基于AIoT的智慧稻田监测系统研究

陈超颖　黄欣欣

关键词：AIoT；智慧稻田；监测系统

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）20-0150-03

0 引言

水稻的正常生长，需要稻田里的温度与湿度、光照与风速、土壤里的pH值、病虫害防治等都要达到一定的要求。但由于我国水稻种植地形复杂，影响着水稻生产的因素众多。因此，准确监测并把握影响水稻生长各项因素显得非常重要。

国外发达国家的农作物互联网监测系统应用研究大都以大农场为主，一般通过组建无线传感网对农业环境进行监测[1]，如PopovaZ等人将组建的物联网智能灌溉系统用于玉米地的用水管理，Baranwal等人构建图像技术和传感器采集相结合的防治病虫害监测系统[2]，等。国内农作物信息化与智能化研究取得较多成果，如中国农业大学刘卉设计了农田土壤温度湿度监测系统，刘飞飞等人设计了一种基于ZigBee的监测系统。但由于我国水稻环境的多样化，需要根据具体环境采取不同的监测系统，才能进行有效监测。但由于不同的监测系统，其稳定性及功耗管理方面存在一定的局限性，并不具有普适性。

物联网技术IoT和人工智能AI（简称AIoT） 的运用，通过IoT系统的传感器行进实时信息采集，在终端、边缘或云进行数据智能分析，最终形成一个智能化监测体系，在收集山区稻田生长环境的各项指标参数方面，有着较强的优势。目前，利用ZigBee无线传感网，具有低功耗和能远距离传输等适应山区稻田监测的特点，设计出适合监测山区水稻生长环境信息的物联网架构，并且具有异构融合能力，即具有将传输高清晰图像与低功率网融合为一体的能力，实现复杂山区环境水稻生长状态的环境拍摄与采集生长状态数据的功能，使复杂环境监测节点采集的数据能以动态的可视化的形式展示出来，并对采集到的数据运用人工智能进行分析[3]，将其监测结果应用到水稻生产的在线监测和水稻生产趋势评估当中，以确保水稻生长的数据采集与管理。

1 系统设计方案

基于AIoT的智慧稻田监测系统设计，主要采用ZigBee 协调器设备驱动传感器，因其具有成本低、功耗低等特点，特别适应于山区地带小型稻田智慧化的生态体系监测系统的运用。本系统利用 ZigBee 无线通信技术的传输是以自组多跳方式进行数据收发的特点，以其的终端设备驱动控制模块，然后将采集到的稻田环境数据发送到云平台，通过可视化界面将水稻生长状态画面与直观的数据信息在设备的控制页面显示出来。水稻管理工作人员输入账号可在移动终端设备上登录云平台，根据稻田生长环境的真实现状与相关信息分析，然后在设备上根据水稻生长信息进行远程操作控制，即可达到管理的目的。

山区丘陵地形稻田具有面積小、地势复杂高低不平且小稻田的集合体并不处在同一水平面上的特点，因此还需要根据其特点，分析现有的农业环境监测相关的物联网系统，在对其应用进行改进的基础上进行设计。采用了Wi?Fi 与ZigBee 混合组网的方式，把ZigBee与Wi?Fi的优势集合为一体，利用各个监测节点的不同功能对稻田环境的光照、土壤温湿度、风速、病害虫等数据实时进行采集，然后通过边缘计算与图像识别，以及数据融合等技术，将稻田环境监测转化为图像摄影与传感器采集数据相结合的监测，并使异构的无线传输网络形成融合的山区稻田环境监测物联网系统[4]。其检测系统三层架构如图1。

如图1所示，其中感知层是监测系统设计最重要的基础部分，感知层的有效构建可以对稻田生长环境中的各种生态参数进行有效采集，其主要部件是各种类型的传感器，其将感知获取的稻田环境多种现场生长数据信息。

传输层的主要任务是安全地输送与交互各类信息，即是将采集的数据与调控指令经ZigBee与Wi?Fi 无线通信技术传递到感知层、应用层以及云平台。

应用层是将稻田环境数据通过ZigBee与Wi?Fi的传输，通过云平台上的数据可视化部件转化，实现对稻田生长环境数据、参数设置等进行实时监测和管理的可视化控制页面。应用层是由智能移动终端与监控中心服务器两大部件构成，可将监测到的稻田环境数据信息存储在监控中心服务器中，通过智能移动终端的使用，非常方便稻田管理者访问监控中心服务器，稻田环境各种数据信息可尽情浏览与分析，以确定采取必要的管理措施，确保水稻生长状态的适宜性。在应用层，通过物联网云平台实现数据可视化显示，并根据数据设定阈值的异常变化对控制设备发送指令，实现监测与管理功能。AIoT智慧稻田监测系统是一个实现“采集—显示—控制”的稻田监测控制系统。

2 智慧稻田环境监测系统的硬件设计

2.1 传感器

智慧稻田监测系统中传感器是稻田环境数据采集的核心元件，需要采集和监测的环境数据包括风速、光照、土壤水分和温度以及 PH 值等。因此，根据山区稻田生长环境构成要素的多样性，需要不同类型的传感器进行数据的采集，以达到数据获取的最佳效果（见图2） 。以下为该系统使用的主要传感器设备 。

温湿度传感器： AHT10是一款集成式温湿度传感器，该传感器采用IIC信号输出，具有观测温度广、敏感性强且反应迅速、对数据信息的采集抗干扰性强、稳定性较强等特点。

光照传感器：光照的强弱对水稻的正常生长起着重要作用，其强弱度的变化影响着水稻的产量与质量。 BH1750 传感器对光源的依赖性较弱，野外红外线对其影响较少，降低功率可实现低电流化，可满足山区稻田光监测需求。

风速传感器：YJ-FS100-30 风速传感器是一款灵敏度与可靠性较高的监测仪器。其结构形式是三风杯式，内部锯齿状红外栅栏转动是由风杯的旋转而带动的，将红外效应转变为脉冲信号进行风速采集，通过精密微芯计算得到风速参数。该设备的参数为：供电电源为12～24V DC，平均功耗为 40mW，测量范围为0～60m/s，测量精度±（0.2+0.03v）m/s，其中 v 表示风速，现已广泛应用于农田、大棚温室、环境监测与治理、矿区等需要测量风速的场合。

pH值传感器：pH值是监测水稻生长重要参数之一。由于化肥与农药等的长期使用，影响着稻田土壤的pH值，使水稻生长状态深受干扰。如稻田土壤pH 值影响了水稻正常生长，在PH-BTA传感器pH值提示下，可进行必要的干预调整，以确保水稻的正常生长。

2.2 传输层硬件模块

主要由ZigBee模块、网关模块、多路复用模块、扩展模块、电源模块等构成。

ZigBee模块：ZigBee模块自组网，可实现多种协议之间的转换与接口，cc2530模块处理器拥有8051 单片机的处理核心，是系统解决方案的SOC 芯片。ZigBee终端节点采集稻田各类数据，采用Adc转换以及basicRF以实现各个节点之间的通信以及传感器数值的获取。这种ZigBee模块设计可以使处理器接口资源得到节省，并使连线方便。

网关模块：ZigBee／Wi?Fi 网关包括主控制器 STM32、ESP8266Wi?Fi模 块 和 ZigBee协调器组成。

Zigbee协调器模块：接收ZigBee终端节点传输过来的信息，传输给STM32。

STM32主控模块：接收ZigBee模块传输过来的信息，向稻田监测服务器设备发送数据，可在接收数据与处理信息，以及交互控制与无线协议转换等方面实现其功能。

Wi?Fi模块：无线局域网技术的连接需要Wi?Fi 技术，因为其对应着相关的通信规则，能使两个节点之间的连接得到保证。稻田监测系统是根ZigBee-Wi? Fi设计的，一般使用 2.4G UHF 或 5G SHF ISM 射频频段。因其有着传输速率较快的无线电波和较广的覆盖范围，而且设备接入方便，特别适应山区稻田环境监测使用。Wi?Fi 模块内置无线网络协议（IP / TCP 协议栈和IEEE802.11b.g.n 协议栈），可以方便的连接互联网络，进行数据传输。该模块接口有着多种方式 ， 例如IIC /GPIO/ UART /ADC/ PWM 等。

系统选用是Wi?Fi（ESP8266） 模块，使ZigBee-Wi? Fi与云平台对接通信，并通过TCP 建立的连接使数据收发等的操作得以实现。Wi?Fi 模块既可成为一个站点 SP，也可成为 AP 接入点，可以连接使手机与路由器等Wi?Fi 设备可以得到连接。

2.3 应用层硬件设计

ZigBee协调器与云平台的连接是通过Wi?Fi模块（ESP8266） 的功能完成的，Wi?Fi模块（ESP8266） 配置管脚与通信串口管脚，其支持 IEEE802b11/g/n 网络协议，工作频段为 2.4GHz，并且支持 WPA/WPA2 安全模式。

ZigBee协调器主要使用了RS232传输协议控制Wi?Fi模块，系统开启后其上行数据流能将ZigBee 终端传感器所采集到的日光强度、温湿度、风速等稻田环境数据，以无线通信形式发送到 ZigBee协调器，然后由 Wi?Fi 模块传输到云平台端，下行数据流则由移动管理用户端向设备发出调控指令，还是经 Wi?Fi 模块传输至ZigBee 协调器，ZigBee协调器都是以无线通信的方式调控 ZigBee 终端的设备进行运行 。

3 智慧稻田环境监测系统软件设计

3.1 系统实现需求

1） 采集山区稻田环境数据：系统能快速而准确地采集完整的稻田生长环境数据，如稻田的温与湿度、光照强度、水的pH值、风速等环境数据。

2） 远距离数据传输：系统能實现稻田监测所有节点的数据采集和调控，并且以无线通信方式实现节点间的各项数据远距离的传输。

3） 各项数据安全上传：各个节点采集的数据要安全上传到云平台进行有效处理。以 Wi?Fi技术安全上传各项数据，各用户还可以根据网络状况选择联网方式。

4） 进行监测故障报警：对监测系统中设备的运行状况进行监控，能对故障及时报警，便于系统的维护修理。

3.2 软件架构

智慧稻田监测系统作为稻田的监测和管理系统能够实现移动端和网页端跨端的使用，以后端服务器为核心并结合云平台和数据库进行持久化保存，实现用户对稻田状态的查看和控制，如图3所示。

1） 网页端

为了提高智慧稻田监测系统功能，保证系统的效率和质量，对页面 Web 前端采用基于框架的开发方式。

要实现基于Vue框架的网页端，要求将 elementUi， DataV和Echarts等组件库以图表的方式将区域数据展示出来，然后使用flv.js插件将rstp转为flv以实现视频监控连接。

根据Vue.js 的框架具有独特的响应式原理的特点，将其框架运用到本系统用户界面设计和开发有着明显优势。该框架使用的是基于 HTML 的语法，其MVVM是轻量级的，简单的 API即可将其响应式数据进行绑定，这样就可使Web 前端的开发得到简化[5]。

ElementUI与 vue是相互配合的 UI 框架，但该框架对于Vue 框架没有依赖性，换言之，在目前阶段使用效果最好的 UI 框架是其与Vue 框架的配合使用。因其在设计流程上高效而简洁，用户通过在界面的交互点击，就可以进行相应的直观操作与控制，而且使用户操作简单自由，具有良好的体验感。

Echarts 存储有大量的开源文档资料，可提供免费的学习资源，它是一款开发前端的可视化插件。通过开发后能够在上位机与手机等设备上流畅地运行。目前支持各款主流的浏览器，其界面有着丰富的功能且简洁，可自由制作任意样式的图表，并且可以实现符合用户需求的多种可视化界面的制作要求。

管理员可登录界面查看稻田状态，如图4所示。

2） 移动端

移动端主要是基于uniapp框架实现，能够实现多端适配，安卓端主要致力于用户对产品的使用，因此在用户登录界面实现了基本的用户信息校验和用户登录功能，在项目的展示页通过右下角菜单进行设备、控制器的查看，在监控栏能够查看稻田内的监控（图5） 。

3） 后端

后端主要是基于SSM+SpringBoot 框架实现， SpringBoot 框架既简化了复杂的开发过程，又使功能得到了全面升级。目前在后端开发中使用SpringBoot 框架是最为常见的，因相较于其他开发框架，Spring? Boot 框架具有功能丰富，而且操作简单，以及性能稳定而强大的特点更为突出。其能够通过简单的注释来进行接口编写，可以接收来自网页端与移动端发送的请求并对其做出回应。使用MySQL存储数据，并通过MyBatis连接、查询、添加等数据库操作。

4 系统测试

本系统主要用于对山区稻田生长环境的监测和控制，通过其功能的需求监测测试，实现了传感数据采集，稻田状态报警阈值监测，系统自身还可以对稻田部署的传感器状态进行监测，管理相关的传感器监测的基本数据信息，对传感器监测过程进行统一处理，可以从云平台、网页端和App进入方便了用户管理和处理相关的数据信息，并完善数据信息交互和功能管理。通过对山区稻田生长环境监测系统的软硬件设计测试结果表明，本系统对山区稻田环境参数采集性能稳定，其监测数据经ZigBee协调器节点，节点能自动入网，并将数据传输给云平台，达到监测目的。

5 结束语

本系统将山区稻田生长环境与ZigBee-Wi?Fi无线通信技术和云平台技术结合在一起，实现对山区稻田生长环境的适时监测。AIoT山区智慧稻田监测系统的框架结构与软硬件系统设计合理，利用Zigbee协调器与各种传感器节点实现数据采集，将采集的数据传输到云平台，在实现山区稻田环境的可视化监测与管理的功能方面优势明显，对促进山区农业生产环节监测系统建设与智能化管理有重要意义。