智慧农业环境数据采集与远程控制系统设计

摘 要：结合智慧农业的发展需求，设计了一种智慧农业环境数据采集与远程控制系统。该系统采用WSN+WiFi的开放式系统架构，将多个传感器节点采集的数据实时传输到云平台进行发布，用户通过APP访问区域内的环境数据并进行控制。制作了一台原理样机并完成了系统的功能验证，具有较好的工程应用前景。

关键词：智慧农业；WSN+WiFi；数据采集；环境感知；远程控制；云平台

中图分类号：TP39；TN802 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）03-0-03

0 引 言

在传统农业中，对于灌溉、施肥、喷药等流程，农民全凭经验和感觉。从传统农业到现代农业转变的过程中，农业信息化的发展大致经历了电脑农业、数字农业、精准农业和智慧农业四个阶段。智慧农业[1-3]指的是利用物联网、人工智能等现代信息技术与传统农业进行深度融合，实现农业生产全过程的信息感知、精准管理与智能控制的一种全新的农业生产方式，可实现农业的可视化诊断、远程控制以及灾害预警等功能。目前，我国农业正在从传统农业向现代农业转变。信息科技的高速发展将为现代智慧农业的发展提供强力的物质与科技支撑，智能化、网络化、数字化已经成为新一轮农业基础设施建设的主要特色[4]。

新一代信息技术是第四次工业革命的核心技术，信息技术需要和具体的产业应用相结合，如信息技术和传统农业结合产生了智慧农业技术，信息技术的应用将大大推动传统农业生产方式的变革。农业生产需要合适的环境，如温度、湿度、光照等，利用信息技术可以实现对农业环境的实时感知与控制。本文结合智慧农业的发展需求，设计了一种智慧农业环境数据采集与远程控制系统。该系统采用新型网络化开放架构，将多个传感器节点采集的数据实时传输到OneNET云平台进行主题发布，用户订阅该主题后可以查询到区域内环境数据并进行控制。

与传统的数据采集和监控系统相比，基于云平台的智慧农业系统采用WSN+WiFi的开放式系统架构，即由分布在自由空间的一组“自治的”无线传感器协作完成对特定区域农业环境的感知，将WSN获取的农业环境数据发送给协调器，协调器通过WiFi接入互联网，将环境数据发送到云平台并进行发布；用户可通过APP实时访问农业环境数据并进行控制。该系统将WSN短距离通信与WiFi远距离通信结合起来，成为一个开放式系统[5]。

1 多节点数据采集与远程控制系统设计

1.1 系统总体设计

根据系统功能，智慧农业环境数据采集与远程控制系统包括数据采集终端模块[6]、区域无线自组网模块、无线网络通信模块、云服务器平台、用户终端5个部分，如图1所示。数据采集终端模块包括农业生产环境相关的各种传感器，如温度数据采集终端、湿度数据采集终端和光照数据采集终端等，数据采集终端模块通过ZigBee和网络协调器连接，网络协调器经无线网络通信模块接入互联网，连接云平台服务器。用户终端通过APP访问云平台，实时获取农业环境数据，系统通过环境控制设备对环境状态进行控制。

（1）WSN+WiFi开放式系统架构

系统采用WSN+WiFi开放式系统架构，该架构具有以下特点：①WSN基于ZigBee协议栈进行无线组网，硬件成本低，能减少布线、施工的工作量，增加了现场组网的灵活性；②协调器通过WiFi模块连接互联网，基于MQTT协议将环境数据发送到云平台，用户通过订阅即可访问数据；③通过发布/订阅方式使系统成为一个开放式系统，并可对访问用户进行控制。

（2）无线网络通信模块

无线网络通信模块将获取到的环境信息通过内嵌TCP/IP协议栈的ESP8266模块上传给云平台，使用4G/5G/WiFi等通信方式的设备都可接入。ESP8266的应用层采用MQTT通信协议，模块出厂时已内置AT固件，波特率为115 200 b/s，可以进行AT指令操作。

（3）云服务平台

系统采用OneNET作为云服务平台，OneNET是由中国移动打造的PaaS物联网开放平台。平台能够帮助开发者轻松实现设备接入与连接，快速完成产品开发部署，为智能应用产品提供完善的物联网解决方案。云平台有用户登录识别功能，登录成功的用户通过Web端添加用户的智能设备，如温湿度传感器、光照传感器、温度控制装置、通风装置和喷淋装置等。云服务平台将上传的数据自动解析，得到当前农业环境信息，并自动显示在云平台上。用户可以通过Web、移动手机端访问云平台上的环境信息，进而完成相关环境控制任务。

（4）用户终端

系统设计了基于手机APP的用户终端[7]，云平台会将数据根据数据库的规则引擎转发给APP，使用户能随时查看农业环境的相关信息，云服务平台也会将用户下发的指令转发给无线网络通信模块，方便用户对农业环境终端设备进行控制。

1.2 硬件系统设计

图2是系统硬件结构。系统包括采集控制终端和协调器，多个采集控制终端和协调器通过ZigBee网络连接，组成了WSN网络，协调器通过WiFi模块ESP8266连接到OneNET云服务器。系统采用嵌入式STM32F103ZET6作为主控制器，环境传感器包括农业环境所需的温度、湿度、光照传感器等；基于WSN网络协议，协调器接收来自采集控制终端的环境数据，将环境数据上传到OneNET。用户可以通过APP访问云服务器上的数据，进而对环境进行控制，STM32嵌入式MCU接收到用户命令，驱动环境控制器对环境进行控制，如制冷/制热、喷淋、照明等。

（1）主控制器。选用STM32F103ZET6作为主控制器[8]，该控制器是意法半导体公司推出的一款基于Cortex-M3架构的32位嵌入式MCU，内含串口、外部中断、DMA控制器、定时器等片上资源，具有成本低、功耗低、框架成熟等优点。

（2）环境传感器。系统选用温湿度传感器DHT11、光照强度传感器BH1750FVI等测量环境参数。DHT11是一款功耗非常低的单总线温湿度传感器，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，其信号输出引脚和单片机的GPIO引脚相连。

（3）通信模块。系统包括区域连接的WSN组网和互联网连接的WiFi。WSN采用CC2530无线组网，其中ZigBee提供了一种支持低速率、低功耗、安全性和可靠性，而且经济高效的标准型无线网络解决方案。协调器采用ESP8266作为WiFi互联网接入模块，通过串口和STM32连接，STM32发送AT指令配置模块工作在STA客户端模式，将WiFi的名称和密码以及OneNET云平台的服务器地址和端口号发送给ESP8266，使其能够接入OneNET。

（4）环境控制器[9-10]。环境控制器用于对农业环境进行调节，根据设定的环境参数阈值，控制制冷/制热、喷淋、照明等设备实现开启/关闭，使农业环境符合作物生长的需要。

1.3 软件系统设计

1.3.1 主程序流程设计

软件流程如图3所示，首先对系统模块进行初始化，通信模块初始化时，MCU通过AT指令，使通信模块连接到互联网，OneNET云平台提供的TCP连接端口号为6002。与云服务器建立TCP连接后，将数据和主题等信息按照特定格式打包成MQTT协议包，通过TCP发送到MQTT服务器，MQTT服务器根据主题信息向订阅了此主题的设备发送MQTT协议包，接收端按照规则解析协议包并提取数据。主程序每隔5 s完成一次组包并上传至云平台，系统接收并解析指令，构建发送缓冲区和接收缓冲区用来帮助实现数据的收发，最终完成终端设备与云平台的通信。

1.3.2 用户终端APP设计

在OneNET云平台上建立和系统相关的产品和设备，系统中的终端设备和OneNET之间通过MQTT协议进行通信。当云平台上建立的产品发布后，用户登录APP就可以对产品数据进行访问。用户终端为用户提供人机交互界面，通过它可以实时查看环境数据，根据环境数据可自动/手动对环境状态进行控制。

基于HBuilder软件开发用户终端APP界面，用户可以使用云平台提供的相关产品/设备信息，自定义展示的内容；然后基于Android或iOS平台进行编译，生成可执行的APK文件。

2 系统实现与功能验证

根据智慧农业环境数据采集与远程控制系统的功能要求，开发了一台原理样机，如图4所示。原理样机包括环境数据采集器、环境控制器、OneNET云平台、用户终端应用APP。环境数据采集器采集温湿度环境数据，将数据基于MQTT协议上传至OneNET，用户终端应用APP访问OneNET并实时显示环境数据，APP根据环境数据驱动环境控制器（LED灯模拟）工作。

用户在OneNET云平台上建立产品和设备，产品和设备有唯一的ID号，当环境终端通过ESP8266连接网络和OneNET服务器以后，连接的设备将显示在线状态，如图5所示。

打开在线设备数据流，可以看到与环境终端设备相关的数据，如温湿度环境数据、环境控制器状态数据，如图6所示；数据也可同步显示在用户终端APP上，如图7所示，用户终端APP可驱动环境控制器工作。

3 结 语

智慧农业是未来农业的发展方向，信息技术的应用将有力地推动传统农业生产方式的变革。本文设计了一种基于云平台的智慧农业环境数据采集与远程控制系统，该系统采用WSN+WiFi的开放式系统架构，即由分布在自由空间的一组“自治的”无线传感器协作完成对特定区域农业环境的感知，通过WiFi模块ESP8266将环境数据发送到云平台，用户可通过APP实时访问农业环境数据并进行控制。完成了多节点数据采集与远程控制系统设计，包括数据采集终端模块、区域无线自组网模块、无线网络通信模块、云服务器平台、用户终端5个部分。最后制作了一台原理样机并完成了系统的功能验证。

注：本文通讯作者为杨会军。

参考文献

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[2]黄富达，陈松琪，陶志霖，等.基于物联网的智慧农业监测联动系统设计[J].电子制作，2023，31（8）：56-59.

[3]代爱妮，郭书瑞，王蕊.基于ESP32的智慧农业大棚实验系统设计[J].物联网技术，2023，13（4）：91-94.

[4]卢海波. 温室环境数据采集与远程监控系统设计开发[D].沈阳： 东北大学，2017.

[5]傅仁轩，肖连风. 基于物联网技术的新型数据采集与监控系统设计[J].移动通信，2011，35（9）：79-82.

[6]吴雪峰. 远程数据采集系统的设计与实现[D]. 武汉：华中科技大学，2007.

[7]凌滨，王战金，张树帅，等. 基于云平台的智能家居系统研究与实现[J].科技创新与生产力，2019，40（12）：71-73.

[8]张洋，刘军，严汉宇. 原子教你玩STM32（库函数版）[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社，2013.

[9]方东，王捷，吴懿平. 基于云平台的LED照明控制系统设计[J].信息与电脑，2016，10（4）：10-11.

[10]闫施锦，陈淼，刘静波. 基于OneNET的多模式远程控制开关系统设计[J].物联网技术，2022，12（2）：36-40.