifi模块，上传到OneNET云平台，从而将数据进行安全可靠的储存并进行可视化处理。

（三）系统设计创新

1.基于鱼菜共生的可循环生态养殖模式；

2.可靠的双MCU协同控制；

双MCU可以相互检测，减少“跑飞”的发生几率以保证系统的稳定性并提高了鲁棒性。本系统设计采用双MCU对数据进行处理，其中MCU1对环境进行实时的采样、记录、分析，同时也要进行较高的运算和通信任务，MCU2进行监控并可进行远程无线升级，双MCU可以进行串口通信协同工作。这样极大的提高了系统的处理速度，可以防止系统满负荷工作，降低了系统软件的复杂程度，有利于二次开发，提高了器件的抗干扰能力，增强了系统的稳定性和鲁棒性。

3.多种传感器无线数据传输；

与传统的数据传输方式不同，本系统基于ZigBee技术，将农场各个角落的传感器实时数据无线传输给终端，不需要复杂的布线就可实现数据的接收（如图1所示）。

4.云端数据储存与推送；

云平台可以对历史数据进行存储，这些历史数据将成为一个大数据由养殖业专家进行分析，给出准确的环境参数，推送给农户做为参考。有效的提高了农作物产量。

5.采用闭环调节方式实时采集环境参数；6.高效可控的環保灌溉技术；7.人性化的云端控制界面；

本次设计通过ESP8266WiFi模块，搭载4G网络、WiFi、Internet，与OneNet云平台建立网络连接；应用层上，依据用户需要，在OneNet云平台开发应用界面，实现用户在web网页、IPad和手机客户端均可查看被监控区域传感器采集到实时数据和对终端生产机械进行控制。操作方便，农民易于上手。

8.节能环保的可持续设计；

整套系统采用太阳能和市电供电的双电源系统，选用低功耗处理器。在农场安装太阳能电池板将电能进行储存并使用。引进了鱼菜共生的能量多级利用的生态养殖模式。将雨水收集、过滤、循环利用。并且在浇灌方式上选择了淋灌，此外本系统在路灯的设计上，通过人体红外传感器和光照强度共同作用，实现路灯的自动控制。

二、总结

本文通过对当前国内传统农业管理模式的研究，了解到落后的非智能化的农业生产，记录数据不够精确、运用大量人力资源进行作业和不必要的资源的浪费。针对这些问题本文提出了一种基于云平台的智能生态农场管理系统。本文的研究主要包括以下几点：

通过对智能生态农场管理系统中要用到的关键技术，研究并分析了ZigBee技术，并根据管理系统的功能需求提出了一套先进有效的智能生态农场管理系统方案，并且根据智能生态农场所应该具有的功能，简单介绍了一些硬件设备及其功能；分析研究了云平台，通过使用设备云，完成了对环境实时监控的功能；分析研究了闭环调控和云平台系统调控，提高了生产养殖过程中的精确性，解决了人工监管存在的问题；分析研究了云平台的应用，将农场内环境的实时数据上传至云平台并保留历史数据，使得用户清晰地掌握农场内实时的环境状况，通过开放的云平台应用，更好地为用户之间提供了数据的对比。