單桂朋+江朝暉+孫云云

摘 要：針對農業(yè)物聯(lián)網終端節(jié)點和網絡平臺的不足，文中采用新型硬件模塊和OneNet平臺設計了一款作物監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)可對空氣、土壤、莖稈生長和作物圖像等信息進行精準采集和個性化展示，硬件性價比高，傳感器和節(jié)點接入方便；軟件開放性和通用性好，易于進行二次開發(fā)。本系統(tǒng)適用于溫室作物生產管理和作物學研究。

關鍵詞：農業(yè)物聯(lián)網；作物監(jiān)測；傳感器節(jié)點；OneNet平臺

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-04

0 引 言

對作物生長環(huán)境和本體信息進行精準、全面、實時、遠距離監(jiān)測是農業(yè)生產管理和科學研究的需要[1]。近年來，物聯(lián)網的快速發(fā)展為相關研究和應用帶來了諸多便利，但面臨的問題也不少，主要表現(xiàn)在以下兩方面：

（1）終端節(jié)點存在功耗大[2]、集成度低[3]、傳感器單一[4，5]、成本較高[6，7]等缺點；

（2）網絡平臺每個項目或應用都另起爐灶，自成一家，不僅開發(fā)難度大、成本高、效率低，而且由于標準不統(tǒng)一[8，9]，難以實現(xiàn)開放、共享。

由于這些關鍵因素的限制，目前，基于物聯(lián)網的作物監(jiān)測應用尚處于試驗、示范階段，與普及應用還有不小的差距。

為解決上述問題，本文采用新型高集成終端/中繼模塊以及中國移動物聯(lián)網開放平臺OneNet[10-12]設計了一款作物監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可采集空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度、土壤電導率、土壤pH值、植株莖稈微變化以及作物圖像等信息，具有性價比高、通用性好和開發(fā)難度小等特點。

1 系統(tǒng)結構

作物監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖1所示。該系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、中繼模塊和OneNet應用平臺組成[13，14]。運用復合通信模式，中繼模塊與傳感器節(jié)點之間采用WiFi協(xié)議組成局域網，并通過GPRS接入互聯(lián)網云平臺。傳感器節(jié)點采用新型ESP8266主控模塊，可接入多種不同類型的傳感器，主要包括空氣、土壤和作物生長等方面。中繼節(jié)點A20模塊通過WiFi接收傳感器采集的信息，并外接攝像頭模塊，通過AT指令與OneNet平臺建立TCP連接，傳送數(shù)據(jù)和圖像，實現(xiàn)平臺數(shù)據(jù)的下發(fā)、拍照控制。OneNet平臺具有一站式托管、多協(xié)議智慧解析、數(shù)據(jù)存儲和大數(shù)據(jù)分析、多維度支撐等優(yōu)勢[10，15]，可提供應用模板，將數(shù)據(jù)、圖像個性化展示在網頁上，保存到數(shù)據(jù)庫。

2 傳感和中繼節(jié)點設計

2.1 傳感主控模塊

主控ESP-12F WiFi模塊由安信可科技有限公司開發(fā)，核心處理器ESP8266在較小尺寸封裝中集成了業(yè)界領先的 Tensilica L106超低功耗32位微型MCU。該模塊支持標準的IEEE802.11b/g/n協(xié)議，擁有完整的TCP/IP 協(xié)議棧與多樣化接口——UART，HSPI，SDIO/SPI，I2C， ADC_IN， GPIO16， relay control， PWM，IR TX/RX，可掛載多種類型的傳感器。

2.2 空氣監(jiān)測節(jié)點

空氣溫濕度和光照強度節(jié)點電路圖如圖2所示。監(jiān)測節(jié)點由傳感主控模塊、數(shù)字溫濕度傳感器DHT11和數(shù)字光照傳感器GY-30組成。DHT11的數(shù)據(jù)線DATA與WiFi模塊的GPIO4相連，WiFi模塊通過GPIO讀取DHT11采集的空氣溫濕度數(shù)據(jù)。GY-30是I2C總線接口，光譜測量寬范圍和高分解（1～65 535 Lux）。GY-30掛載到WiFi模塊的I2C接口上，SDA接GPIO2，SCL接GPIO14，WiFi模塊通過I2C總線協(xié)議讀取GY-30采集的光照強度數(shù)據(jù)。

2.3 土壤監(jiān)測節(jié)點

土壤監(jiān)測原理如圖3所示。該部分由主控模塊、TTL轉485模塊（TTL-RS 485 Module）、集線器和土壤溫濕度傳感器、土壤電導率傳感器、土壤pH值傳感器組成。采用通用485接口，可連接多個傳感器（最多可連128個），且傳輸距離長（無中繼最遠達1 200 m）。

文中采用的SWR-100W型土壤溫濕度傳感器、ST-EC型土壤電導率傳感器、ST-PH型土壤pH值傳感器皆為通用RS-485型傳感器，使用標準的Modbus-RTU協(xié)議。所有傳感器都通過集線器連接到TTL轉485模塊上。TTL轉485模塊與WiFi模塊的串口相連，每個傳感器需預先設置一個不同的設備地址，WiFi模塊通過向每個地址發(fā)送查詢命令來讀取各傳感器的數(shù)據(jù)。命令見表1所列。

2.4 莖稈微變化監(jiān)測節(jié)點

莖稈微變化監(jiān)測原理如圖4所示。該部分由主控模塊、可調電源升壓模塊（VTrans Module）和高精度線性可變差動變壓器（LVDT）式位移傳感器組成。系統(tǒng)采用LVDT8-A-5MM-DL傳感器，為直流12～24 V供電，4～20 mA電流型數(shù)據(jù)輸出。在電流輸出端接一個50 Ω的精密電阻，WiFi模塊通過A/D端口讀取電阻上的電壓值。傳感器安裝在植株的莖干或枝條上，生長量（即位移）由公式（1）求出：

L=（U/50-4）×5/16（mm） （1）

其中，L為待測生長量（mm），U為A/D口輸入電壓（mV）。

2.5 中繼節(jié)點

中繼節(jié)點A20是一款由GPRS和WiFi合成的模組，GPRS和WiFi可以分開供電，單獨工作，互不干擾，同時還支持外掛Camera。本設計將WiFi部分的處理器芯片ESP8266作為主控，用以控制GPRS。由于WiFi只有一個雙向串口，因此需要開發(fā)ESP8266端的程序。

WiFi部分收到各傳感器節(jié)點發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過串口經GPRS發(fā)送到OneNet平臺。采用OV7670（30 W像素）攝像頭獲取作物圖像，掛載在A20模塊的GPRS部分，由WiFi部分通過串口向GPRS發(fā)送AT指令，控制GPRS實現(xiàn)拍照和圖像數(shù)據(jù)上傳功能。endprint

3 OneNet平臺接入和協(xié)議

OneNet是中移物聯(lián)網有限公司基于開放、共贏理念，面向公共服務自主研發(fā)的開發(fā)云平臺。OneNet作為PaaS層，更專注于為SaaS層和IaaS層搭建連接橋梁，分別向上下游提供中間層核心能力，為各種跨平臺物聯(lián)網應用、行業(yè)解決方案提供簡便的云端接入、海量存儲、計算和大數(shù)據(jù)可視化服務，從而降低研發(fā)、運營和運維成本[10]。

用戶接入OneNet的流程：注冊用戶，登錄平臺，創(chuàng)建產品，創(chuàng)建設備，新增數(shù)據(jù)流，新建應用并發(fā)布[15]。采用公開的HTTP協(xié)議[16]，應用新增、更新、查看和刪除的方法對數(shù)據(jù)流進行處理。其中，數(shù)據(jù)新增方法和數(shù)據(jù)查看方法分別見表2、表3所列。

4 軟件設計

4.1 采集軟件

終端節(jié)點的核心處理器ESP8266可運行多線程RTOS系統(tǒng)，官方提供的SDK便于二次開發(fā)。數(shù)據(jù)采集過程如圖5所示。

4.2 中繼軟件

中繼模塊軟件流程如圖6所示。其核心是創(chuàng)建兩個線程，分別負責數(shù)據(jù)轉發(fā)和圖像獲取。在線程1中，中繼接收數(shù)據(jù)后，按照表2格式將數(shù)據(jù)整合成圖7所示的數(shù)據(jù)包，向GPRS連續(xù)發(fā)送AT指令與OneNet平臺建立TCP連接。在線程2中，按表3的格式發(fā)送數(shù)據(jù)包，查詢手動拍照開關狀態(tài)，當檢測到開關打開時，向GPRS連續(xù)發(fā)送圖8所示的拍照上傳指令。

5 測試及結果

5.1 數(shù)據(jù)Web展示

在溫室中進行監(jiān)測試驗，數(shù)據(jù)在網頁上的展示如圖9所示。應用包括以下4個部分：

（1）空氣監(jiān)測點1：包括空氣溫度曲線圖、空氣濕度曲線圖和光照強度曲線圖；

（2）土壤監(jiān)測點1：包括土壤溫度曲線圖、土壤濕度曲線圖、土壤電導率曲線圖和土壤pH值曲線圖；

（3）莖稈變化曲線圖；

（4）作物圖像，包括圖片顯示和拍照開關（也可設置為定時拍照）。

每個曲線圖、圖像、開關都關聯(lián)對應的數(shù)據(jù)流，平臺會不斷查詢數(shù)據(jù)流是否更新，并將已更新的數(shù)據(jù)顯示在網頁上。

5.2 平臺數(shù)據(jù)導出

使用OneNet官方提供的數(shù)據(jù)導出工具OneNetServer 1.16.10.9_packed.exe，可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖像導出至數(shù)據(jù)庫。圖9中第一個曲線圖導出的數(shù)據(jù)見表4所列。

5.3 終端節(jié)點性能

經測試，傳感器節(jié)點的體積約為35 mm×70 mm×25mm，工作電流<100 mA，深度睡眠時電流僅3.8 mA，平均功率<15 mW，采用通用的3.7 V/2 000 mA·h聚合物鋰電池供電，電池連續(xù)使用時間>493 h，節(jié)點成本低于50元。

6 結 語

本文采用新型電路模塊和OneNet平臺設計了一種作物監(jiān)測系統(tǒng)，可采集空氣、土壤、莖稈生長和作物圖像等信息。該系統(tǒng)具有硬件性價比高，傳感器和節(jié)點接入方便，軟件開放性和通用性好，二次開發(fā)簡易等特點，可用于溫室作物的生產管理和作物學研究，具有良好的應用前景。接下來將對繼續(xù)降低節(jié)點功耗、對節(jié)點進行保護性封裝等做進一步研究。

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