基于云平台的智慧农业信息系统设计与实现

吴超 赵红

摘要：智慧农业信息系统是由计算机、传感器、通信模块、控制模块以及执行机构组成的多输入、多输出的闭环控制系统。以STC15W4K56S4单片机为控制核心，Air724 4G为通信模块，光照传感器、二氧化碳浓度传感器、温湿度传感器、土壤湿度传感器等组成信息采集系统，搭建了硬件平台。基于MQTT协议开发软件，将环境检测数据上传云平台，设计了数据采集、信息处理、终端控制的信息系统，实现了数据的远程检测与控制。

關键词：智慧农业;云平台;MQTT;Air724 4G

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）15-0117-03

我国是农业大国，乡村振兴是国家战略。虽然信息化、智能化、自动化的现代农业耕种方式在我国正渐渐取代传统劳动密集型、粗放式的种植方式，但农业精细化管理和自动化程度远不及欧美、日本等发达国家。相较于美国从事农业人口仅占美国总人口3%的数据比例，我国农业设施智能化管理的普及显得尤为重要。通过利用物联网等信息技术远程控制管理农业种植系统，不仅能大大节省人力物力，还能提高农作物的产量，进而促进农业科技发展的进步与创新，加快农村地区转变发展方式[1]。

我国农业经历了手动人工控制、自动化控制和智慧化控制三个阶段[2]。智慧农业控制系统将手动人工与自动化控制相结合，实现了手动到自动、再到智能化控制的过渡[3]。智慧农业信息系统主要涉及对农业环境信息的检测与控制，包括空气温度与湿度、土壤湿度、光照强度、空气中二氧化碳的含量等信息的检测。采用传感器等设备采集数据和信息加以处理后，将处理好的信息上传至上位机和云平台，根据数据的变化对终端设备发出指令，改变农作物生长环境，形成“采集—处理—控制”的闭合控制系统[4，5]。

1 智慧农业信息系统总体设计

1.1 智慧农业信息系统总体结构

智慧农业信息系统包括软件和硬件两个方面，通过各种传感器进行数据采集，通过物联网云平台远程监测传感器监测到的数据，并根据需求手动控制风扇与水泵开与关;通过OLED显示屏显示光照强度、空气温湿度、土壤湿度以及二氧化碳浓度等。

智慧农业信息系统总体架构如图1所示，由计算机、传感器、通信模块、控制模块以及执行机构组成多输入、多输出的闭环控制系统。终端数据采集模块为各种传感器，数据通过通信模块传送至MQTT代理服务器，用户通过客户端软件和移动客户端可以查看数据和发出指令。

1.2 智慧农业信息系统角色设计

智慧农业信息系统的用户角色分为四种，分别是系统总控管理员、分区管理员、系统运维人员、用户。各类角色从事的工作不同，并拥有不同的系统管理权限，相互协调，分工明确，推进系统的平稳运行。

1）系统总控管理员

系统总控管理员是整个智慧农业信息系统的总控制管理者，拥有系统所有的管理权限，负责统筹所有系统的管理工作，具有最高决定权与执行权。系统总控管理员可以对分区管理员、系统运维人员以及用户进行管理，同时可以根据系统的实际需要对其核心参数进行调整和适时优化。

2）分区管理员

分区管理员是地位仅次于系统总控管理员的一个角色，主要负责某个地区的管理工作，起到连接总控管理员与用户的一个桥梁作用。分区管理员既可以指导与辅助用户的使用工作，也可以分担系统总控管理员的地区管理工作，对其负责区域内的智能温室系统进行参数调整与管理，实时查看所在区域温室大棚的环境参数变化。

3）系统运维人员

系统运维人员是负责智能温室内软件系统与硬件系统的运行与维护，以及用户后期的维护与维修工作，保障用户的使用体验。同时，系统运维人员也可辅助分区管理员对某地区的智慧农业信息系统更好运作。

4）用户

用户是智慧农业信息系统的客户，直接使用智慧农业信息系统对环境参数进行远程监测与控制。

2 智慧农业信息系统硬件系统设计

2.1 数据传输过程

智慧农业信息系统的数据传输过程如图2所示，光照、二氧化碳、温湿度传感器和土壤湿度传感器采集数据信息后，将数据信息通过代码传输给STC15W4K56S4， STC15将传感器采集的数据通过串口通信，在OLED显示屏上显示所采集数据的信息，STC15单片机与Air724 4G通信模组进行UART通信，STC15通过串口1发送到Air724 4G通信模组中，Air724 4G通信模组通过MQTT协议将检测的数据上报至云平台，云平台实时显示检测到的动态数据，智能温室用户不用亲临现场，根据设置的环境参数，远程控制打开或者关闭风扇与水泵。

2.2 硬件系统设计

根据数据与控制信息传输过程，设计了硬件系统，搭建了实验平台，如图3所示。信息与数据处理器为STE15单片机，光照、二氧化碳、温湿度的数据采集用三合一传感器，土壤水分的检测采用土壤水分传感器，通信模组用Air724 4G，终端执行机构有水泵和风扇。各模块的连接关系如图3所示。

2.3 光照二氧化碳温湿度三合一传感器

为实现农业环境的远程监测，使用集光照强度、空气温湿度以及二氧化碳浓度测量三合一的传感器，轻巧便携、功能强大，采用的485通信。该传感器选用了集成三种功能一体的RS485环境监测变送器，节点为从机模式，支持modbusRTU协议。选用成品环境变送器使我们只需要关注数据传输逻辑、数据解析而不需要过多考虑传感器采集环境参数的具体实现过程和逻辑代码，减少开发时间。

2.4 土壤水分传感器

土壤温水分传感器是对农作物生长的土壤进行水分含量监测，通过检测的数据判断是否需要控制水泵进行灌溉。该传感器集成RS485通信协议，为从机模式，也支持modbusRTU协议。

2.5 Air724 4G通信模块

4G通信技术全称为第四代无线通信技术，4G通信技术比2G、3G更为先进，比5G更加成熟。4G通信技术不仅实现了单一终端向多元化终端的转变，提高了各种数据传输的速度与效率，而且也使得通信的效能大幅度提升，兼容性比2G、3G高很多。

3 智慧农业信息系统软件系统设计

智慧农业信息系统利用C语言在Keil μVision5编程环境下编写终端控制程序，利用MQTT传输协议连接终端硬件和云平台，实现了系统的各项功能。

3.1 云平台项目设置

新大陆云平台是可以将光照强度、空气温湿度、土壤湿度以及二氧化碳浓度传感器所测得的数值显示，并控制风扇水泵等开关的一个物联网云服务平台。新大陆云平台具有数据在线采集、数据处理、远程调控以及预警信息发布等功能。如图4所示，在云平台新建项目，添加设备，并添加多个传感器与执行器。

3.2 控制系统开发

智慧农业信息系统利用C语言在Keil μVision5编程环境下编写终端控制程序，利用MQTT传输协议连接终端硬件和云平台，实现了系统的各项功能。

物联网传输协议MQTT全称为消息队列遥测传输协议，是一种即时通信协议技术，具有简单、轻量、开放和容易实现等优点。MQTT协议连接沟通起Air724 4G通信模组与新大陆云平台，在通讯过程中承担三种角色，即发布者、代理（服务器）、订阅者。Air724 4G通信模组通过MQTT协议将数据传输给新大陆云平台，新大陆云平台通过对所采集的数据进行分析和运算产生控制命令，再通过MQTT协议将控制命令传输给风机水泵以实现温室的网络化控制。基于MQTT协议的远程控制数据的传输使农业信息系统的监控面积得到延伸，实现分区化、大型化的管理，有力保障农业环境参数的自动采集、远程监测与控制等。

4 智慧农业信息系统功能实现

4.1 采集光照强度、二氧化碳浓度、空气温湿度

（1）采集光照强度

智慧农业信息控制系统测量农业大棚的光照强度，并将数据通过Air724 4G通信模块上传到新大陆云平台，远程监控光照参数，并远程控制可控节点执行任务。根据设定阈值开启日光灯来模拟增强光照强度或者关闭日光灯来模拟降低光照强度。

（2）采集二氧化碳含量

智慧农业信息控制系统检测大棚内空气中CO2的含量，并根据农作物的光合作用和呼吸状况来调配最适宜农作物生长的二氧化碳的相对含量。

（3）采集大棚内空气的温湿度

智慧农业信息控制系统测量农作物生长环境的温湿度并远程监控和远程控制风扇开关。

4.2 采集土壤湿度

智慧农业信息系统测量土壤的湿度，当土壤湿度低于作物所需标准值，继电器工作。在继电器另一端添加微型水泵进行抽水功能，云平台也可以自主控制继电器工作，启动电机浇水。当土壤湿度高于作物所需标准值，继电器停止工作，停止浇水。当土壤湿度降低到不利于作物生长时，自动打开水阀灌溉。

4.3 OLED显示屏显示所采集数据

OLED显示屏实时显示农作物生长环境的光照强度、空气温湿度、二氧化碳浓度以及土壤湿度所采集的数据。

4.4 新大陆云平台远程监测与调控

新大陆云平台实时显示检测动态数据，如图5所示，云端远程监测与远程控制，根据设置的环境参数，打开或者关闭风扇与水泵。

5 结语

智慧农业信息系统正在朝着集成化、系统化的方向发展，智慧农业将成为未来农业生产发展的趋势，利用智能控制算法改善农作物生长环境，使农作物始终处于最优的生长状态。本文介绍了智慧农业信息系统的总体结构、软硬件系统及实现的具体功能，利用各种传感器采集数据，通过Air724 4G通信模块将数据上传新大陆云平台;通过各种的智能控制开关，可自动实现浇水、通风等功能，实现了农业生产系统的智能化、精準化和网络化。目前智慧农业信息系统从应用到实际的过程还有很多不足，从事相关农业技术研究工作的人员仍需进一步改进与完善。

参考文献：

[1] 苑光明，王曼娜，丁承君，等.基于物联网和雾计算的温室智能感控系统设计[J].传感器与微系统，2020，39（8）：110-113.

[2] 王毅敏.基于物联网的智能温室农业大棚管理系统构建[J].新农业，2019（22）：38.

[3] 孟凡宇.基于单片机的智能温室大棚系统设计与实现[J].科技资讯，2020，18（3）：10-11，13.

[4] 朱斌.基于物联网的智能温室系统设计与实现[D].武汉：武汉轻工大学，2019.

[5] 钟国荣，吴世海，鲍义东，等.基于物联网技术的智能温室大棚控制系统[J].电子技术与软件工程，2019（8）：238.

【通联编辑：梁书】