基于OneNet設(shè)備云的農(nóng)業(yè)云監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龐培釗 吳夢(mèng)嬌 陳馨 王明遠(yuǎn) 薄雅

摘 要：為解決傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足用戶隨時(shí)隨地對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程管理的問(wèn)題，文章基于中國(guó)移動(dòng)打造的OneNet設(shè)備云，設(shè)計(jì)了智慧農(nóng)業(yè)云監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括三個(gè)功能模塊，即Arduino實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、OneNet云平臺(tái)數(shù)據(jù)分析模塊和Arduino終端控制調(diào)節(jié)模塊。智慧農(nóng)業(yè)云監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)空氣溫濕度、土壤溫濕度、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，對(duì)電機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)性價(jià)比高，軟件開(kāi)放性好，傳感器接入方便，適用于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理與研究。

關(guān)鍵詞：OneNet云平臺(tái)；Arduino；農(nóng)業(yè)；監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）02-0107-02

Abstract： In order to solve the problem that the traditional automatic monitoring system can not satisfy the users' management of agricultural production process anytime and anywhere， this paper designs an intelligent agricultural cloud monitoring system based on the OneNet device cloud made by China Mobile. The system mainly includes three functional modules， namely， Arduino real-time monitoring module， OneNet cloud platform data analysis module and Arduino terminal control module. Intelligent agriculture cloud monitoring system can collect real-time data of air temperature and humidity， soil temperature and humidity， production of agricultural products， and remote control of motors， pumps， fans and other production machinery. The system has high performance-to-price ratio， good openness of software and convenient connection of sensors. It is suitable for the management and research of modern agricultural production.

Keywords： OneNet Cloud platform； Arduino； agriculture； monitoring

2017年我國(guó)農(nóng)作物耕種收機(jī)械化水平達(dá)65%以上，隨著我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平得到顯著提升。但目前我國(guó)農(nóng)業(yè)仍處于產(chǎn)業(yè)化的初級(jí)階段，2016年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.542，與發(fā)達(dá)國(guó)家0.7-0.8的水平仍然差距很大。傳統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要以局域網(wǎng)上機(jī)位對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行管理，終端傳感器單一，集成化低。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)下，已不能滿足用戶隨時(shí)隨地對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)、生產(chǎn)情況、突發(fā)事件的監(jiān)控和管理需求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)云監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由傳感器模塊、OneNet云平臺(tái)、ESP8266Wi-Fi模塊和終端控制模塊組成。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用分層分布式設(shè)計(jì)，分為感測(cè)層、網(wǎng)絡(luò)通訊層、應(yīng)用層。感測(cè)層上，利用ESP8266的GPIO對(duì)接入的空氣溫濕度、土壤溫濕度、視頻等多種不同類(lèi)型的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和對(duì)終端生產(chǎn)機(jī)械發(fā)出控制信號(hào)，停止和起動(dòng)水泵、電機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械；網(wǎng)絡(luò)通訊層上，通過(guò)ESP8266WiFi模塊，搭載4G網(wǎng)絡(luò)、WiFi、Internet，與OneNet云平臺(tái)建立網(wǎng)絡(luò)連接；應(yīng)用層上，依據(jù)用戶需要，在OneNet云平臺(tái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用界面，實(shí)現(xiàn)用戶在web網(wǎng)頁(yè)、IPad和手機(jī)客戶端均可查看被監(jiān)控區(qū)域傳感器采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和對(duì)終端生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行控制。

2 傳感采集和輸出控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤溫濕度，感測(cè)晴雨天氣，亦可對(duì)含有水泵、電機(jī)的生產(chǎn)機(jī)械實(shí)施控制。土壤濕度檢測(cè)采用FY-H2土壤濕度傳感器，該傳感器基于電磁脈沖原理測(cè)量土壤的表觀介電常數(shù)，推算得到土壤濕度。具有快速準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，不受土壤中化肥和金屬離子的影響，良好的密封性和耐腐蝕性，可長(zhǎng)期埋入土壤中使用。本系統(tǒng)采用此類(lèi)型傳感器，檢測(cè)范圍在0～100%，工作溫度范圍-50～80℃；準(zhǔn)確度為±3%；使用DC5V供電，工作電流為5～8mA；以RS232方式輸出。溫度傳感器采用DS18B20，包裹黃銅材質(zhì)外殼，可以避免生銹并確保準(zhǔn)確測(cè)量，檢測(cè)范圍在-20℃～+70℃，準(zhǔn)確度為±0.5℃，使用DC5V供電，單總線方式通信。晴雨天氣檢測(cè)采用了雨滴傳感器，以開(kāi)關(guān)量輸出指示降雨與否。

為滿足對(duì)于水泵、電機(jī)等的控制，本系統(tǒng)采用了4路繼電器輸出方式，觸點(diǎn)電流為10A，接入生產(chǎn)機(jī)械的電氣控制回路，即可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止控制。電路原理如圖2所示。Arduino Mega 2560的RX2和TX2連接土壤濕度傳感器的RS232輸出，溫度傳感器的單總線連接D22引腳，雨滴傳感器連接D24引腳。引腳D31、D33、D35、D37分別連接繼電器控制端。

3 接入OneNet云平臺(tái)

3.1 智能硬件接入OneNet云平臺(tái)流程

OneNet是中國(guó)移動(dòng)公司打造的一款向所有硬件終端硬件開(kāi)放的免費(fèi)云平臺(tái)。OneNet云平臺(tái)擁有安全、穩(wěn)定、持續(xù)的運(yùn)營(yíng)體系，能夠提供給用戶安全的設(shè)備端SDK和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，支持?jǐn)?shù)據(jù)加密（TLS/SSL）和通信通道保護(hù)。其組織結(jié)構(gòu)不僅形式十分清晰，而且框架全開(kāi)放、高擴(kuò)展，從根源上解決了需大量接入不同類(lèi)型傳感器時(shí)的難題。OneNet設(shè)備云適配于多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類(lèi)型，每個(gè)個(gè)人或企業(yè)賬號(hào)可創(chuàng)建多個(gè)項(xiàng)目，各項(xiàng)目可連接多個(gè)傳感器和終端負(fù)載。用戶可根據(jù)自己的需求選擇連接傳感器和終端負(fù)載，無(wú)需高額成本自建平臺(tái)和后期平臺(tái)運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用，有效地降低了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)成本和運(yùn)營(yíng)成本。

用戶在OneNet設(shè)備云上注冊(cè)個(gè)人或企業(yè)賬號(hào)，通過(guò)賬號(hào)建立自己的項(xiàng)目以及為設(shè)備申請(qǐng)ID。OneNet設(shè)備云根據(jù)用戶的申請(qǐng)為相應(yīng)的終端智能硬件分配虛擬ID和APIKEY，并通過(guò)相應(yīng)的協(xié)議與終端智能硬件建立TCP連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和控制信號(hào)的發(fā)出。

3.2 ESP8266和Arduino的遠(yuǎn)程控制

Arduino mage2560向ESP8266發(fā)送請(qǐng)求連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，若在200ms延時(shí)內(nèi)得到回復(fù)，則繼續(xù)請(qǐng)求發(fā)送TCP數(shù)據(jù)包，而后進(jìn)行采集到的數(shù)據(jù)、控制信號(hào)的傳輸。若Arduino mage2560未連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器或TCP數(shù)據(jù)包未發(fā)送，則錯(cuò)誤指示燈將亮起，并且自動(dòng)重新連接。當(dāng)以上過(guò)程均無(wú)誤，Arduino mage2560將會(huì)收到服務(wù)器回復(fù)的信息，則終端控制單元與OneNet設(shè)備云通訊建立成功。

基于Arduino MEGA2560開(kāi)展編程，利用ArduinoJson.h和HttpPacket.h庫(kù)，根據(jù)應(yīng)用需要定義傳感器的sensor_id，使用postDataToOneNet（API_KEY， device_id， sensor_id， sensor.value）函數(shù)發(fā)送感測(cè)到的數(shù)據(jù)；使用getDataFromOneNet（char* API_VALUE_temp， char* device_id_temp， char* sensor_id_temp）獲得來(lái)自O(shè)neNet云平臺(tái)的控制指令和數(shù)值指令。程序編寫(xiě)畫(huà)面如圖3所示。

4 試驗(yàn)及結(jié)果

在常溫下進(jìn)行魚(yú)塘養(yǎng)殖監(jiān)控試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)以空氣溫濕度傳感器DHT11、雨滴傳感器和視頻監(jiān)控器作為采集端，以Arduino mage2560和ESP8266WiFi模塊作為控制終端，以增氧機(jī)作為終端被控負(fù)載。采集到的數(shù)據(jù)和控制指令發(fā)出標(biāo)識(shí)在web客戶端的界面展示如圖4所示。包括空氣溫度曲線、空氣濕度曲線、視頻監(jiān)控、天氣和水泵開(kāi)關(guān)指令。

經(jīng)多次試驗(yàn)，客戶端能有效、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到被監(jiān)控區(qū)域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在控制指令發(fā)出2s左右后終端水泵開(kāi)始工作。經(jīng)測(cè)試采集控制終端體積為113mm*61mm*25mm，工作時(shí)的電流為16mA，工作功率不大于0.08W。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用Arduino mage2560和OneNet云平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)。可采集空氣溫濕度、土壤溫濕度、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品圖像等信息，可控制電機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等終端生產(chǎn)機(jī)械，為解決傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足用戶隨時(shí)隨地對(duì)被監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行管理，提供了一種新的解決方案。該系統(tǒng)具有終端集成化程度高、功耗小，多種傳感器接入方便，軟件開(kāi)放性好、硬件性價(jià)比高等特點(diǎn)。以O(shè)neNet作為云平臺(tái)，終端傳感器與生產(chǎn)機(jī)械通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳感層搭載4G網(wǎng)絡(luò)與OneNet云平臺(tái)建立網(wǎng)絡(luò)連接，忽略現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)，整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，該系統(tǒng)將帶給用戶更優(yōu)質(zhì)的體驗(yàn)，具有良好的研究前景與應(yīng)用前景。

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