智慧農(nóng)業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

◎高尚 賈雪

一、研究背景

當(dāng)今社會(huì)，人工智能是科技潮流，而物聯(lián)網(wǎng)也逐步進(jìn)入了家家戶(hù)戶(hù)，應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。而我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，但是如今從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的年輕人越來(lái)越少，長(zhǎng)此以往，大量流失的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力必定不能滿(mǎn)足機(jī)械化生產(chǎn)所需的勞動(dòng)力，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必將走上一條沒(méi)有勞動(dòng)力的智慧化生產(chǎn)的新道路。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。所謂智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)就是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，控制并訓(xùn)練智能化機(jī)械設(shè)備，以達(dá)到農(nóng)業(yè)系統(tǒng)智慧化管理的目的?？v觀我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展歷程，從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的手工生產(chǎn)到機(jī)械農(nóng)業(yè)的機(jī)械化生產(chǎn)，雖然減輕了人力的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，但依舊是以人為主來(lái)獲取農(nóng)作物信息的，依舊需要消耗大量的人力物力，而且實(shí)時(shí)性差，工作效率低。所謂智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)就是用智能設(shè)備和各種傳感器取代人力來(lái)收集農(nóng)作物信息，甚至可以控制通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行一些工作。不但大大降低了人力資源消耗，還可以大幅度提升工作效率。必能促使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)步入時(shí)代新潮流。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.總體設(shè)計(jì)思路。

本設(shè)計(jì)主要研究關(guān)于智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸以及信號(hào)處理部分，傳感器的分布與算法暫不討論。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路就是"簡(jiǎn)便"，而對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)而言，所謂簡(jiǎn)單，不過(guò)是不需要搭建系統(tǒng)，秉著這一思路，充分利用物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)、不受距離限制的優(yōu)勢(shì)，把智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)拆分成塊，每一個(gè)塊都是一個(gè)單獨(dú)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，組合到一起就是一個(gè)功能更多的系統(tǒng)。

這部分的設(shè)計(jì)模式可以理解為一個(gè)項(xiàng)目小組的群聊，群聊里有組長(zhǎng)和組員，組長(zhǎng)可以在群里發(fā)布任務(wù)并指定某個(gè)組員，關(guān)注著組長(zhǎng)的組員們通過(guò)組長(zhǎng)發(fā)的消息來(lái)確認(rèn)組長(zhǎng)指定的是不是自己并作出相應(yīng)的反饋發(fā)布到群里。這個(gè)模式其實(shí)就是智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用到的MQTT 通信協(xié)議，即發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議。也就是說(shuō)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)只有兩層：服務(wù)器和客戶(hù)端。服務(wù)器就是一個(gè)群聊，客戶(hù)端分為組長(zhǎng)客戶(hù)端和組員客戶(hù)端。

2.MQTT 通信協(xié)議。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議），是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的"輕量級(jí)"通訊協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP 協(xié)議上，由IBM 在1999年發(fā)布。MQTT 最大優(yōu)點(diǎn)在于，小型傳輸，開(kāi)銷(xiāo)很?。ü潭ㄩL(zhǎng)度的頭部是2 字節(jié)），協(xié)議交換最小化，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。非常適合在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域進(jìn)行傳感器與服務(wù)器的通信或者信息的收集，要知道嵌入式設(shè)備的運(yùn)算能力和帶寬都相對(duì)薄弱，使用這種協(xié)議來(lái)傳遞消息再適合不過(guò)了。

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)以MQTT 通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以百度天工物接入物聯(lián)網(wǎng)云作為服務(wù)器，創(chuàng)建智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模型，創(chuàng)建客戶(hù)端實(shí)例，并授予所有實(shí)例發(fā)布訂閱權(quán)限。手機(jī)電腦終端可以查看并控制全部客戶(hù)端及數(shù)據(jù)。

以ESP8266 芯片作為開(kāi)發(fā)的核心。其本身作為32-bit 的MCU 并兼具網(wǎng)絡(luò)功能，可以大幅度降低開(kāi)發(fā)成本?；贓SP8266 可以設(shè)計(jì)出室內(nèi)終端，監(jiān)控云臺(tái)，溫度、濕度、光照度等傳感器模塊。

室內(nèi)終端：可以參考為組長(zhǎng)客戶(hù)端，即利用ESP8266 的網(wǎng)絡(luò)功能，接入服務(wù)器，接收已訂閱的其他客戶(hù)端發(fā)布的消息或者音視頻流并存儲(chǔ)到本地，再由ESP8266 的MCU 打印到相應(yīng)的顯示器上。也可以把控制信號(hào)通過(guò)MCU 轉(zhuǎn)換為控制信息，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)功能把控制消息發(fā)布給服務(wù)器上相應(yīng)的客戶(hù)端。

控制云臺(tái)和傳感器模塊：可以參考為組員客戶(hù)端，即利用每個(gè)客戶(hù)端的ESP8266 的網(wǎng)絡(luò)功能接入服務(wù)器，接收訂閱的組長(zhǎng)客戶(hù)端，即室內(nèi)終端發(fā)布的控制消息，解析并作出相應(yīng)動(dòng)作。也可以把該客戶(hù)端本身的傳感器采集到的信息通過(guò)MCU 轉(zhuǎn)為消息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)功能把該消息發(fā)布到服務(wù)器上。

三、系統(tǒng)特色

本設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)就是將智慧農(nóng)業(yè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)個(gè)體化，使用時(shí)可以任意選擇需要的傳感器及其他模塊的種類(lèi)和數(shù)量。功能的本質(zhì)則是利用了MQTT 消息協(xié)議的消息訂閱/發(fā)布原理：所有客戶(hù)端都是把自身的消息發(fā)布到服務(wù)器，組長(zhǎng)客戶(hù)端訂閱所有的其他客戶(hù)端的消息，同時(shí)也可以向所有客戶(hù)端發(fā)布消息。所有組員客戶(hù)端都只訂閱組長(zhǎng)客戶(hù)端的消息，只能接收組長(zhǎng)客戶(hù)端的消息或者向組長(zhǎng)客戶(hù)端發(fā)布消息。這樣就可以最大限度的降低系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊的耦合度，不需要搭建，方便更新升級(jí)系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)個(gè)體化。

四、總結(jié)

本篇文章僅討論了智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題，是智慧農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)的一部分。對(duì)于智慧農(nóng)業(yè)而言，物聯(lián)網(wǎng)只是其“智慧”，而“農(nóng)業(yè)”才是其根本，所以理想中的智慧農(nóng)業(yè)是在此基礎(chǔ)上，還可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)農(nóng)田土壤情況分析出可以種植哪些農(nóng)產(chǎn)品，能根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)趨勢(shì)自動(dòng)施肥灌溉等功能。然而實(shí)現(xiàn)這些功能不僅需要有一套完善的算法，執(zhí)行灌溉施肥等任務(wù)的機(jī)械也需要考慮接入服務(wù)器，形成整體的物聯(lián)網(wǎng)。這些都是本設(shè)計(jì)將面臨的難題。但是智慧農(nóng)業(yè)在未來(lái)社會(huì)中有著廣闊的發(fā)展前景，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力大幅減員的二十一世紀(jì)，智慧化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必將是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主流，亦是人們心中向往的社會(huì)。