基于OneNET云平台的远程监控智能灌溉节水系统①

李思佳 贺福强 张明月 何 昊

（贵州大学机械工程学院 贵州贵阳550025）

一种农业智能灌溉节水系统，可远程监控现场环境的空气温湿度、土壤湿度以及通过云端传输数据分析，可以自动控制内部环境参数、施肥浇灌等设备［1］；同时，还可以通过手机、串口、计算机等用户终端向管理者推送动态监测信息，通过分析采集信息来控制灌溉量［2］。终端多样化提供了更大的便利，实现农作物现场环境的信息化、智能化远程监测，其主要是依靠信息感知技术、网络通信技术、自动控制技术等先进技术。本设计通过WiFi通讯技术，基于由中国移动开发的OneNET物联网云平台［3］对智能农业灌溉节水系统进行研究，该系统以PC为下位机，以OneNET为应用平台终端，在可控范围内减少灌溉用水的浪费，可大量减少人工成本，实现无人值守、精准调控的环境，达到高效节水［4］。

1 总体方案设计

本系统由5部分构成，分别为硬件设备、微控制器模块、被控模块、无线WiFi通讯模块、物联网云服务器等，该设计是根据农产品温湿度信息实现实时执行的自动化灌溉。图1为系统方案设计框架。

图1 系统方案设计框架

传感器通过无线传感器网络作为农业信息感知硬件设备，将结果提供给生产者，主要用于采集和获取各种农业资源信息，比如种植业中的温湿度和土壤湿度等参数。将采集到的数据上传到以STC12C5A60S2为主控芯片的微控制器模块。可将路由器热点通过WiFi无线模块进行连接，实现数据和主控芯片之间的通讯。可通过路由器的中转上传数据，传输到远端云服务器后，采用OneNET平台进行数据的处理和存储，从而使农业管理员能够通过网络对农作物进行数据存储和分析决策，下达命令对作为智能灌溉系统被控终端的继电器开关、LED灯光照明进行反馈数据并控制。

2 硬件设计

2.1 OneNET云服务器

OneNET作为一个PaaS物联网开放平台，能够帮助开发者轻松实现设备与设备连接，通过多种环境监控传感器设备介入环境监控平台，实现海量数据并发接入，保证传感器数据采集的安全性与稳定性。同时，还可以准确及详尽地归档，获取时间序列化的数据，并有效解决设备控制命令下行和实时通知消息推送，以及实时传输和路由等问题［5］。OneNET平台作为一个媒介，以多功能为主导，可以看到通过多个传感器所采集到的信息。因此，云服务平台最好的选择就是OneNET。

2.2 WiFi通信模块

本次设计选用了ESP8266的AP+Station，ESP8266是一款超低功耗的WiFi透传模块［6］，可实现互联网或局域网的通信。工作时传输性能稳定、传 输 距 离 远［7］。图2为WiFi-ESP8266工 作原理。

WiFi模块是由编码模块和高频发射模块组成，编码模块是具有远程管理功能，支持远程参数设置。高频发射模块可以采集串口设备数据，通信功能是将TTL电平转为符合WiFi无线通信网络标准的嵌入式模块，通过异步收发器（UATR）接口连接到设备上。STC12C5A60S2和ESP8266之间的通信主要是通过STC12C5A60S2上的P0.0与端口TXD，STC12C5A60S2上的P0.1与ESP8266端口RXD之间的数据交换来完成，其中RXD属于串行数据接收端口，TXD属于串行数据发送端口［8］。

图2 WiFi-ESP8266的原理

2.3 微控制器模块

单片机其CPU可以对其I/O端口直接进行操作，位控能力更是无法比拟的。还可以用于各种物理量的采集与控制。选择单片机作为本系统的主控元件，因为单片机是为了满足工业控制而设计的，控制功能特别强，且成本低数据采集方便灵活，更加适合本文设计的主控芯片。

根据功能作用，本设计采用STC12C5A60S2［9］作为系统设计核心，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，可当作2路D/A使用，芯片的电路设计和软件设计都特别方便，汇编程序也比较简单。

2.4 传感器模块

传感器模块包括温湿度传感器和土壤湿度传感器［10］。图3为空气温湿度测量电路图。考虑性能和测试结果准确等，选择DHT11温湿度传感器。DHT11数字传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接［11］。该传感器容易受多方面因素影响，但DHT11是一个稳定性很高的温湿度传感器，响应时间短也满足本设计实时性的要求。

图3 温湿度测量电路图

土壤湿度传感器又称为土壤水分传感器，主要用来测量土壤相对含水量，也就是指土壤含水量占田间持水量的百分数，不同农作物的相对含水量有所不同。其优点是土壤湿度传感器测量精度高，性能强，响应速度极快，数据传输效率高，在本系统中有着不可缺少的重要性。采用FDR频域反射原理，利用电磁波在介质中传波频率来测量土壤介电常数［12］。因为要长期埋在土壤里，所以由不锈钢针和防水探头构成，对表层和深层土壤进行定点监测和在线监测。工作原理是当传感器插入土壤后，输出电压随着土壤湿度升高而增大，本设计采用的是叉型设计，方便插入土壤。传感器探头a、b是由长160 mm、直径为5 mm的两根不锈钢棒制成，相间55 mm。图4是土壤湿度测量电路。

2.5 系统浇灌模块

图4 土壤湿度测量电路

系统浇灌模块是该设计的重要组成部分，所谓智能灌溉，就必须要有着自动灌溉的能力，通过数据分析何时应该打开水泵开始灌溉，何时应该关闭水泵停止灌溉。卧式潜水泵是潜水泵的一种，其优点体积小、携带方便，可以广泛应用到农业中去［13］。主要用于农田灌溉及高山区人畜用水。但是在现实中却要考虑自然因素的影响，水泵的工作环境有：（1）额定电压为110V，最高电压137V，最低电压77V；（2）在240 KPa的气压下保压1 min不会存在漏气。水泵电路见图5。本设计中，水泵模块的电压是5 V，用LED指示灯来判定水泵是否正常工作。

图5 水泵电路

2.6 电源转换电路模块

本设计的电源都是采用5 V的直流电源，但该电源的有2个接口［14］，一个适用于5 V电压，一个适用于3.3 V电压，便于适合多个设备供电。5 V转3.3 V稳压电路见图6。USB直流电源直接供电，为了使电源电路设计能够更加的方便，采用了电脑适配器USB接口直接接入电源，而且它的成本也是相对较低的。保证电源稳定在5 V输出，使系统更加稳定，通过红LED灯亮可以清晰看出电源已经供电。USB供电接口见图7。

通过这些不同的元器件的组合，设计的基于WiFi技术的智能灌溉系统得以实现，各个元器件都有着不同的功能，缺一不可，将各个元器件连接起来，形成一个总的控制系统，在设计总体电路图时，通过电源模块给整个电路通电，然后通过ESP8266各引脚的作用，分别连接LED灯、水泵模块、温度传感器模块等，目的就是为了通过WiFi模块的控制，代码的编写，串联起各个模块，来实现基于WiFi组网技术的智能灌溉系统。

图6 5V转3.3V稳压电路F

图7 USB供电接口

3 软件设计

3.1 WiFi传输程序设计

WiFi传输程序设计分为3个部分。首先，初始化。每次在云平台上观察到设备状态为“离线”时，说明未连接该无线网络，需要重新配置，正确输入WiFi名称和WiFi密码。其次，扫描网络。看到接收和发送的数字不断在变化，说明连接成功，判断是否有农业传感网络节点数据上传到上位机，倘若有则建立起信道传输渠道，没有则继续连接。

单片机在上电后，进行系列的初始化，用TTL接口加入指定的WiFi网络，将各个传感器采集到的数据发送给接口。建立WiFi网络，然后和其进行通信。当找到合适的WiFi网络时，传感器把采集到的数据通信到上位机和OneNET云平台，若达不到环境参数的标准值，则会对相关数据进行处理，判断是否为自动模式，再反馈到被控设备，并进行反应。系统软件的工作流程见图8。

图8 系统工作流程

3.2 PC上位机设计

PC上位机即智能灌溉节水系统管理软件，可以直接发出指令操控整个系统，软件界面显示温湿度信号的实时状态变化及各个灌溉阀门执行按钮，担任着灌溉部分对各湿度传感器的远程管理工作，是整个灌溉系统的枢纽［15］。本设计采用的是51单片机的增强型STC12C5A60S2芯片，开发环境是Keilu Vision4 C51软件，是如今嵌入式常用的开发环境，支持C/C++语言开发，而且C语言编辑效率很高。根据窗口界面的设置参数，找到对应的正确端口数，设置好波特率，来设置串口类的各个参数。图9为未连接时串口示意图。智能灌溉节水系统上位机软件界面主要包括串口传输、接收信息、发送信息以及数据存储模块。监测人员通过上位机给系统发出控制指令，保证各模块正常运行。

图9 未连接时串口示意图

4 系统测试

4.1 实时信息界面

将程序下载到单片机后，给系统上电。在连接好所有设备后便打开串口进行调试，在串口调试成功后，显示连接成功，可以在串口工具上看见温度、土壤湿度、光照强度等数据的信息。为了更智能的设计，在串口工具上设置了主动和手动2个模式。为了根据不同的环境，设定了阈值。图10为连接成功后串口显示图。

图10 连接成功后串口显示图

4.2 远程监控界面

远程监控界面主要根据OneNet提供的网页编辑来进行设计。在网页上可以手动选择想要了解的农作物的信息，可以观察到OneNET云平台的应用界面上与PC上位机的控件相一致，随时监测农作物实时状态，如监测4种不同农作物，并在该界面上清楚地看到不同农作物的环境参数变化。图11为OneNET用户远程控制界面。

4.3 开关控制验证

远端设备控制部分的状态可以通过按钮实时地反映出来，见图12。当开启水泵时，按钮的红灯就会亮起，而红灯灭时为关闭状态。当自动模式时，按钮的绿灯就会亮起，绿灯灭时为手动模式。从PC上位机和OneNET平台网页端来看，经过多次试验发现，按钮改变状态到设备有1 s延时，实际情况还要依据网速而定。

5 总结

图11 用户远程控制界面

图12 用户控制窗口

本设计以STC12C5A60S2为核心，利用ESP8266和OneNET云平台的特性，设计一套基于WiFi技术和物联网感应的智能农业实时监控系统。通过采集多种传感器检测到的数据，上传到OneNET云平台中，上传实时数据，可以让用户随时看到参数数据，监控整个农业环境，实现农业灌溉的自动化。经过测试，本系统解决了传统灌溉水资源浪费大、稳定性差的问题，整个系统符合实用性、开放性、方便性等设计原则，极大优化了水资源的调配。