智农监测

张欣征 刘晓东 齐佳萌 李梦源 杜小杰

关键词：智农监测；STM32；Wi-Fi；微信小程序；阿里云

0 引言

随着信息化时代的发展，数字化农业已成为新时代农业发展的必然趋势。国家在“十二五”“十三五”“十四五”规划中均设定了数字化农业的发展目标，并制定了相关政策及规划。近年来，农业物联网技术的应用在一些领域取得了显著进展和丰硕成果。然而，目前许多应用领域尚不支持短信及手机端微信小程序控制。为便于农业远程管理，本文分析了智慧农业应用中物联网技术的优势，并结合微信、钉钉开发平台，设计了一个植物生产环境数据监测及报警系统，以期为智慧农业的发展提供借鉴。

1 物联网技术在智慧农业方面的优势

通过物联网的核心技术，结合传感器技术，我们可以获取农业植物生长过程中的各类数据，如土壤温湿度、光照强度、植物正常肥料及病虫害等信息，并将采集的数据上传至云平台进行存储及处理。这为农业农作物生长提供了可控管理，为生产对象营造了一个接近原生态的最佳生长环境，从而减少了对施肥和农药的需求，降低了劳动强度，并提升了作物的品质和品相。

2 物联网技术在智慧农业领域中的问题

智慧农业是今后农业发展的方向，但我国的信息采集以及后期全局的分析处理目前仍处于中低水平，缺乏系统的信息采集架构和标准。此外，在信息采集和分析后，缺乏相应的专家处理系统。许多智能设备仅停留在数据的可视化显示及远程管控上，不能针对问题给出及时有效的解决办法。发展过程中仍存在个性化服务不强、信息采集系统缺乏统一架构及标准等问题。另外，目前许多智慧农业的物联网系统尚未实现真正的全自动智能化，许多设备仍需人为前往设备放置处通过刷卡或其他方式启动或关闭，属于半自动化控制。

3 基于物联网的智慧农业在国内外的研究现状

智慧农业在全球范围内已得到了广泛关注和推动[1]。一些发达国家，如美国、荷兰、以色列等，一直处于智慧农业发展的前沿。这些国家积极探索新技术的应用，推动农业的数字化转型。例如，他们利用无人机进行遥感检测和图像识别，利用自动化系统进行精确农药喷洒和收获，利用大数据和人工智能进行精细化管理等。一方面，人们得以从繁重的农业生产任务中解脱出来；另一方面，农业种植变得更加科学，农业生产过程得以加快[2]。

在中国，智慧农业已成为国家战略的重要组成部分[3]。在政府推动下，各种新技术广泛应用于农业生产中。例如，传感器技术、物联网、大数据分析、人工智能等技术应用于灌溉、精准施肥、病虫害监测等方面。然而，智慧农业目前仍主要局限于实验田和大棚，许多高标准农田仅停留在低级应用层面。因此，当出现农业灾情时，可以明显看出高标准农田的农作物产品质量更为优质。为此，智慧农业在农业发展中势在必行，关键在于如何加快完善智慧农业中的技术攻关、专家系统构建以及智慧农业设施的维修和管理。因此，随着人工智能、大数据、物联网等新技术的不断发展，应提高农业生产效率和农产品质量，加强农业供应链的数字化管理，实现追溯和可持续发展，促进农业与城市的融合，发展城市农业和农业旅游等，这些将成为后期农业发展的核心方向。

4 基于物联网技术在智慧农业中的设计方案

4.1 设计目标

智慧农业的运用领域对于底层硬件的信息采集以及信息的质量要求较高[4]。此系统结合了物联网技术、云平台、MQTT传输协议和硬件设计等相关技术，实现了物联网在智慧农业应用中的核心功能：即借助底层硬件传感器获取空气和土壤的温湿度、光照数据、墒情及病虫害情况，实时上报至云平台并进行可视化显示。后台通过专家系统对数据进行分析处理，实现在电脑端或手机端的远程设备管控。根据农业生长经验，用户可以通过云平台设置农业成长环境因素的界限值及报警阈值，当某一数据值超出阈值时，平台会通过手机短信进行报警，从而方便用户实时监测管理。

4.2 系统架构

4.2.1 总体分析

本方案的智慧农业系统设计采用物联网经典的3 层架构模型：感知层、网络传输层和应用服务层。系统总体架构如图1所示。

感知层主要负责采集农作物生长所需的环境数据信息，网络传输层则将感知层传感器采集到的数据信息发送至阿里云物联网云平台。云平台负责数据存储与分析，并可以发出控制信息至感知层以控制外围设备操作。此外，移动客户端通过向阿里云发送请求，获取云端数据并在移动端实时显示，为用户提供实时监测和控制植物生产环境的功能。

4.2.2 数据感知层

数据感知层有控制器和传感器两个部分，其中，微控制器采用STM32F103ZET6 最小系统，板载OLED 显示屏、环境温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器和继电器实现环境数据采集和继电器控制。微控制器采集完数据后，使用 ESP8266 WIFI模块完成数据和阿里云物联网云平台的双向传递。

4.2.3 网络传输层

本系统的网络传输层采用的是无线Wi-Fi通信方式实现数据到云平台的发送和接收，Wi-Fi 芯片使用的是 ESP8266，其优点主要是价格低、性能高和开发环境简单。通过连接路由器使用TCP透传模式，透传就是在第一次使用时需要手动配置 Wi-Fi 的路由信息，主要是设置Wi-Fi名称和Wi-Fi密码，只有透传设置完成才能正常联网。使用时在 Wi-Fi 名称和密码不变的情况下仅需透传设置一次即可，一旦Wi-Fi 信息更改则需要重新设置。在设置时，本系统开发使用的是AT指令。

4.2.4 应用层

应用层首先是利用阿里云物联网云平台接收传感器的数据，进行数据可视化处理，通过阿里云提供的云端API，服务端通过调用云端 API 将指令下发至设备端，实现远程控制[5]，在物联网平台设置连接设备和数据模块后可以实时看到农作物生长环境参数数值变化，同时为系统平台设置报警机制，用户可以远程设置阈值，当系统出现报警时，系统可以通过短信、微信小程序等方式接收和查看植物成长状态。本文采用微信小程序一是为了适应目前移动端客户的应用习惯，二是微信小程序开发成本低廉。

4.3 报警机制

在阿里云物联网云平台接收到数据感知层发送的数据后，通过本文设计的专家系统对温度、墒情、光照及虫情等进行监控。当响应的数据达到阈值时，系统会及时向用户报警。为降低成本和方便使用，本文采用钉钉机器人作为报警方式，其设置过程如下：首先，在钉钉中创建自定义机器人，并获取机器人的Webhook地址；其次，阿里云通过这个Webhook地址发送报警信息；最后，设置Webhook，实现阿里云的报警信息发送至钉钉机器人，从而及时通知相关人员采取应对措施。添加机器人的过程如图2所示。图中设置机器人名字如温度报警、安全设置有三种方式。选择“自定义关键词”允许用户自己添加关键词，只有包含这些关键词的信息才会被推送；加签相当于给机器人设置一个密码；IP段设置后，仅指定IP发出的信息会被推送。

5 系统功能测试

首先，确保系统设计的底层硬件连接成功，并将底层应用程序加载至硬件系统，上电联网。接着，进行系统测试及控制监测。系统上电后，硬件效果如图3所示。同时，通过微信小程序，用户可以实时监控植物生产环境数据，如图4所示。当设置的生产因素超限时，系统能够及时向用户报警，如图5所示。

6 结束语

智慧农业积极响应国家乡村振兴战略，在物联网框架内融入了嵌入式和无线传感网技术。本文从物联网的感知层、网络传输层和应用层三个方面详细描述了本系统的设计与实现。感知层负责实时采集农作物生长相关的环境参数，并根据数据反馈进行有效管控，从而提高农作物的产量和质量。网络层将终端采集的数据实时传送至阿里云物联网平台，通过消息的订阅发布实现与物联网云平台的通信和数据交互。应用层则利用阿里云物联网云平台，以多种方式在云端展示农作物生长环境数据。此外，移动端通过微信小程序可实时查看生长环境数据监控，并及时接收系统发送的报警信息，简化了农户监控植物生产的全过程，为农业信息化发展提供有力的数据支撑及技术支持。