多节点分布式智慧农业大棚监控系统设计论文

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摘要：本课题利用物联网、云计算、移动互联等多种信息技术的交叉融合，基于物联网分层结构，以嵌入式芯片STM32F103C8T6为核心控制，软硬件联合开发，设计了一种多节点分布式的智慧农业大棚监控系统。系统感知层主要采用温湿度传感器、光敏传感器和二氧化碳传感器等模块采集农业大棚的环境数据；网络层部署无线通信模块、移动通信模块、本地服务器和云服务器等，组建了分布式节点网络，精准获取数据；通过EMQTT服务器和Node-RED搭建私有云平台构建了应用层，通过主控节点将数据打包上传到云端进行监控，用户可通过PC端或手机端完成对物联网设备的远程控制及作物环境的远程视频监控。另外，系统将采集的数据与预设的值比较，可自动完成下行设备的控制，同时向管理员发送GSM短信报警。经过实验，该设计成功地获取了农业大棚种植环境数据并能稳定的控制设备，可实现农业大棚环境信息的自动监测、智能控制和科学管理。

关键词：物联网；多节点；云平台；监控；智慧农业

Multi-node Distributed Design of Intelligent Agricultural Greenhouse Monitoring System

 

LI Guoxin1,CHAI Xilin2

 

(1.Zhixing College of Northwest Normal University,Lanzhou Gansu 730070；2.Lanzhou Petrochemical University of Vocational Technology,Lanzhou Gansu 730060)

 

【Abstract】：Using the cross-integration of various information technologies such as the Internet of Things,cloud computing,and mobile Internet,this project is based on the IoT hierarchical structure.The embedded chip STM32F103C8T6 is used as the core control,and software and hardware jointly developed,designed a multi-node distributed intelligent agricultural greenhouse monitoring system.The system perception layer mainly uses modules such as temperature and humidity sensors,photosensitive sensors and carbon dioxide sensors to collect environmental data of agricultural greenhouses;The network layer deploys wireless communication modules,mobile communication modules,local servers and cloud servers to form a distributed node network to accurately obtain data.The application layer builds a private cloud platform through EMQTT server and Node-RED,packages and uploads data to the cloud through the master control node for monitoring,and users can complete the remote control of IoT devices and remote video monitoring of crop environments through PC or mobile phones.In addition,the system compares the collected data with the preset value,which can automatically complete the control of the downstream device and send a GSM SMS alarm to the administrator.Experiments have proved that the design successfully obtains the planting environment data of agricultural greenhouses,and can stabilize the control equipment,which can realize the automatic monitoring,intelligent control and scientific management of agricultural greenhouse environmental information.

 

【Key words】：Internet of Things;multi-node;cloud platform;monitoring;intelligent agricultural

0引言

随着我国经济建设的不断发展，以及政府对农业的高度重视，农业物联网时代已经来临。智慧农业通过利用互联网、物联网等先进技术，拓宽了农业的发展，提升了农业的竞争力[1,2]。“十四五”期间，智慧农业将成为现代化农业进程中重要组成部分，是农业现代化发展的必然趋势。党和国家高度重视“智慧农业”发展，中共中央、国务院、农村农业部、科技部、教育部等多项政策文件中均提出要发展智慧农业及相关技术。这表明“智慧农业”的研究与推广符合我国现代农业发展的重大需求，是国家重要支持方向。
 

1系统总体架构设计

多节点分布式智慧农业大棚监控系统的总体结构采用网状结构，如图1所示，将物联网分层结构中感知层、网络层、应用层等紧密联系在一起[3,4]。系统物联网分层结构如图2所示[5,6]。系统感知层主要采用湿度传感器、温度传感器、光敏传感器和二氧化碳传感器等模块来采集农业园区的环境数据。网络层主要有ESP8266 WiFi无线通信模块、GSM通信模块、本地服务器和云服务器组成，其主要的功能是通过WiFi模块与MCU进行通信，然后把采集到的数据封装打包通过串口通信传输到服务器端，上传的数据包经过服务器数据中心的处理解包完成对物联网设备的控制及环境的监测。若检测到的环境数据异常时，GSM模块立即发送信息到指定的联系人。通过EMQTT服务器和Node-RED搭建私有云平台完成应用层的构建，用户可以通过PC端登录数据处理中心的Web服务器进行GUI网页交互，也能够通过微信小程序完成对物联网设备的操作及作物环境的查看。
 

2系统硬件设计

2.1采集终端节点的设计

目前微型计算机的市场非常广阔，但是ST公司生产的STM32F103C8T6芯片功耗低、外设接口丰富、通信能力强，采用RISC架构，其性价比尤为突出，在嵌入式领域行业中被广泛应用。该芯片具有37个IO口，12路ADC通道，精度可达12bit，8个通信串口，主频最高可达72MHz。为了设计和开发方便，并在出现掉电、系统故障情况下保证数据不掉失以及环境因素。综合考量，采集节点终端的总体设计框架如图3所示。

2.2主控节点的设计

主控部分应用了STM32F103ZET6为主控制器，其具有非常丰富的外设。SPI接口驱动LCD液晶显示，通过人机交互实现对设备的控制和作物生长环境直观的查看。由采集节点上传的数据经过主控制器的协处理再通过Wi-Fi与服务器相互通信，上传到服务器。防止了服务器宕机，从而避免了数据的丢失。

2.3安全系统的设计

考虑到系统安全是否得到保障，因此在系统总体设计的过程中引入了安全系统，由GSM模块、AS608指纹识别模块和人脸识别技术共同构成。农业园区的管理人员可以提前组织工作人员录入指纹信息，录入的指纹信息保存到数据库，在入口处设有门禁，进入园区时需要刷指纹并与数据库中的指纹信息对比，验证一致后方可进入。同时也方便了考勤工作。并且在验证指纹过程中超过3次失败时，系统默认为非本人操作，GSM模块及时的向安全系统管理人员发送短信通知，以便管理人员及时的解决问题。

2.4本地服务器的设计

使用树莓派搭建局域网服务器，部署与云服务器相同的配置。即使公网出现错误时，由于搭建了局域网服务器，采集到的数据也可以上传到本地服务器，网络恢复后自动将这部分数据上传到云服务器。这样既保证了数据的有效、正确性和完整性，又提高了系统的可靠性。同时，在树莓派中嵌入了视频流服务器，使用FRP内网穿透技术，协助安全系统，进一步保障了园区的安全。

2.5节能电源系统的设计

在电源系统设计中，采用12V锂电池、光伏发电板和稳压模块组成。光伏发电板将产生的电能经过稳压模块的稳压输送到锂电池进行储电。储存的电能可独立为整个系统提供动力2 h。锂电池蓄满电之后光伏发电产生的电能自动分担一部分系统的能耗。整个系统充分利用了大自然的绿色能源，节能又环保。

 

3系统软件设计

3.1硬件与网页交互的实现

硬件与网页交互的实现基于Linux操作系统环境下完成。通过Xshell工具访问云服务器，在云服务器部署EMQTT服务器和Node-RED，完成私有云平台的搭建。Node-RED是由IBM Emerging Technologies团队研究开发的一款可拖拽的图形化数据流编程软件[7]。可通过提供的处理节点以MQTT为通信协议编写服务程序。管理员可在地址栏输入URL访问Web服务器，输入正确的账号和密码，实时查看农业园区的数据，下发命令远程控制设备。Node-RED流编程如图4所示，私有云Web如图5所示，手机端小程序节点控制如图6所示。

3.2单片机软件设计服务平台

单片机完成串口、LCD等初始化后，ESP8266 Wi-Fi模块通过AT指令集连接网络，接入私有云平台，将采集节点上传的数据打包上传到云平台[8]，并将得到的数据进行判断，完成对设备的控制、农业作业的实现，同时在LCD显示屏上同步显示数值。系统软件工作的流程如图7所示。

4结论

本设计提出并实现了一种基于物联网的多节点分布式智慧农业大棚监控系统，通过大量传感器节点高质量部署实现无线传感器网络的组建，可根据大棚农业种植面积随时扩展网络覆盖范围，解决了因种植面积扩大而造成布线难等问题。本系统基于物联网的三层架构，可扩展性和可移植性更加良好。应用层Web服务器存储和管理农业环境参数，实现远程视频实时监测，并支持用户查询和下载数据，系统连接到Internet以共享信息。该系统投入应用后可提高农业信息化程度，实现农业资源的合理利用，提高农业生产效率和管理水平。

参考文献

[1]李智庆.农业物联网技术应用及创新发展路径研究[J].电子技术与软件工程,2016(23):36.

[2]李泳琪.中国智慧农业发展问题和战略对策[J].现代企业,2020(8):143-144.

[3]李鑫,贾小林.基于物联网的农作物管理系统的研究与设计[J].物联网技术,2020,10(10):72-75.

[4]周新淳,张瞳,吕宏强.基于物联网的精准化智慧农业大棚系统设计[J].研究与开发,2016,35(12):44-49.

[5]严璋鹏,彭程.基于物联网技术的智慧农业实施方案研究[J].西安邮电大学学报,2013(4):105-108．

[6]薛文龙,李存永,杨世凤.基于CC2530和ZigBee技术的智慧大棚系统的研究[J].黑龙江科技信息,2016(15):13-14．

[7]张笑非,曲铭雯,段先华,等.基于Node-RED的窄带物联网教学及实验设计[J].软件,2019,40(10):20-24.

[8]张世娇,靳毅轩,杜清河,等.基于嵌入式Android系统的无线数据采集、传输综合实验设计实现[J].实验技术与管理,2020(9):208-211．

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