基于OneNet设备云的农业云监控系统设计

庞培钊 吴梦娇 陈馨 王明远 薄雅

摘 要：为解决传统自动化监控系统不能满足用户随时随地对农业生产过程管理的问题，文章基于中国移动打造的OneNet设备云，设计了智慧农业云监控系统。该系统主要包括三个功能模块，即Arduino实时监测模块、OneNet云平台数据分析模块和Arduino终端控制调节模块。智慧农业云监控系统可对空气温湿度、土壤温湿度、农产品生产情况等进行实时数据采集，对电机、水泵、风机等生产机械进行远程控制。系统性价比高，软件开放性好，传感器接入方便，适用于现代化农业生产的管理与研究。

关键词：OneNet云平台；Arduino；农业；监控

中图分类号：TP277 文献标志码：A 文章编号：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年我國农作物耕种收机械化水平达65%以上，随着我国现代化农业的不断发展，农业生产水平得到显著提升。但目前我国农业仍处于产业化的初级阶段，2016年农田灌溉水有效利用系数仅为0.542，与发达国家0.7-0.8的水平仍然差距很大。传统的自动化监控系统主要以局域网上机位对现场设备进行管理，终端传感器单一，集成化低。在物联网技术快速发展的当下，已不能满足用户随时随地对工作现场设备工作状态、生产情况、突发事件的监控和管理需求。

1 系统结构设计

智慧农业云监控系统结构如图1所示。该系统由传感器模块、OneNet云平台、ESP8266Wi-Fi模块和终端控制模块组成。在系统结构上采用分层分布式设计，分为感测层、网络通讯层、应用层。感测层上，利用ESP8266的GPIO对接入的空气温湿度、土壤温湿度、视频等多种不同类型的传感器进行数据采集和对终端生产机械发出控制信号，停止和起动水泵、电机等生产机械；网络通讯层上，通过ESP8266WiFi模块，搭载4G网络、WiFi、Internet，与OneNet云平台建立网络连接；应用层上，依据用户需要，在OneNet云平台开发应用界面，实现用户在web网页、IPad和手机客户端均可查看被监控区域传感器采集到实时数据和对终端生产机械进行控制。

2 传感采集和输出控制电路设计

本系统可监测农田土壤温湿度，感测晴雨天气，亦可对含有水泵、电机的生产机械实施控制。土壤湿度检测采用FY-H2土壤湿度传感器，该传感器基于电磁脉冲原理测量土壤的表观介电常数，推算得到土壤湿度。具有快速准确稳定可靠的优点，不受土壤中化肥和金属离子的影响，良好的密封性和耐腐蚀性，可长期埋入土壤中使用。本系统采用此类型传感器，检测范围在0～100%，工作温度范围-50～80℃；准确度为±3%；使用DC5V供电，工作电流为5～8mA；以RS232方式输出。温度传感器采用DS18B20，包裹黄铜材质外壳，可以避免生锈并确保准确测量，检测范围在-20℃～+70℃，准确度为±0.5℃，使用DC5V供电，单总线方式通信。晴雨天气检测采用了雨滴传感器，以开关量输出指示降雨与否。

为满足对于水泵、电机等的控制，本系统采用了4路继电器输出方式，触点电流为10A，接入生产机械的电气控制回路，即可实现启动和停止控制。电路原理如图2所示。Arduino Mega 2560的RX2和TX2连接土壤湿度传感器的RS232输出，温度传感器的单总线连接D22引脚，雨滴传感器连接D24引脚。引脚D31、D33、D35、D37分别连接继电器控制端。

3 接入OneNet云平台

3.1 智能硬件接入OneNet云平台流程

OneNet是中国移动公司打造的一款向所有硬件终端硬件开放的免费云平台。OneNet云平台拥有安全、稳定、持续的运营体系，能够提供给用户安全的设备端SDK和数据存储，支持数据加密（TLS/SSL）和通信通道保护。其组织结构不仅形式十分清晰，而且框架全开放、高扩展，从根源上解决了需大量接入不同类型传感器时的难题。OneNet设备云适配于多种网络环境和协议类型，每个个人或企业账号可创建多个项目，各项目可连接多个传感器和终端负载。用户可根据自己的需求选择连接传感器和终端负载，无需高额成本自建平台和后期平台运营维护费用，有效地降低了物联网应用的开发成本和运营成本。

用户在OneNet设备云上注册个人或企业账号，通过账号建立自己的项目以及为设备申请ID。OneNet设备云根据用户的申请为相应的终端智能硬件分配虚拟ID和APIKEY，并通过相应的协议与终端智能硬件建立TCP连接，实现数据的采集和控制信号的发出。

3.2 ESP8266和Arduino的远程控制

Arduino mage2560向ESP8266发送请求连接远程服务器，若在200ms延时内得到回复，则继续请求发送TCP数据包，而后进行采集到的数据、控制信号的传输。若Arduino mage2560未连接到远程服务器或TCP数据包未发送，则错误指示灯将亮起，并且自动重新连接。当以上过程均无误，Arduino mage2560将会收到服务器回复的信息，则终端控制单元与OneNet设备云通讯建立成功。

基于Arduino MEGA2560开展编程，利用ArduinoJson.h和HttpPacket.h库，根据应用需要定义传感器的sensor_id，使用postDataToOneNet（API_KEY， device_id， sensor_id， sensor.value）函数发送感测到的数据；使用getDataFromOneNet（char* API_VALUE_temp， char* device_id_temp， char* sensor_id_temp）获得来自OneNet云平台的控制指令和数值指令。程序编写画面如图3所示。

4 试验及结果

在常温下进行鱼塘养殖监控试验，实验以空气温湿度传感器DHT11、雨滴传感器和视频监控器作为采集端，以Arduino mage2560和ESP8266WiFi模块作为控制终端，以增氧机作为终端被控负载。采集到的数据和控制指令发出标识在web客户端的界面展示如图4所示。包括空气温度曲线、空气湿度曲线、视频监控、天气和水泵开关指令。

经多次试验，客户端能有效、准确地监测到被监控区域的实时数据。在控制指令发出2s左右后终端水泵开始工作。经测试采集控制终端体积为113mm*61mm*25mm，工作时的电流为16mA，工作功率不大于0.08W。

5 结束语

本文采用Arduino mage2560和OneNet云平台设计了一种应用于农业生产的监控系统。可采集空气温湿度、土壤温湿度、农业产品图像等信息，可控制电机、水泵、风机等终端生产机械，为解决传统自动化监控系统不能满足用户随时随地对被监控区域进行管理，提供了一种新的解决方案。该系统具有终端集成化程度高、功耗小，多种传感器接入方便，软件开放性好、硬件性价比高等特点。以OneNet作为云平台，终端传感器与生产机械通过网络传感层搭载4G网络与OneNet云平台建立网络连接，忽略现场网关，整个系统更加简洁。随着5G时代的到来，该系统将带给用户更优质的体验，具有良好的研究前景与应用前景。

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