基于RT-Thread的智慧农业大棚监控系统设计

谢莹

（闽西职业技术学院信息与制造学院 福建省龙岩市 364021）

现农村越来越多的务工人员往城市方向发展，导致农村的青年劳动力急剧下降，而我国作为农业大国，如何实现大规模农业种植仍是亟需解决的问题[2]，伴随着物联网技术的发展，“智慧农业”将作为一种科学的解决途径，其通过物联网技术实现远程监控最终达到精准种植的目的，从而提高农业种植的产量[3]。

本系统使用的操作系统平台是RT-Thread，其由我国团队自主研发，经过多年的升级，已逐步成为一个功能丰富的操作系统，特别适用于一些资源受限的场合。相对于其它操作系统来说，RT-Thread 为用户提供丰富的组件，如内核层、软件包等等，能够有效降低编程难度，因此，开发者通过RT-Thread 系统可以轻松地实现物联网项目的搭建。另外，OneNET 平台为用户提供多样的服务，可使物联网设备实现快速上云，管理人员通过OneNET 平台最终实现对大棚的远程监控，并根据实时采集的传感器数据控制相应的执行器，从而提高农业种植的生产效率并大大降低成本[4]。

1 系统的框架设计

系统的功能包含三个：采集大棚内温湿度和光照数据、传感器数据通过Wi-Fi 模块传输至云平台，云平台下发指令控制输出设备。系统的框架设计如图1所示，其中MCU 采用STM32 芯片，数据采集层外接输入设备（SHT3X 系列温湿度传感器、BH1750 光照度传感器）及输出设备（风机、补光灯），传输层使用ESP8266 模块完成数据的传输，而应用层负责数据的存储及展示，同时下发指令至设备端[5]。

图1：系统的框架设计图

2 RTOS资源的规划

为更好地满足多任务的调度及提高系统响应效率，在本系统的软件框架中设计RTOS 层，对RTOS 资源的规划主要包括以下三个方面：

2.1 SENESOR（传感器）驱动框架的使用

由于市面上传感器厂商众多，而不同的传感器都需配套对应的驱动程序，因此为统一接口及提高代码的可复用性，RT-Thread 为开发者提供SENSOR 设备以降低开发难度，如温湿度、光照、压力、距离等市面上常用的传感器均已对接到SENSOR 框架中。SENSOR 驱动框架设计如图2所示，大体分为两步：完成传感器ops接口的对接及设备的注册。以读取光照数据为例，先将BH1750 传感器成功对接到SENSOR 框架，再通过线程的管理获取光照数据。

图2：SENSOR 驱动框架设计

2.2 线程的管理

在日常中遇到难解的大任务时，可将大任务根据不同的功能进行划分，最终形成多个简单的小任务，问题便迎刃而解，在RT-Thread 中线程作为最核心的功能，也是最小的调度单位，对应着一个个小任务，通过线程的方式编写代码可以简化编程难度，使线程之间相互独立，并提高程序响应速度。另外，通过设置任务的优先级可以让重要的任务得到优先处理。

在本系统中需要完成的小任务有三个，其中两个是采集传感器温湿度、光照数据的任务，第三个任务是在连接OneNET 云平台过程中先进行初始化mqtt 协议的任务，因此根据不同的任务对应创建三个不同的线程：“read_SHT3X_thread”为采集温湿度的线程、“read_light_thread”为采集光照度的线程、“mqtt_init_thread”为初始化mqtt 协议的线程。以采集光照度为例，通过以下几个步骤即可读取对应的光照数据，如表1所示。

表1：对应的光照数据

2.3 信号量的规划

在采集数据的线程被创建成功之后，如何与初始化mqtt 协议的线程协作完成数据上云的任务？在RTThread 中线程间同步的方式主要三种，分别是信号量、互斥量和事件集。信号量作为轻型的内核对象，系统通过获取（take）及释放（release）信号量的方式保证任务/线程正常有序地运行。

RTOS 层的主要工作流程图如图3所示，“read_SHT3X_thread”与“read_light_thread”线程是以永久等待的方式获取信号量，当“等不到”时则一直等待，并且该线程处于挂起状态，同时系统执行其它线程，而“等到了”则会唤醒该线程，紧接着运行该线程的后续代码。

图3：RTOS 层的主要工作流程图

在主函数中设置信号量“mqtt_sem”的初始值为1，在“mqtt_init_thread”线程初始化成功之后释放信号量，信号量的值加1，而“read_SHT3X_thread”与“read_light_thread”线程在分别获取这2 个信号量之后则上传数据至云端，因此，系统通过不断释放及获取信号量的方式完成“mqtt_init_thread”、“read_SHT3X_thread”、“read_light_thread”这三个线程间的通信，最终将温湿度及光照数据上传至OnetNET 云平台。

“mqtt_init_thread”线程释放信号量的关键代码如下：

该线程的主要功能为初始化MQTT 协议，由于初始化一次可能无法成功，因此，需要通过while 循环进行多次尝试初始化，直到初始化成功，初始化成功之后则释放一个信号量，并告知“read_SHT3X_thread”、“read_light_thread”线程可以上传数据，再通过return 语句完成线程工作。

3 OneNET云平台的设计

OneNET 物联网平台提供高效、安全的应用平台，在设备端，适配多种传输协议，如MQTT、NB-IoT、EDP、Modbus 等[6]，为开发者提供各种硬件终端的快速接入方案；另外，在应用层中为开发者提供各类开发需求，使得开发者能够将重点更聚焦于自身应用的开发，缩短开发周期，降低开发成本[7]。

在本系统中建立“智慧农业大棚系统”产品，并在该产品下创建“1 号检测点”设备，设备创建成功之后，云平台会生成对应的设备ID 及鉴权信息等，而设备端要接入云平台则要进行相应的验证。因此，在RTThread Settings 中的onenet 软件包中需对设备ID、身份验证信息、API 密钥、产品ID、及主/产品APIKEY 这几个关键参数进行配置，OneNET 软件包配置如图4所示，验证通过后最终成功连接到云平台。

图4：OneNET 软件包配置图

4 系统测试

OneNET 云平台的管理界面如图5所示，从图中可知当前温度、湿度及光照度的值。

图5：OneNET 云平台的管理界面

光照数据流如图6所示，系统以2min 为周期上传一次温湿度及光照数据，以采集光照度为例，从图中标号①可知采集频率正确。当光照度低于阈值时，如图中标号②所示，当前光照值为0 时，则自动开启补光灯，如图7所示。同理，当湿度高于阈值时，则开启风机。

图6：光照数据流

图7：小熊派主板及拓展板

另外，云平台通过下发命令功能手动控制风机和补光灯的开与关，如图8所示。

图8：云平台的下发命令功能

5 结束语

基于RT-Thread的智慧农业大棚监控系统通过OneNET 云平台实现远程监控，并且实时采集传感器数据并与风机、补光灯等执行器进行联动，为管理人员提供精准数据以提高种植产量。另外，系统对RTOS 资源进行合理规划，应用线程及信号量完成数据的传输能够有效提高系统响应速度，如为更好地满足大棚的监测需求，进一步完善系统功能，后期只需通过线程的管理即可增加其它传感器，降低开发难度[8]。