基于AIoT的智慧稻田監(jiān)測系統(tǒng)研究

陳超穎　黃欣欣

關(guān)鍵詞：AIoT；智慧稻田；監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）20-0150-03

0 引言

水稻的正常生長，需要稻田里的溫度與濕度、光照與風(fēng)速、土壤里的pH值、病蟲害防治等都要達(dá)到一定的要求。但由于我國水稻種植地形復(fù)雜，影響著水稻生產(chǎn)的因素眾多。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測并把握影響水稻生長各項(xiàng)因素顯得非常重要。

國外發(fā)達(dá)國家的農(nóng)作物互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究大都以大農(nóng)場為主，一般通過組建無線傳感網(wǎng)對農(nóng)業(yè)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測[1]，如PopovaZ等人將組建的物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)用于玉米地的用水管理，Baranwal等人構(gòu)建圖像技術(shù)和傳感器采集相結(jié)合的防治病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)[2]，等。國內(nèi)農(nóng)作物信息化與智能化研究取得較多成果，如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)劉卉設(shè)計(jì)了農(nóng)田土壤溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)，劉飛飛等人設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的監(jiān)測系統(tǒng)。但由于我國水稻環(huán)境的多樣化，需要根據(jù)具體環(huán)境采取不同的監(jiān)測系統(tǒng)，才能進(jìn)行有效監(jiān)測。但由于不同的監(jiān)測系統(tǒng)，其穩(wěn)定性及功耗管理方面存在一定的局限性，并不具有普適性。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)IoT和人工智能AI（簡稱AIoT） 的運(yùn)用，通過IoT系統(tǒng)的傳感器行進(jìn)實(shí)時(shí)信息采集，在終端、邊緣或云進(jìn)行數(shù)據(jù)智能分析，最終形成一個(gè)智能化監(jiān)測體系，在收集山區(qū)稻田生長環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)方面，有著較強(qiáng)的優(yōu)勢。目前，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)，具有低功耗和能遠(yuǎn)距離傳輸?shù)冗m應(yīng)山區(qū)稻田監(jiān)測的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適合監(jiān)測山區(qū)水稻生長環(huán)境信息的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并且具有異構(gòu)融合能力，即具有將傳輸高清晰圖像與低功率網(wǎng)融合為一體的能力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜山區(qū)環(huán)境水稻生長狀態(tài)的環(huán)境拍攝與采集生長狀態(tài)數(shù)據(jù)的功能，使復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)能以動(dòng)態(tài)的可視化的形式展示出來，并對采集到的數(shù)據(jù)運(yùn)用人工智能進(jìn)行分析[3]，將其監(jiān)測結(jié)果應(yīng)用到水稻生產(chǎn)的在線監(jiān)測和水稻生產(chǎn)趨勢評估當(dāng)中，以確保水稻生長的數(shù)據(jù)采集與管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于AIoT的智慧稻田監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要采用ZigBee 協(xié)調(diào)器設(shè)備驅(qū)動(dòng)傳感器，因其具有成本低、功耗低等特點(diǎn)，特別適應(yīng)于山區(qū)地帶小型稻田智慧化的生態(tài)體系監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)用。本系統(tǒng)利用 ZigBee 無線通信技術(shù)的傳輸是以自組多跳方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的特點(diǎn)，以其的終端設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制模塊，然后將采集到的稻田環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，通過可視化界面將水稻生長狀態(tài)畫面與直觀的數(shù)據(jù)信息在設(shè)備的控制頁面顯示出來。水稻管理工作人員輸入賬號可在移動(dòng)終端設(shè)備上登錄云平臺，根據(jù)稻田生長環(huán)境的真實(shí)現(xiàn)狀與相關(guān)信息分析，然后在設(shè)備上根據(jù)水稻生長信息進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制，即可達(dá)到管理的目的。

山區(qū)丘陵地形稻田具有面積小、地勢復(fù)雜高低不平且小稻田的集合體并不處在同一水平面上的特點(diǎn)，因此還需要根據(jù)其特點(diǎn)，分析現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在對其應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用了Wi?Fi 與ZigBee 混合組網(wǎng)的方式，把ZigBee與Wi?Fi的優(yōu)勢集合為一體，利用各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的不同功能對稻田環(huán)境的光照、土壤溫濕度、風(fēng)速、病害蟲等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行采集，然后通過邊緣計(jì)算與圖像識別，以及數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，將稻田環(huán)境監(jiān)測轉(zhuǎn)化為圖像攝影與傳感器采集數(shù)據(jù)相結(jié)合的監(jiān)測，并使異構(gòu)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)形成融合的山區(qū)稻田環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[4]。其檢測系統(tǒng)三層架構(gòu)如圖1。

如圖1所示，其中感知層是監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的基礎(chǔ)部分，感知層的有效構(gòu)建可以對稻田生長環(huán)境中的各種生態(tài)參數(shù)進(jìn)行有效采集，其主要部件是各種類型的傳感器，其將感知獲取的稻田環(huán)境多種現(xiàn)場生長數(shù)據(jù)信息。

傳輸層的主要任務(wù)是安全地輸送與交互各類信息，即是將采集的數(shù)據(jù)與調(diào)控指令經(jīng)ZigBee與Wi?Fi 無線通信技術(shù)傳遞到感知層、應(yīng)用層以及云平臺。

應(yīng)用層是將稻田環(huán)境數(shù)據(jù)通過ZigBee與Wi?Fi的傳輸，通過云平臺上的數(shù)據(jù)可視化部件轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)對稻田生長環(huán)境數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理的可視化控制頁面。應(yīng)用層是由智能移動(dòng)終端與監(jiān)控中心服務(wù)器兩大部件構(gòu)成，可將監(jiān)測到的稻田環(huán)境數(shù)據(jù)信息存儲在監(jiān)控中心服務(wù)器中，通過智能移動(dòng)終端的使用，非常方便稻田管理者訪問監(jiān)控中心服務(wù)器，稻田環(huán)境各種數(shù)據(jù)信息可盡情瀏覽與分析，以確定采取必要的管理措施，確保水稻生長狀態(tài)的適宜性。在應(yīng)用層，通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化顯示，并根據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)定閾值的異常變化對控制設(shè)備發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與管理功能。AIoT智慧稻田監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)“采集—顯示—控制”的稻田監(jiān)測控制系統(tǒng)。

2 智慧稻田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器

智慧稻田監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器是稻田環(huán)境數(shù)據(jù)采集的核心元件，需要采集和監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、光照、土壤水分和溫度以及 PH 值等。因此，根據(jù)山區(qū)稻田生長環(huán)境構(gòu)成要素的多樣性，需要不同類型的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，以達(dá)到數(shù)據(jù)獲取的最佳效果（見圖2） 。以下為該系統(tǒng)使用的主要傳感器設(shè)備 。

溫濕度傳感器： AHT10是一款集成式溫濕度傳感器，該傳感器采用IIC信號輸出，具有觀測溫度廣、敏感性強(qiáng)且反應(yīng)迅速、對數(shù)據(jù)信息的采集抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性較強(qiáng)等特點(diǎn)。

光照傳感器：光照的強(qiáng)弱對水稻的正常生長起著重要作用，其強(qiáng)弱度的變化影響著水稻的產(chǎn)量與質(zhì)量。 BH1750 傳感器對光源的依賴性較弱，野外紅外線對其影響較少，降低功率可實(shí)現(xiàn)低電流化，可滿足山區(qū)稻田光監(jiān)測需求。

風(fēng)速傳感器：YJ-FS100-30 風(fēng)速傳感器是一款靈敏度與可靠性較高的監(jiān)測儀器。其結(jié)構(gòu)形式是三風(fēng)杯式，內(nèi)部鋸齒狀紅外柵欄轉(zhuǎn)動(dòng)是由風(fēng)杯的旋轉(zhuǎn)而帶動(dòng)的，將紅外效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號進(jìn)行風(fēng)速采集，通過精密微芯計(jì)算得到風(fēng)速參數(shù)。該設(shè)備的參數(shù)為：供電電源為12～24V DC，平均功耗為 40mW，測量范圍為0～60m/s，測量精度±（0.2+0.03v）m/s，其中 v 表示風(fēng)速，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)田、大棚溫室、環(huán)境監(jiān)測與治理、礦區(qū)等需要測量風(fēng)速的場合。

pH值傳感器：pH值是監(jiān)測水稻生長重要參數(shù)之一。由于化肥與農(nóng)藥等的長期使用，影響著稻田土壤的pH值，使水稻生長狀態(tài)深受干擾。如稻田土壤pH 值影響了水稻正常生長，在PH-BTA傳感器pH值提示下，可進(jìn)行必要的干預(yù)調(diào)整，以確保水稻的正常生長。

2.2 傳輸層硬件模塊

主要由ZigBee模塊、網(wǎng)關(guān)模塊、多路復(fù)用模塊、擴(kuò)展模塊、電源模塊等構(gòu)成。

ZigBee模塊：ZigBee模塊自組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換與接口，cc2530模塊處理器擁有8051 單片機(jī)的處理核心，是系統(tǒng)解決方案的SOC 芯片。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采集稻田各類數(shù)據(jù)，采用Adc轉(zhuǎn)換以及basicRF以實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信以及傳感器數(shù)值的獲取。這種ZigBee模塊設(shè)計(jì)可以使處理器接口資源得到節(jié)省，并使連線方便。

網(wǎng)關(guān)模塊：ZigBee／Wi?Fi 網(wǎng)關(guān)包括主控制器 STM32、ESP8266Wi?Fi模 塊 和 ZigBee協(xié)調(diào)器組成。

Zigbee協(xié)調(diào)器模塊：接收ZigBee終端節(jié)點(diǎn)傳輸過來的信息，傳輸給STM32。

STM32主控模塊：接收ZigBee模塊傳輸過來的信息，向稻田監(jiān)測服務(wù)器設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，可在接收數(shù)據(jù)與處理信息，以及交互控制與無線協(xié)議轉(zhuǎn)換等方面實(shí)現(xiàn)其功能。

Wi?Fi模塊：無線局域網(wǎng)技術(shù)的連接需要Wi?Fi 技術(shù)，因?yàn)槠鋵?yīng)著相關(guān)的通信規(guī)則，能使兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接得到保證。稻田監(jiān)測系統(tǒng)是根ZigBee-Wi? Fi設(shè)計(jì)的，一般使用 2.4G UHF 或 5G SHF ISM 射頻頻段。因其有著傳輸速率較快的無線電波和較廣的覆蓋范圍，而且設(shè)備接入方便，特別適應(yīng)山區(qū)稻田環(huán)境監(jiān)測使用。Wi?Fi 模塊內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IP / TCP 協(xié)議棧和IEEE802.11b.g.n 協(xié)議棧），可以方便的連接互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該模塊接口有著多種方式 ， 例如IIC /GPIO/ UART /ADC/ PWM 等。

系統(tǒng)選用是Wi?Fi（ESP8266） 模塊，使ZigBee-Wi? Fi與云平臺對接通信，并通過TCP 建立的連接使數(shù)據(jù)收發(fā)等的操作得以實(shí)現(xiàn)。Wi?Fi 模塊既可成為一個(gè)站點(diǎn) SP，也可成為 AP 接入點(diǎn)，可以連接使手機(jī)與路由器等Wi?Fi 設(shè)備可以得到連接。

2.3 應(yīng)用層硬件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器與云平臺的連接是通過Wi?Fi模塊（ESP8266） 的功能完成的，Wi?Fi模塊（ESP8266） 配置管腳與通信串口管腳，其支持 IEEE802b11/g/n 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，工作頻段為 2.4GHz，并且支持 WPA/WPA2 安全模式。

ZigBee協(xié)調(diào)器主要使用了RS232傳輸協(xié)議控制Wi?Fi模塊，系統(tǒng)開啟后其上行數(shù)據(jù)流能將ZigBee 終端傳感器所采集到的日光強(qiáng)度、溫濕度、風(fēng)速等稻田環(huán)境數(shù)據(jù)，以無線通信形式發(fā)送到 ZigBee協(xié)調(diào)器，然后由 Wi?Fi 模塊傳輸?shù)皆破脚_端，下行數(shù)據(jù)流則由移動(dòng)管理用戶端向設(shè)備發(fā)出調(diào)控指令，還是經(jīng) Wi?Fi 模塊傳輸至ZigBee 協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器都是以無線通信的方式調(diào)控 ZigBee 終端的設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行 。

3 智慧稻田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需求

1） 采集山區(qū)稻田環(huán)境數(shù)據(jù)：系統(tǒng)能快速而準(zhǔn)確地采集完整的稻田生長環(huán)境數(shù)據(jù)，如稻田的溫與濕度、光照強(qiáng)度、水的pH值、風(fēng)速等環(huán)境數(shù)據(jù)。

2） 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸：系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)稻田監(jiān)測所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和調(diào)控，并且以無線通信方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的各項(xiàng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離的傳輸。

3） 各項(xiàng)數(shù)據(jù)安全上傳：各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)要安全上傳到云平臺進(jìn)行有效處理。以 Wi?Fi技術(shù)安全上傳各項(xiàng)數(shù)據(jù)，各用戶還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況選擇聯(lián)網(wǎng)方式。

4） 進(jìn)行監(jiān)測故障報(bào)警：對監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，能對故障及時(shí)報(bào)警，便于系統(tǒng)的維護(hù)修理。

3.2 軟件架構(gòu)

智慧稻田監(jiān)測系統(tǒng)作為稻田的監(jiān)測和管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)端和網(wǎng)頁端跨端的使用，以后端服務(wù)器為核心并結(jié)合云平臺和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行持久化保存，實(shí)現(xiàn)用戶對稻田狀態(tài)的查看和控制，如圖3所示。

1） 網(wǎng)頁端

為了提高智慧稻田監(jiān)測系統(tǒng)功能，保證系統(tǒng)的效率和質(zhì)量，對頁面 Web 前端采用基于框架的開發(fā)方式。

要實(shí)現(xiàn)基于Vue框架的網(wǎng)頁端，要求將 elementUi， DataV和Echarts等組件庫以圖表的方式將區(qū)域數(shù)據(jù)展示出來，然后使用flv.js插件將rstp轉(zhuǎn)為flv以實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控連接。

根據(jù)Vue.js 的框架具有獨(dú)特的響應(yīng)式原理的特點(diǎn)，將其框架運(yùn)用到本系統(tǒng)用戶界面設(shè)計(jì)和開發(fā)有著明顯優(yōu)勢。該框架使用的是基于 HTML 的語法，其MVVM是輕量級的，簡單的 API即可將其響應(yīng)式數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定，這樣就可使Web 前端的開發(fā)得到簡化[5]。

ElementUI與 vue是相互配合的 UI 框架，但該框架對于Vue 框架沒有依賴性，換言之，在目前階段使用效果最好的 UI 框架是其與Vue 框架的配合使用。因其在設(shè)計(jì)流程上高效而簡潔，用戶通過在界面的交互點(diǎn)擊，就可以進(jìn)行相應(yīng)的直觀操作與控制，而且使用戶操作簡單自由，具有良好的體驗(yàn)感。

Echarts 存儲有大量的開源文檔資料，可提供免費(fèi)的學(xué)習(xí)資源，它是一款開發(fā)前端的可視化插件。通過開發(fā)后能夠在上位機(jī)與手機(jī)等設(shè)備上流暢地運(yùn)行。目前支持各款主流的瀏覽器，其界面有著豐富的功能且簡潔，可自由制作任意樣式的圖表，并且可以實(shí)現(xiàn)符合用戶需求的多種可視化界面的制作要求。

管理員可登錄界面查看稻田狀態(tài)，如圖4所示。

2） 移動(dòng)端

移動(dòng)端主要是基于uniapp框架實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多端適配，安卓端主要致力于用戶對產(chǎn)品的使用，因此在用戶登錄界面實(shí)現(xiàn)了基本的用戶信息校驗(yàn)和用戶登錄功能，在項(xiàng)目的展示頁通過右下角菜單進(jìn)行設(shè)備、控制器的查看，在監(jiān)控欄能夠查看稻田內(nèi)的監(jiān)控（圖5） 。

3） 后端

后端主要是基于SSM+SpringBoot 框架實(shí)現(xiàn)， SpringBoot 框架既簡化了復(fù)雜的開發(fā)過程，又使功能得到了全面升級。目前在后端開發(fā)中使用SpringBoot 框架是最為常見的，因相較于其他開發(fā)框架，Spring? Boot 框架具有功能豐富，而且操作簡單，以及性能穩(wěn)定而強(qiáng)大的特點(diǎn)更為突出。其能夠通過簡單的注釋來進(jìn)行接口編寫，可以接收來自網(wǎng)頁端與移動(dòng)端發(fā)送的請求并對其做出回應(yīng)。使用MySQL存儲數(shù)據(jù)，并通過MyBatis連接、查詢、添加等數(shù)據(jù)庫操作。

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)主要用于對山區(qū)稻田生長環(huán)境的監(jiān)測和控制，通過其功能的需求監(jiān)測測試，實(shí)現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)采集，稻田狀態(tài)報(bào)警閾值監(jiān)測，系統(tǒng)自身還可以對稻田部署的傳感器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，管理相關(guān)的傳感器監(jiān)測的基本數(shù)據(jù)信息，對傳感器監(jiān)測過程進(jìn)行統(tǒng)一處理，可以從云平臺、網(wǎng)頁端和App進(jìn)入方便了用戶管理和處理相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，并完善數(shù)據(jù)信息交互和功能管理。通過對山區(qū)稻田生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)對山區(qū)稻田環(huán)境參數(shù)采集性能穩(wěn)定，其監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)入網(wǎng)，并將數(shù)據(jù)傳輸給云平臺，達(dá)到監(jiān)測目的。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)將山區(qū)稻田生長環(huán)境與ZigBee-Wi?Fi無線通信技術(shù)和云平臺技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)對山區(qū)稻田生長環(huán)境的適時(shí)監(jiān)測。AIoT山區(qū)智慧稻田監(jiān)測系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)與軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，利用Zigbee協(xié)調(diào)器與各種傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，在實(shí)現(xiàn)山區(qū)稻田環(huán)境的可視化監(jiān)測與管理的功能方面優(yōu)勢明顯，對促進(jìn)山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)與智能化管理有重要意義。