張欣征 劉曉東 齊佳萌 李夢源 杜小杰

關鍵詞：智農監(jiān)測；STM32；Wi-Fi；微信小程序；阿里云

0 引言

隨著信息化時代的發(fā)展，數字化農業(yè)已成為新時代農業(yè)發(fā)展的必然趨勢。國家在“十二五”“十三五”“十四五”規(guī)劃中均設定了數字化農業(yè)的發(fā)展目標，并制定了相關政策及規(guī)劃。近年來，農業(yè)物聯網技術的應用在一些領域取得了顯著進展和豐碩成果。然而，目前許多應用領域尚不支持短信及手機端微信小程序控制。為便于農業(yè)遠程管理，本文分析了智慧農業(yè)應用中物聯網技術的優(yōu)勢，并結合微信、釘釘開發(fā)平臺，設計了一個植物生產環(huán)境數據監(jiān)測及報警系統(tǒng)，以期為智慧農業(yè)的發(fā)展提供借鑒。

1 物聯網技術在智慧農業(yè)方面的優(yōu)勢

通過物聯網的核心技術，結合傳感器技術，我們可以獲取農業(yè)植物生長過程中的各類數據，如土壤溫濕度、光照強度、植物正常肥料及病蟲害等信息，并將采集的數據上傳至云平臺進行存儲及處理。這為農業(yè)農作物生長提供了可控管理，為生產對象營造了一個接近原生態(tài)的最佳生長環(huán)境，從而減少了對施肥和農藥的需求，降低了勞動強度，并提升了作物的品質和品相。

2 物聯網技術在智慧農業(yè)領域中的問題

智慧農業(yè)是今后農業(yè)發(fā)展的方向，但我國的信息采集以及后期全局的分析處理目前仍處于中低水平，缺乏系統(tǒng)的信息采集架構和標準。此外，在信息采集和分析后，缺乏相應的專家處理系統(tǒng)。許多智能設備僅停留在數據的可視化顯示及遠程管控上，不能針對問題給出及時有效的解決辦法。發(fā)展過程中仍存在個性化服務不強、信息采集系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一架構及標準等問題。另外，目前許多智慧農業(yè)的物聯網系統(tǒng)尚未實現真正的全自動智能化，許多設備仍需人為前往設備放置處通過刷卡或其他方式啟動或關閉，屬于半自動化控制。

3 基于物聯網的智慧農業(yè)在國內外的研究現狀

智慧農業(yè)在全球范圍內已得到了廣泛關注和推動[1]。一些發(fā)達國家，如美國、荷蘭、以色列等，一直處于智慧農業(yè)發(fā)展的前沿。這些國家積極探索新技術的應用，推動農業(yè)的數字化轉型。例如，他們利用無人機進行遙感檢測和圖像識別，利用自動化系統(tǒng)進行精確農藥噴灑和收獲，利用大數據和人工智能進行精細化管理等。一方面，人們得以從繁重的農業(yè)生產任務中解脫出來；另一方面，農業(yè)種植變得更加科學，農業(yè)生產過程得以加快[2]。

在中國，智慧農業(yè)已成為國家戰(zhàn)略的重要組成部分[3]。在政府推動下，各種新技術廣泛應用于農業(yè)生產中。例如，傳感器技術、物聯網、大數據分析、人工智能等技術應用于灌溉、精準施肥、病蟲害監(jiān)測等方面。然而，智慧農業(yè)目前仍主要局限于實驗田和大棚，許多高標準農田僅停留在低級應用層面。因此，當出現農業(yè)災情時，可以明顯看出高標準農田的農作物產品質量更為優(yōu)質。為此，智慧農業(yè)在農業(yè)發(fā)展中勢在必行，關鍵在于如何加快完善智慧農業(yè)中的技術攻關、專家系統(tǒng)構建以及智慧農業(yè)設施的維修和管理。因此，隨著人工智能、大數據、物聯網等新技術的不斷發(fā)展，應提高農業(yè)生產效率和農產品質量，加強農業(yè)供應鏈的數字化管理，實現追溯和可持續(xù)發(fā)展，促進農業(yè)與城市的融合，發(fā)展城市農業(yè)和農業(yè)旅游等，這些將成為后期農業(yè)發(fā)展的核心方向。

4 基于物聯網技術在智慧農業(yè)中的設計方案

4.1 設計目標

智慧農業(yè)的運用領域對于底層硬件的信息采集以及信息的質量要求較高[4]。此系統(tǒng)結合了物聯網技術、云平臺、MQTT傳輸協議和硬件設計等相關技術，實現了物聯網在智慧農業(yè)應用中的核心功能：即借助底層硬件傳感器獲取空氣和土壤的溫濕度、光照數據、墑情及病蟲害情況，實時上報至云平臺并進行可視化顯示。后臺通過專家系統(tǒng)對數據進行分析處理，實現在電腦端或手機端的遠程設備管控。根據農業(yè)生長經驗，用戶可以通過云平臺設置農業(yè)成長環(huán)境因素的界限值及報警閾值，當某一數據值超出閾值時，平臺會通過手機短信進行報警，從而方便用戶實時監(jiān)測管理。

4.2 系統(tǒng)架構

4.2.1 總體分析

本方案的智慧農業(yè)系統(tǒng)設計采用物聯網經典的3 層架構模型：感知層、網絡傳輸層和應用服務層。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

感知層主要負責采集農作物生長所需的環(huán)境數據信息，網絡傳輸層則將感知層傳感器采集到的數據信息發(fā)送至阿里云物聯網云平臺。云平臺負責數據存儲與分析，并可以發(fā)出控制信息至感知層以控制外圍設備操作。此外，移動客戶端通過向阿里云發(fā)送請求，獲取云端數據并在移動端實時顯示，為用戶提供實時監(jiān)測和控制植物生產環(huán)境的功能。

4.2.2 數據感知層

數據感知層有控制器和傳感器兩個部分，其中，微控制器采用STM32F103ZET6 最小系統(tǒng)，板載OLED 顯示屏、環(huán)境溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照強度傳感器和繼電器實現環(huán)境數據采集和繼電器控制。微控制器采集完數據后，使用 ESP8266 WIFI模塊完成數據和阿里云物聯網云平臺的雙向傳遞。

4.2.3 網絡傳輸層

本系統(tǒng)的網絡傳輸層采用的是無線Wi-Fi通信方式實現數據到云平臺的發(fā)送和接收，Wi-Fi 芯片使用的是 ESP8266，其優(yōu)點主要是價格低、性能高和開發(fā)環(huán)境簡單。通過連接路由器使用TCP透傳模式，透傳就是在第一次使用時需要手動配置 Wi-Fi 的路由信息，主要是設置Wi-Fi名稱和Wi-Fi密碼，只有透傳設置完成才能正常聯網。使用時在 Wi-Fi 名稱和密碼不變的情況下僅需透傳設置一次即可，一旦Wi-Fi 信息更改則需要重新設置。在設置時，本系統(tǒng)開發(fā)使用的是AT指令。

4.2.4 應用層

應用層首先是利用阿里云物聯網云平臺接收傳感器的數據，進行數據可視化處理，通過阿里云提供的云端API，服務端通過調用云端 API 將指令下發(fā)至設備端，實現遠程控制[5]，在物聯網平臺設置連接設備和數據模塊后可以實時看到農作物生長環(huán)境參數數值變化，同時為系統(tǒng)平臺設置報警機制，用戶可以遠程設置閾值，當系統(tǒng)出現報警時，系統(tǒng)可以通過短信、微信小程序等方式接收和查看植物成長狀態(tài)。本文采用微信小程序一是為了適應目前移動端客戶的應用習慣，二是微信小程序開發(fā)成本低廉。

4.3 報警機制

在阿里云物聯網云平臺接收到數據感知層發(fā)送的數據后，通過本文設計的專家系統(tǒng)對溫度、墑情、光照及蟲情等進行監(jiān)控。當響應的數據達到閾值時，系統(tǒng)會及時向用戶報警。為降低成本和方便使用，本文采用釘釘機器人作為報警方式，其設置過程如下：首先，在釘釘中創(chuàng)建自定義機器人，并獲取機器人的Webhook地址；其次，阿里云通過這個Webhook地址發(fā)送報警信息；最后，設置Webhook，實現阿里云的報警信息發(fā)送至釘釘機器人，從而及時通知相關人員采取應對措施。添加機器人的過程如圖2所示。圖中設置機器人名字如溫度報警、安全設置有三種方式。選擇“自定義關鍵詞”允許用戶自己添加關鍵詞，只有包含這些關鍵詞的信息才會被推送；加簽相當于給機器人設置一個密碼；IP段設置后，僅指定IP發(fā)出的信息會被推送。

5 系統(tǒng)功能測試

首先，確保系統(tǒng)設計的底層硬件連接成功，并將底層應用程序加載至硬件系統(tǒng)，上電聯網。接著，進行系統(tǒng)測試及控制監(jiān)測。系統(tǒng)上電后，硬件效果如圖3所示。同時，通過微信小程序，用戶可以實時監(jiān)控植物生產環(huán)境數據，如圖4所示。當設置的生產因素超限時，系統(tǒng)能夠及時向用戶報警，如圖5所示。

6 結束語

智慧農業(yè)積極響應國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，在物聯網框架內融入了嵌入式和無線傳感網技術。本文從物聯網的感知層、網絡傳輸層和應用層三個方面詳細描述了本系統(tǒng)的設計與實現。感知層負責實時采集農作物生長相關的環(huán)境參數，并根據數據反饋進行有效管控，從而提高農作物的產量和質量。網絡層將終端采集的數據實時傳送至阿里云物聯網平臺，通過消息的訂閱發(fā)布實現與物聯網云平臺的通信和數據交互。應用層則利用阿里云物聯網云平臺，以多種方式在云端展示農作物生長環(huán)境數據。此外，移動端通過微信小程序可實時查看生長環(huán)境數據監(jiān)控，并及時接收系統(tǒng)發(fā)送的報警信息，簡化了農戶監(jiān)控植物生產的全過程，為農業(yè)信息化發(fā)展提供有力的數據支撐及技術支持。