现代农业物联网云平台环境监测系统研究

王 娜 尹向东 杨振南

（1.湖南科技学院 传媒学院，湖南 永州 425199；2.湖南科技学院 电子与信息工程学院，湖南 永州 425199）

随着农业物联网技术的迅速开展，使得传统农业生产迈向智能化、轻型化。目前蔬菜大棚的监测主要采用传统的人工监测，需花费大量时间去对监测样品进行采集统计。这种方法难以进行大规模地、全面地监测，工作量庞大且复杂困难，难以进行实时、有效的监测[1]。所以搭建一个具备平稳性、广泛性、可符合智能监测的蔬菜大棚监测系统具有良好的市场前景。

本系统利用各种传感器、单片机技术和物联网云平台技术，通过采集作物环境中的温湿度和害虫等各方面数据，上传至云平台进行分析处理，用户可以远程进行调节处理，实现精确的自动控制，从而可以有效降低农业生产成本，提高生产效率，实现现代农业的智能化生产[2]。

1 系统设计

1.1 系统框架

整个检测系统大致分为3 个部分：环境监测服务器、物联网云平台、手机APP。

（1）环境监测服务器

服务器硬件包含了 STM32 芯片、液晶显示器12864、ESP8266 模块、光电门、温湿度传感器DHT11、水位监测模块、光敏电阻。软件组成包含了整个主程序的设计以及分各个模块进行编程设计，如温湿度采集和统计害虫数量子程序设计，液晶显示子程序设计，报警子程序设计，ESP8266 连接WIFI 上传子程序设计。

（2）物联网云平台

整个监测系统最核心的技术是物联网技术，此系统物联网的实现体现在首先硬件设备各个模块能够成功获取数据，ESP8266 模块接收到传感器采集到的数据并实现WIFI 联网成功将数据上传到物联网云平台。然后使用云平台提供的接口，从云平台的服务器读取数据，显示在自己设计手机界面上可实时监管。

（3）手机APP

在这个系统中用户通过手机端 APP 可以实时获取农田环境内的温湿度参数和害虫数量，农田环境监测服务器通过手机端APP 向用户反馈数据。手机端APP 提供数据的存储，检测；数据、命令的转发。

1.2 系统功能

系统需实现的功能如下：

（1）可以采集到农田环境中的温湿度参数、光照强度。粗略的计算害虫数量，感受到雨滴滴落。并通过单片机对测量的数据进行基本处理和显示，实现农田环境内的基本监测。

（2）当采集到的数据超过预设值时及时给予报警提示。

（3）监测设备要求具有远程通讯功能、存储功能，还应具有高灵敏度，高可靠性，高抗干扰能力等。

（4）系统通信采用ESP8266 模块，需要能够方便快捷的实现联网，及时将各模块测量数据进行保存处理并上传到云平台最后由手机端接收。

（5）手机端软件编程应具有清晰界面、操作简单等特点。

系统整体设计如图1 所示。

图1 农业物联网云平台监测系统

2 系统实现

按照上节的设计方案，设计了主程序、温湿度采集和害虫数量统计模块子程序、温湿度超限报警模块、LCD 模块子程序。本节着重介绍如何使用ESP8266 进行WIFI 传输，利用物联网将数据送达云平台，最后通过手机APP 实时获取。

2.1 主程序设计

主程序设计流程图如图2 所示，首先是系统上电后单片机对系统中的各个模块初始化，且本身需设置为初始化成功。硬件板块上会用一个 LED 灯提示ESP8266 模块是否联网成功，初始化完成之后登陆到物联网云平台对监测系统采集到的数据进行上传处理，并且进行预判对比是否超过限值，若超限则启动声光报警，报警之后系统会延迟5s 再去进行新的数据采集。

采集数据依靠各子模块的传感器来进行，如结合DHT11 的工作时序来编写如何准确采集温湿度，采用光电门和水位传感器的高低电平来进行计数和感受雨滴滴落。当有物体掉入光电门，雨滴滴落在传感器上时会调用 LCD 子程序进行害虫数量加一显示相应的也会调用报警模块进行报警。当采集完数据之后 ESP8266 模块会进行联网上传将采集到的数据上传到云平台，工作模式是透传模式，采用AT 指令来控制。

图2 主程序设计流程图

2.2 ESP8266 模块

数据上传主要是借助ESP8266WIFI 模块，通过AT 指令控制ESP8266 模块。用stm32 作为该系统硬件的主控芯片，利用串口与ESP8266 进行通信交互。联网成功之后将采集数据上传到云平台，手机端从云平台获取。ESP8266 模块的工作模式主要是STA/AP/STA+AP 三种，此系统中ESP8266 的工作模式是station 模式。作为整个系统基站，通过路由器（AP）连接WIFI 来连入internet，可向云平台发送、下载数据。

用户可随时使用手机或者PC 端通过云平台获取数据，监测到ESP8266 模块情况，并能发送控制命令。ESP8266 模块将数据上传到物联网云平台采用了透传功能。农田监测服务器通过uart 将数据发给ESP8266 再连接WIFI 将数据传输到云平台。在传输过程中主要是将数据发到目标地址，不会进行处理，两方接收内容完全一致。

2.3 物联网云平台

系统物联网云平台是利用各种物联网技术如传感器技术、无线传输技术、大数据处理技术和远程控制等技术并结合因特网、WIFI 通信、云计算大数据技术来开发的物联网云服务平台，集结硬件设备在线采集、用户远程控制、WIFI 传输、数据存储处理、发布预警信息多功能于一体的物联网系统。用户可通过手机、平板、计算机等信息终端，实时掌握传感设备信息，及时获取报警、预警信息，最终实现轻松简单的管理。

此系统中物联网云平台相当于一个中间过渡作用，ESP8266 连接WIFI 上传数据至云平台，然后云平台会提供 API 接口使自行编码的手机 APP从服务器读取数据。

云平台项目的建立需要完成如下步骤：

（1）添加设备下的传感器。共添加了五个传感器，温度、光照、湿度、昆虫数量、报警。该监测系统用的是独立的WIFI 模块，直接经过TCP 或MQTT 连接云平台的关键设备，所采集到的数据被添加的WIFI 模块上传到云平台。

（2）编写接入代码，实现传感器数据采集、协议封装、数据上传。接入方式可运用TCP、MQTT、HTTP 等协议，通信方式采用WIFI；在接入云平台编码的过程中，可以用开发文档中提供的 SDK 进行数据封装。

（3）应用开发。利用云平台提供的 API 接口自行编码设计符合用户需求的APP。

云平台搭建成功才是整个系统实现物联网的关键之处，使得用户能够简便快捷的借助手机端、PC 端来查看环境监测信息。

2.4 手机APP

手机端APP 开发对于云平台提供的API 接口，使用okhttp 框架实现数据请求。云平台通过自身的调试工具查看http 请求返回的(json)数据,使用gson框架解析服务器返回的json 数据，提取出自己需要的数据（包括AccountToken,传感器的ID、时间和值），使用子线程序循环请求，更新数据。再将解析出来的数据显示到UI 中。UI 主体界面为一个选项卡，对应各个传感器的数据，如温度、湿度。

结束语

经测试，本系统用户端利用物联网云平台，可使用手机APP 实时实时监管，能够监测到环境中的温度、湿度、害虫数量、光照强度及雨滴，能够及时开启报警反映环境中的实时数据。由于水平有限，系统还存在许多不足之处，今后我们将进一步对系统进行改进，譬如设置自动调节控制功能，以达到降低功耗和减轻人员的工作量的目标。