基于农业物联网的特早熟黄花菜智慧管理系统

盛晓雨，蔡 鹏，郑世玲，张 霞*

（1. 聊城大学物理科学与信息工程学院，聊城 252000；2. 山东省光通信科学与技术重点实验室，聊城 252000）

0 引言

近年来，随着物联网、5G 通信等技术的飞速发展以及专家学者的深入研究，国内外涌现出许多与农业物联网相关的新技术，拓宽了物联网在现代农业中的应用［1］。比如美国应用“5S 技术”、智能化农机技术等形成了农业精细化、规模化发展的智慧农业生产线系统［2］；我国应用传感器技术以及ZigBee、Wi-Fi、NB-IoT等网络通信技术，将环境监测设备从互联网单点设备逐步转变成多元化设备平台［3］。但当前国内农业智慧化覆盖程度不够广泛且相关硬件设备成本较高，导致在农业生产采集过程中，一些农作物种植管理还是人工操作。一方面，生产过程对温湿度等数据的把控要靠农民本身的经验或对相关数据进行逐一采集来判断作物所处环境的信息，缺乏准确性与权威性；另一方面，通风、灌溉等设施需要人力启动，耗费大量的人力物力，工作量大［4］。急需构建智慧农业管理系统，借助大数据平台进行农业数据的收集、分析以及环境的改善，以实现现代农业的提质增效增产［5］。其中，陈玉［6］搭建的智慧茶园云管理平台采用Spring Cloud 架构完成，可实现对茶叶大棚的环境监测以及精准控制管理；郑春雨等［7］基于安卓平台和GIS 技术，设计了一套智慧农业管理系统并在河湖长制遥感动态监测等工作中取得有效推广；刘飞飞等［8］设计的基于ZigBee 的分布式农业环境监测系统，采用了ZigBee 通信传输技术，进行数据采集处理与精准传输。

从上述研究背景和现状可知，农业智慧化管理从点的突破逐步转变成系统能力的提升，覆盖了农业生产中的多个环节。但是，智慧管理系统多用于种植水果蔬菜、茶叶等常见作物，应用类型不够广泛且系统的设计方案和核心技术还有待优化提高。针对上述问题，通过对聊河黄花菜市场需求的调研，设计了一种基于农业物联网的“特早熟”黄花菜智慧管理系统，应用于聊城市聊河农业科技有限公司的黄花菜种植大棚。系统利用数据采集硬件模块对黄花菜大棚中的空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、二氧化碳等环境信息进行数据采集，依托OneNET 物联网云平台搭建接收数据的界面，工作人员可通过手机客户端和网页客户端对采集数据进行监控并远程控制棚内的卷帘、风机、照明、灌溉等设备，让黄花菜始终处在适宜的生长环境中，从而有效提高大棚的管理效率。该系统通过后期测试和现场布设后，聊河基地用户反馈可实现黄花菜园区标准化生产的集中管控，提高劳动生产率和农作物采摘质量。

1 智慧管理系统总体架构设计

整个黄花菜智慧管理系统主要应用于现代化“特早熟”黄花菜园的综合管理。根据农业生产环境的实际需求进行分析，参考物联网体系结构模型，采用分层思想［9］对黄花菜智慧管理系统的总体架构进行设计。

智慧管理系统总体架构主要由三层结构组成，分别为感知执行层、传输层和应用层，如图1所示。

图1 智慧管理系统总体架构

感知执行层主要包括土壤温湿度、空气温湿度、光照强度等多种传感器，对黄花菜大棚中的温湿度、光照强度、二氧化碳等环境信息进行数据采集；传输层由汇聚节点、Wi-Fi 模块等部分组成，主要负责数据传输与预处理；应用层是依托OneNET物联网云平台搭建而成的智慧黄花菜园管理平台，用户可以通过网页客户端或手机微信小程序实时查看农业大棚环境信息，以及对温室大棚内的遮阳、灌溉、通风等设备进行远程控制。

2 智慧管理系统硬件设计

该智慧管理系统从功能实现上又可以分为环境监测和远程控制。环境监测系统硬件结构由Arduino UNO PLUS 主控模块、多种传感器数据采集模块、无线通信模块等构成。基于环境监测系统提供的数据，推进农业管理智能化，设计远程智能控制系统，该控制系统硬件结构主要由STM32F103C8T6 主控芯片、无线通信模块、控制设备和相应的继电器、接触器控制电路组成，采用自动调节控制和远程控制相结合的设计，实现棚内卷帘、风机、照明、灌溉等设备的即时控制。系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构

2.1 数据采集系统硬件设计

在黄花菜园区，可以通过采集环境监测数据为大棚的智慧化管理提供数据指导，数据采集系统的硬件电路图如图3 所示。选用Arduino UNO PLUS 作为主控模块，配置了十四个数字I/O 端口、六个模拟端口、I2C 插头等引脚，支持UART、I2C、GPIO 等，适用于多种物联网应用场合［10］。主控电路与DS18B20 土壤温度检测模块、YL-69土壤湿度检测模块、AHT20空气温湿度检测模块、GY-302 光照强度监测模块和SGP30 二氧化碳检测模块连接，进行多种环境数据的采集。采集到的传感器数据通过Wi-Fi模块上传到云平台，Wi-Fi模块采用串口与MCU通信，云平台存储和展示所收集到的环境信息。

图3 数据采集系统硬件电路图

除了PC 端云平台展示，还安装了LED 显示屏。主控模块本身不含RS485 通讯接口，所以外接了TTL 转RS485 模块，通过RS485 协议与LED 显示屏进行通讯，通过LED 显示屏可以更直观地观察到温室大棚内环境数据变化。

2.2 远程控制系统硬件设计

为了最大化地开发数据采集系统的黄花菜信息传输处理功能，发挥数据采集的作用，实现基于数据指导的远程控制照明、灌溉等设备的功能，选用性能更加稳定、操作更加便捷的远程控制系统，远程控制系统的硬件电路如图4所示。该系统选用STM32F103C8T6 单片机作为主控模块，端口输出信号经过光耦隔离电路，使被隔离的低压主控电路和外部高压继电器控制电路之间没有电的直接连接，主要是防止因有电的连接而引起的干扰。

图4 远程控制系统硬件电路图

在继电器控制电路中，单片机通过发送高低电平信号来控制继电器线圈吸合，不同的继电器分别实现控制总供电和控制接触器切换功能。当控制总供电的继电器吸合时，负责切换的继电器吸合或断开会引起两个接触器交替吸合，以此来控制接触器控制电路中电机的正转反转；当控制总供电的继电器断开时，接触器都断开，控制的设备停止运作。此控制系统还加入了Wi-Fi通讯模块，将设备状态上传至云平台，平台可下发命令控制相应设备，适用于遮阳棉、喷水器、通风机等设备的远程控制。

3 系统软件设计

3.1 系统软件功能描述

基于Arduino、STM32 嵌入式软件编程，数据采集部分软件实现主控板在主循环中完成对土壤温湿度、光照强度、二氧化碳等传感器数据的采集，将数据汇集到终端节点，通过Wi-Fi模块将数据定时发送到OneNET 云平台。还可以按照控制器规定的通讯协议与LED 屏通讯，将传感器采集到的数据展示在大屏幕上。远程控制部分软件实现基于STM32 控制设备与状态上传云平台，实时监听接收网关下达的控制命令。

3.2 数据采集部分软件设计

打开Arduino 编程软件，写入硬件采样程序，系统对硬件、I2C 等通讯协议进行初始化设定（包括中断、延时、串口）。MCU 控制中心通过Wi-Fi 模块发送AT 指令连接云平台，平台得到响应显示设备在线。各种传感器通过USART、单总线、I2C 通讯协议与Arduino UNO PLUS 主控板进行通讯，单片机将采集到的环境监测数据上传到OneNET 云平台，通过可视化界面及LED屏实时显示。软件流程如图5 所示。

图5 数据采集软件流程

3.3 LED电子显示屏软件设计

该系统为了更直观地显示数据，在数据采集设备上外接了液晶拼接LED 大屏，该LED 屏内置的控制卡支持二次开发，通过RS485 通讯方式与主控模块进行通信。软件实现需要按照字库控制器的标准协议格式（帧头+包头数据+数据域+包校验+帧尾）生成数据帧，并将数据帧发送给内置的控制卡，控制卡会按照协议有所回复，同时会根据命令数据的不同进行相应的处理，包括将采集到的环境信息显示到LED 屏上，通讯就可以正常进行了。

3.4 远程控制部分软件设计

首先，进行硬件初始化，配置所需的AT 指令，通过串口把AT 指令发送给Wi-Fi 模块，即循环发送一个指针里面的所有数据。其次，通过EDP 协议建立与平台的连接，调用平台封装好的接口函数，以EDP协议的Type3格式上传数据。最后，通过平台下发命令，提取到的命令会存储在数组中用字符匹配函数判断该数组是否有想要的命令，即可进行相应的设备控制操作。同时，为了防止设备掉线，每隔30 s 发一次心跳包，以长时间保持跟平台的连接［11］。软件流程如图6所示。

图6 远程控制软件流程

4 系统测试

为了检验该系统的性能，通过采集环境数据用于黄花菜大棚的控制。该管理系统在聊城市聊河农业科技有限公司农业大棚开启综合测试，现场部分设备布设展示如图7和图8所示。

图7 传感设备分布情况

图8 电机控制实物图

其中，数据采集系统每隔4 s 采集一次数据，技术测试人员可在编程系统Arduino IDE 的串口监视器中查看到传感器采集的环境信息，与此同时各种数据会发送至云平台，产生发送数据成功响应，检查串口监视器与云平台数据流展示是否一致，如图9所示，显示一致后说明成功完成环境监测数据的上传。

环境监测数据成功上传后，如果土壤湿度低于预设阈值，工作人员可通过云平台远程控制系统打开喷淋、滴灌等设备，自动完成农田灌溉，补足作物所需水分。经过一系列测试，聊河基地用户反馈该系统操作简洁高效，极大提升了数据采集的准确性，达到了远程控制的可靠性和及时性效果，用户能随时随地观察设备的运行状态，及时进行预警，明显减少了人工投入，对实现黄花菜的提质增效增产有显著帮助。

除了云平台显示和控制，用户还可以通过如图10 所示的微信小程序界面，登录查看黄花菜生产过程中的环境监测数据，在系统中查看每一个采集点的环境实时数据和历史数据，实现遮阳棉、洒水器、风机等设备的远程控制。

图10 基于特早熟黄花菜智慧管理系统的微信小程序

聊河基地用户反映使用微信小程序可以提升日常农事作业记录的便利程度并有效反馈黄花菜生长过程中遇到的问题，及时采取相应措施保障黄花菜的健康生长状况。

5 结语

本文设计了一个基于农业物联网的特早熟黄花菜智慧管理系统，该系统采用传感器技术和Wi-Fi网络通信等技术，将采集数据传输至云平台进行处理和分析，实现环境信息的自动监测和实时报警，用来判断黄花菜的环境信息是否正常，如果不正常还可以及时采取措施修复环境，以尽量避免恶劣环境对黄花菜造成的减产甚至死亡问题。然后，将灌溉、遮阳等半自动化设施接入平台以根据环境信息来实现智能控制，大大降低人力成本。同时，用户还可以通过微信小程序进行数据提取及操控。另外，考虑到农业大棚网络覆盖范围不广和Wi-Fi模块传输距离较短等环境因素，可能会造成采集过程中数据的丢失，后期将数据处理与分析等方面作为研究重点，全面优化系统的数据传输性能，最大化地开发数据的功能，为现代农业的智慧化管理提供数据指导。