基于云平臺(tái)打造低成本智慧農(nóng)場(chǎng)解決方案研究

摘" 要：在當(dāng)前數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮中，智慧農(nóng)業(yè)作為推動(dòng)農(nóng)業(yè)高效可持續(xù)發(fā)展的重要方式備受關(guān)注。如何在有限的成本內(nèi)實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)場(chǎng)的高效能高普及運(yùn)作，一直是研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。因此，該文提出一種基于云平臺(tái)的智慧農(nóng)場(chǎng)管理模型，采用PacketTracer軟件來(lái)模擬農(nóng)場(chǎng)硬件網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將收集到的農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳至OneNet云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)，以及對(duì)智能設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，并通過(guò)微信小程序連接云平臺(tái)獲取實(shí)時(shí)農(nóng)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)。最后，研究以樹(shù)莓派為硬件平臺(tái)，構(gòu)建實(shí)體智慧農(nóng)場(chǎng)模型，驗(yàn)證所提解決方案的可行性和有效性。實(shí)驗(yàn)表明，結(jié)合OneNet云平臺(tái)和微信小程序的智慧農(nóng)場(chǎng)解決方案能顯著降低智慧農(nóng)場(chǎng)搭建和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)提升生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化水平，具有廣泛推廣的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；OneNet云平臺(tái)；PacketTracer；微信小程序；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2096-9902（2024）06-0001-04

Abstract： In the current trend of digital transformation， smart agriculture has attracted much attention as an important way of promoting the efficient and sustainable development of agriculture. How to realize the high-efficiency， high-popularity operation of smart farm at the limited cost has always been a hotspot of research and a difficult point. Therefore， this paper proposes a smart farm management model based on cloud platform， which uses PacketTracer software to simulate the topology of farm hardware network， uploads the collected farm data to OneNet Cloud Platform， so as to realize data monitoring and storage， as well as remote control of intelligent devices. Besides， this paper obtains real-time farm environment data through WeChat Mini Programs connecting to cloud platform. Finally， a physical smart farm model is built on the hardware platform of Raspberry Pi to verify the feasibility and effectiveness of the proposed solution. Experiments show that the smart farm solution combing OneNet Cloud Platform and WeChat Mini Programs can significantly reduce the construction and operating costs of smart farm and improve the automation and intelligent level of production， with a potential of being widely promoted.

Keywords： smart agriculture; OneNet Cloud Platform; PacketTracer; WeChat Mini Program; Internet of Things

目前，我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式面臨諸多挑戰(zhàn)，耕地面積不斷減少、環(huán)境惡化和效率低下成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。未來(lái)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要潛力和方向是構(gòu)建轉(zhuǎn)型的智慧農(nóng)業(yè)體系和模式[1]，智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。盡管智慧農(nóng)業(yè)在技術(shù)層面取得了一系列突破，但是背后的成本構(gòu)成依然值得深思。在硬件設(shè)施上，智慧農(nóng)業(yè)中的基礎(chǔ)設(shè)施包括農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備以及在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的信息化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，其高昂的建設(shè)成本依然是阻礙智慧農(nóng)業(yè)擴(kuò)大推廣范圍和應(yīng)用的主要瓶頸。

中國(guó)農(nóng)業(yè)仍然以家庭小作坊模式為主，大多數(shù)農(nóng)戶(hù)尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⒓s化生產(chǎn)，這在很大程度上限制了高成本技術(shù)手段的普及和使用。此外，云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)雖然為智慧農(nóng)業(yè)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，但相關(guān)平臺(tái)和系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、部署和維護(hù)往往需要較高投入。根據(jù)我國(guó)的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示農(nóng)村人均可支配收入大約為11 422元[2]，這對(duì)于絕大多數(shù)的小規(guī)模農(nóng)戶(hù)來(lái)說(shuō)是不切實(shí)際的。

針對(duì)這一問(wèn)題，本研究提出了一種基于云平臺(tái)的智慧農(nóng)場(chǎng)管理模型。該方案的核心在于利用免費(fèi)的互聯(lián)網(wǎng)資源，如開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和廣泛使用的社交平臺(tái)微信，構(gòu)建一個(gè)低投入、易操作的智慧農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)。通過(guò)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云平臺(tái)相結(jié)合，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理自動(dòng)化、智能化，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)顯著降低信息化建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)的成本。

1" 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本研究提出的智慧農(nóng)場(chǎng)管理模型分為3個(gè)層次：感知層、傳輸層（網(wǎng)絡(luò)層）和應(yīng)用層[3]。

1.1" 感知層

感知層主要包括農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)信息的收集以及控制信號(hào)的接收和執(zhí)行，主要通過(guò)各種傳感器設(shè)備采集農(nóng)場(chǎng)環(huán)境的信息，包括土壤溫濕度、光照、二氧化碳濃度等[4]，并匯聚到樹(shù)莓派等MCU控制裝置中。隨著傳感器技術(shù)的不斷成熟和使用量的不斷增大，絕大多數(shù)的傳感器成本屬于可以接受的范圍。

1.2" 傳輸層

傳輸層將感知層采集的數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匯總，并通過(guò)有線或無(wú)線方式，選用TCP透?jìng)骰騢ttp協(xié)議與OneNet云平臺(tái)連接，完成數(shù)據(jù)交換。

1.3" 應(yīng)用層

應(yīng)用層將傳輸層匯總的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并根據(jù)信息進(jìn)行分類(lèi)和數(shù)據(jù)挖掘，為農(nóng)業(yè)決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)，并對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，通過(guò)手機(jī)端登錄微信平臺(tái)或者電腦端登錄云平臺(tái)遠(yuǎn)程查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化和智慧化。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

2" 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1" 硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本研究使用PacketTracer軟件進(jìn)行仿真，為了盡可能準(zhǔn)確真實(shí)地模擬實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，建立硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

模型選取溫度傳感器、土壤濕度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器形成終端感知層節(jié)點(diǎn)，定時(shí)采集農(nóng)場(chǎng)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，通過(guò)連接MCU單片機(jī)上報(bào)數(shù)據(jù)。MCU根據(jù)采集到的環(huán)境參數(shù)通過(guò)編程進(jìn)行智能控制，控制連接在MCU上的執(zhí)行器改變農(nóng)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)。以溫度控制器為例：當(dāng)環(huán)境溫度低于10 ℃，啟動(dòng)加熱器，關(guān)閉制冷器，實(shí)施升溫；當(dāng)環(huán)境溫度高于18 ℃，關(guān)閉加熱器，啟動(dòng)制冷器，實(shí)施降溫[6]。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用智慧農(nóng)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)以及無(wú)線接入點(diǎn)等建立傳輸層，IP地址規(guī)劃見(jiàn)表1[7]。

2.2" OneNet數(shù)據(jù)上傳及控制命令下發(fā)

在OneNet云平臺(tái)上選擇多協(xié)議接入，在TCP透?jìng)鬟x項(xiàng)中，添加一個(gè)TCP產(chǎn)品。在添加的產(chǎn)品下，創(chuàng)建4個(gè)設(shè)備，并在每個(gè)設(shè)備中創(chuàng)建各自的數(shù)據(jù)流模板，用來(lái)接收傳遞到OneNet云平臺(tái)上的溫度、濕度、光照、土壤濕度數(shù)據(jù)，并添加APIKey以及上傳腳本。以溫度控制器為例，使用python代碼在MCU上編程，通過(guò)realtcp模塊連接OneNet云平臺(tái)[8]，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的上報(bào)以及控制信息的接收。例如，當(dāng)接收到“WarmOpen”指令，則打開(kāi)加熱器；接收到“ColdOpen”，則打開(kāi)制冷器。其代碼如下：

同理，我們?cè)跐穸瓤刂破?、土壤濕度控制器、光照控制器上編?xiě)代碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和控制命令的解析與執(zhí)行。

通過(guò)OneNet云平臺(tái)上的應(yīng)用管理，將接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作，將溫度、濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)綁定到常規(guī)圖表中的儀表盤(pán)上，將命令下發(fā)綁定到控制模塊的按鈕上，實(shí)現(xiàn)在云平臺(tái)上對(duì)農(nóng)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示和農(nóng)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，如圖3所示。

2.3" 微信小程序設(shè)計(jì)

通過(guò)微信平臺(tái)提供的微信開(kāi)發(fā)者工具，發(fā)送http請(qǐng)求到OneNet云平臺(tái)，獲取農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)按鈕觸發(fā)獲取操作，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端也能夠?qū)崟r(shí)查看農(nóng)場(chǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，核心代碼如下：

微信小程序前端界面設(shè)計(jì)如圖4所示，用戶(hù)通過(guò)點(diǎn)擊顯示環(huán)境數(shù)據(jù)按鈕，發(fā)送httpGET請(qǐng)求到OneNet云平臺(tái)，獲取到j(luò)son數(shù)據(jù)格式的環(huán)境信息，解析后顯示在微信小程序界面上。

3" 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

3.1" 樹(shù)莓派硬件搭建

為了驗(yàn)證該模型的可行性和有效性，選取樹(shù)莓派4B開(kāi)發(fā)板作為模擬智慧農(nóng)場(chǎng)的硬件平臺(tái)，選取土壤濕度傳感器搭配PCF8591模塊采集土壤濕度信息；DHT11溫濕度模塊采集農(nóng)場(chǎng)溫濕度信息，通過(guò)連接樹(shù)莓派4B開(kāi)發(fā)板，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)http協(xié)議上傳到OneNet云平臺(tái)。硬件搭建連接如圖5所示。

3.2" 功能測(cè)試

在樹(shù)莓派上使用python進(jìn)行編程，通過(guò)urllib2模塊，發(fā)送httpPOST請(qǐng)求到OneNet云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的上傳，以溫度數(shù)據(jù)上傳為例，代碼如下：

查看OneNet云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)流展示，可以看到通過(guò)樹(shù)莓派采集到的溫度數(shù)據(jù)已經(jīng)成功上傳到了云平臺(tái)上，如圖6所示。后期我們可以利用微信小程序進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的數(shù)據(jù)共享。

4" 結(jié)束語(yǔ)

基于云平臺(tái)打造的低成本高效能智慧農(nóng)場(chǎng)解決方案的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是借助免費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和微信平臺(tái)，極大地降低了農(nóng)業(yè)信息化的建設(shè)成本。這種模式不僅大大減少了初期投資門(mén)檻，降低了信息化建設(shè)的難度，同時(shí)可以充分利用已有的智能設(shè)備和通信平臺(tái)，使更多農(nóng)業(yè)從業(yè)者能夠接觸和使用智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)。通過(guò)利用大數(shù)據(jù)分析和云存儲(chǔ)服務(wù)，進(jìn)一步優(yōu)化了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)流程，提升了整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈的價(jià)值，為中國(guó)大規(guī)模農(nóng)戶(hù)群體提供一條可行的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展路徑，不僅可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，還有望帶動(dòng)農(nóng)業(yè)的全面信息化進(jìn)程，助力傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)民收入的穩(wěn)步提高。

此外，該方案通過(guò)樹(shù)莓派模擬農(nóng)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證。通過(guò)模擬真實(shí)的農(nóng)場(chǎng)環(huán)境，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這為實(shí)際的智慧農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用提供了有力的支持，確保了系統(tǒng)在實(shí)際操作中的可靠運(yùn)行。美中不足的是，OneNet云平臺(tái)已經(jīng)下架了視頻相關(guān)的sdk支持，無(wú)法將第三方網(wǎng)絡(luò)攝像頭接入云平臺(tái)，從而進(jìn)一步降低智慧農(nóng)場(chǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的搭建成本。

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