智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡浩明 陳康 藍(lán)貝蓓

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林 541004）

目前傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用最普遍的領(lǐng)域就是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)。通過對(duì)氣候、土壤、水、空氣質(zhì)量、作物成長、魚禽畜的生長，甚至是設(shè)備和勞動(dòng)力的成本以及可用性方面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，預(yù)測分析之后用來做出更科學(xué)、更精準(zhǔn)的決策。另一方面，農(nóng)業(yè)作為中國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，面臨著農(nóng)產(chǎn)品需求不斷在增加、資源短缺、氣候多變導(dǎo)致災(zāi)害頻發(fā)。因此，如何以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的信息化基礎(chǔ)，提升農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)，打開智慧農(nóng)業(yè)新局面，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和信息化的跨越式發(fā)展，成為一個(gè)熱門的研究方向。

本文設(shè)計(jì)在智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)就是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)經(jīng)典模式，分為硬件采集、終端發(fā)送、服務(wù)器處理、應(yīng)用層調(diào)用等部分，在硬件設(shè)計(jì)中使用了專業(yè)的土壤和大氣相關(guān)的傳感器，使得數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確和具有說服力。

1 智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理過程中，目前大部分用戶都是采用人工實(shí)地管理，這樣的管理方式給用戶帶來很多的不便，而目前世面上的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，北斗導(dǎo)航定位技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)都已經(jīng)很成熟，所以為了解決這些問題，本項(xiàng)目研究和設(shè)計(jì)一款智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要完成大氣溫度、空氣濕度、土壤情況、位置信息等相關(guān)的數(shù)據(jù)采集，并通過無線通信技術(shù)發(fā)送給用戶，以便用戶實(shí)時(shí)了解情況，用戶針對(duì)不同的情況采取不同的解決方案，以便提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理效率。本項(xiàng)目的研究內(nèi)容可以大致分為以下五個(gè)部分：

（1）設(shè)計(jì)一個(gè)硬件傳感器采集電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并通過無線通信模塊發(fā)送至總下位機(jī)，其中包括大氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、地理位置等數(shù)據(jù)。（2）設(shè)計(jì)一個(gè)總下位機(jī)，用于通過無線通信模塊接收采集端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，最后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測終端（PC 端）。（3）搭建數(shù)據(jù)監(jiān)測終端，該終端可以實(shí)現(xiàn)使用串口通信接收總下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)、查看數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至指定的郵箱或者發(fā)送短信。（4）搭建數(shù)據(jù)庫，用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的開發(fā)。（5）開發(fā)網(wǎng)站和安卓端APP，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

針對(duì)以上研究內(nèi)容，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)各部分具體設(shè)計(jì)

2.1 硬件方案設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)分為五大部分：采集節(jié)點(diǎn)主控、傳感器采集、無線通信組件、接收終端、PC 上位機(jī)。使用了LORA 模塊進(jìn)行將數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送終端的操作，使用ESP8266WiFi 模塊將數(shù)據(jù)從硬件終端發(fā)送至TCP 服務(wù)器，TCP 服務(wù)器和HTTP 服務(wù)器共用一套數(shù)據(jù)庫，可以直接將應(yīng)用層連接起來。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示，最終的效果就是在硬件采集的數(shù)據(jù)可以依次經(jīng)過采集結(jié)點(diǎn)、接收終端、TCP 服務(wù)器、HTTP 服務(wù)器、PC 上位機(jī)。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖

2.1.2 編程實(shí)現(xiàn)

采集設(shè)備程序的設(shè)計(jì)使用順序結(jié)構(gòu)的模塊編程的編程方式。主程序設(shè)計(jì)框圖如圖3 所示。

圖3 主程序設(shè)計(jì)框圖

主程序的設(shè)計(jì)思路大致為：首先要規(guī)劃好哪些變量是需要設(shè)置為全局屬性的而哪些要設(shè)置為臨時(shí)的，其次是由于采集節(jié)點(diǎn)有比較多的傳感器數(shù)據(jù)，所以為了方便管理定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)體來存放，這樣增強(qiáng)了代碼的可讀性和維護(hù)性。進(jìn)入main()函數(shù)，先定義和初始化好相關(guān)的局部變量，然后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，如：串口、GPS、各種傳感器等相關(guān)初始化。接下來就是對(duì)設(shè)備的定位，GPS 開始獲取數(shù)據(jù)，主控接收GPS 模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，如果重復(fù)獲取數(shù)據(jù)都未能將必要的位置信息解析出來，可以認(rèn)為設(shè)備當(dāng)前位置的GPS 信號(hào)比較弱或者接收不到GPS 信號(hào)，這個(gè)時(shí)候程序會(huì)放棄GPS 模塊，將直接往下執(zhí)行。接下來就是等待接收端發(fā)送過來的信號(hào)，如果收到則開始采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。

終端設(shè)備程序程序設(shè)計(jì)主要是無線串口與采集設(shè)備通信和WIFI 模塊與TCP 服務(wù)器通信。主函數(shù)的設(shè)計(jì)思路就是將所有模塊都開始初始化之后開始對(duì)WIFI 模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)測試，在指定WLAN 的情況之下，將自動(dòng)完成接入網(wǎng)絡(luò)，并且與TCP 服務(wù)器連接，如果聯(lián)網(wǎng)成功，則開始循環(huán)發(fā)送信號(hào)給各位從機(jī)接收采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于需要實(shí)現(xiàn)多對(duì)一的通信加上串口不能同時(shí)進(jìn)行多對(duì)一的通信，所以最終選用了廣播與監(jiān)聽模式，同時(shí)需要采用輪詢機(jī)制，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信, N 個(gè)從節(jié)點(diǎn)輪流與中心點(diǎn)通信,從節(jié)點(diǎn)上傳,等待中心點(diǎn)收到后返回確認(rèn)，然后下一個(gè)節(jié)點(diǎn)再開始上傳,直到所有N 個(gè)節(jié)點(diǎn)全部完成，一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上還屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,但是加入了分時(shí)處理, N個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間的頻點(diǎn)可以分開,也可重復(fù)使用。優(yōu)勢在于單項(xiàng)目成本低, 不足之處是僅適合從節(jié)點(diǎn)數(shù)量不大和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用。

2.2 WEB 設(shè)計(jì)方案

Web 主要由前端交互界面設(shè)計(jì)，后端數(shù)據(jù)處理兩部分組成。其中前端主要進(jìn)行用戶交互、數(shù)據(jù)可視化分析、地圖構(gòu)建與定位，后端主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸和對(duì)前端請(qǐng)求的響應(yīng)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。

圖4 WEB 設(shè)計(jì)框架

各部分具體功能為：（1）前端設(shè)計(jì)注冊界面,獲取用戶基本信息并上傳到后端。（2）前端設(shè)計(jì)用戶登錄界面驗(yàn)證用戶登錄信息。（3）前端獲取傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化分析。（4）前端設(shè)計(jì)監(jiān)測點(diǎn)地圖并實(shí)現(xiàn)傳感器定位。（5）后端設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)保存用戶注冊信息。（6）后端監(jiān)測并接收前端的請(qǐng)求并做出相應(yīng)的應(yīng)答。（7）后端獲取用戶各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理。（8）前后端通過AJAX 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.3 APP 設(shè)計(jì)方案

2.3.1 設(shè)計(jì)框圖

APP 部分主要分為三大部分，主要包括數(shù)據(jù)地塊數(shù)據(jù)獲取部分、系統(tǒng)信息提示部分、個(gè)人信息管理部分。具體結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 app 設(shè)計(jì)框圖

2.3.2 功能介紹

2.3.2.1 數(shù)據(jù)獲取部分：利用HTTP 請(qǐng)求從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫上獲取地塊的數(shù)據(jù)，之后在進(jìn)行數(shù)據(jù)解析在APP 上呈現(xiàn)出來。

2.3.2.2 系統(tǒng)信息提示部分：每隔十分鐘獲取一次服務(wù)器數(shù)據(jù)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，在APP 內(nèi)對(duì)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常則給用戶發(fā)送數(shù)據(jù)異常消息。

2.3.2.3 個(gè)人信息管理部分：通過HTTP 數(shù)據(jù)請(qǐng)求和數(shù)據(jù)上傳方式，獲取和修改個(gè)人信息。系統(tǒng)更新通知會(huì)通過“系統(tǒng)通知”模塊發(fā)送給用戶。

2.3.3 定位實(shí)現(xiàn)

節(jié)點(diǎn)定位使用了高德地圖的API 接口服務(wù)，在高德地圖API 官方網(wǎng)站下載Android 的SDK 包就可以在Android studio中使用API 提供的接口函數(shù)，將數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度傳入，實(shí)現(xiàn)在地圖上標(biāo)點(diǎn)并且顯示文字信息。

2.4 PC 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)

接收終端通過網(wǎng)絡(luò)通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到TCP 服務(wù)器之后，TCP 服務(wù)器會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和存進(jìn)數(shù)據(jù)庫，PC 上位機(jī)屬于應(yīng)用層，與HTTP 服務(wù)器直接通信，在上位機(jī)發(fā)起HTTP 請(qǐng)求，將相關(guān)的參數(shù)和URL 發(fā)給HTTP，HTTP 會(huì)返回一定的json 格式數(shù)據(jù)，在上位機(jī)只需要解析就可以獲取數(shù)據(jù)。

Python 提供了多個(gè)圖形開發(fā)界面的庫，Tkinter：Tkinter 模塊(Tk 接口) 是Python 的標(biāo)準(zhǔn)Tk GUI 工具包的接口Tk 和Tkinter 可以在大多數(shù)的Unix 平臺(tái)下使用, 同樣可以應(yīng)用在Windows 和Macintosh 系統(tǒng)里。Tk8.0 的后續(xù)版本可以實(shí)現(xiàn)本地窗口風(fēng)格, 并良好地運(yùn)行在絕大多數(shù)平臺(tái)中。Tkinter 是Python的標(biāo)準(zhǔn)GUI 庫。Python 使用Tkinter 可以快速的創(chuàng)建GUI 應(yīng)用程序。由于Tkinter 是內(nèi)置到Python 的安裝包中、只要安裝好Python 之后就能import Tkinter 庫、而且IDLE 也是用Tkinter編寫而成、對(duì)于簡單的圖形界面Tkinter 還是能應(yīng)付自如。

PC 上位機(jī)具有注冊登錄功能，查看指定節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、查看用戶信息、數(shù)據(jù)郵箱等功能。數(shù)據(jù)郵箱，可以將用戶所有節(jié)點(diǎn)的最新數(shù)據(jù)和其它相關(guān)信息發(fā)送到用戶注冊的時(shí)候填寫的郵箱。Python 中使用了SMTP 發(fā)送郵件，SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）即簡單郵件傳輸協(xié)議,它是一組用于由源地址到目的地址傳送郵件的規(guī)則，由它來控制信件的中轉(zhuǎn)方式。Python 的smtplib 提供了一種很方便的途徑發(fā)送電子郵件，它對(duì)SMTP 協(xié)議進(jìn)行了簡單的封裝。上位機(jī)如圖6 所示。

圖6 PC 端上位機(jī)

3 結(jié)論

通過對(duì)整套系統(tǒng)的開發(fā)，所有的研究目標(biāo)都具體的實(shí)現(xiàn)出來。本項(xiàng)目以阿里云服務(wù)器為基礎(chǔ)，通過設(shè)計(jì)TCP 和HTTP 網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議格式，在完成APP、上位機(jī)、WEB 和硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯?，?shí)現(xiàn)了用戶實(shí)際監(jiān)測地點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳與存儲(chǔ)，APP 用戶信息注冊、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和地圖定位，PC 端數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、定期數(shù)據(jù)郵件播報(bào)和設(shè)備位置信息顯示，WEB 大數(shù)據(jù)可視化分析、地圖構(gòu)建與設(shè)備定位等功能?？紤]到設(shè)備長時(shí)間穩(wěn)定工作所需要的定期維護(hù)與檢修，本項(xiàng)目的所有軟件開發(fā)都包含有設(shè)備定位功能，方便用戶對(duì)硬件設(shè)備的部署和檢修。因此搭載在硬件設(shè)備上的北斗定位模塊在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)了十分重要的地位，而且其精確的定位精度使得本項(xiàng)目的整體性能得到了極大地提升。