蔡鹏 盛晓雨 张霞

摘 要：【目的】在种植聊河“特早熟”黄花菜过程中，因对生长环境参数的把控不精确，导致作物产量低等问题，提出解决该问题的技术方案。【方法】搭建基于Arduino的、以中国移动OneNET物联网云平台为终端调配中心、通过WiFi模块进行通信连接的农业大棚环境监测系统。【结果】该系统已成功应用于聊河黄花菜植基地，结果表明，该系统可对农业大棚中的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数进行实时监测和上传，并对异常数据进行报警，提醒农户及时对生长环境进行调控。【结论】该系统操作简单，运行稳定，开放式云平台的应用能减少服务器架设，降低开发成本，有效满足农户需求，具有良好的应用前景。

关键词：农业物联网；环境监测；WiFi技术；OneNET云平台

中图分类号：TP29       文献标志码：A           文章编号：1003-5168（2023）14-0025-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.005

Agricultural Greenhouse Environment Monitoring System Based on OneNET Platform

CAI Peng SHENG Xiaoyu ZHANG Xia

（School of Physics Science and Information Engineering， Liaocheng University， Liaocheng 252000， China）

Abstract：[Purposes] In the process of planting Liaohe 'extremely early maturing' daylily， the inaccurate control of growth environment parameters resulted in low crop yield， yet a technical solution to this problem was proposed.[Methods] An agricultural greenhouse environment monitoring system based on Arduino， with China Mobile OneNET Internet of Things cloud platform as the terminal deployment center， and communication connection through WiFi module was built. [Findings] The system had been successfully applied to the yellow broccoli planting base in Liaocheng. The results showed that the system could monitor and upload the environmental parameters such as temperature and humidity， light intensity and carbon dioxide concentration in the agricultural greenhouse in real time， and alarm the abnormal data to remind farmers to regulate the growth environment in time.[Conclusions] The system is simple in operation and stable in operation. The application of open cloud platform can reduce server erection， reduce development costs， effectively meet the needs of farmers， and has good application prospects.

Keywords：agricultural Internet of things; environmental monitoring; WiFi technology; OneNET cloud platform

0 引言

一直以来，我国对农业的发展都极为重视。随着“十四五”规划的稳步推进，业界众多专家、学者将物联网技术融入到农业、畜牧业等传统行业中，基于物联网技术的新农业也快速发展起来。在传统农业管理中，农民要定期巡视各个大棚，估算大棚区内的温度、湿度等数据，而对数据的把握主要依靠农民日积月累的耕作经验。在这个过程中存在两大问题：一是大面积园区实地考察农作物的生长环境会耗时耗力，导致人工成本增加［1］；二是人工对生长环境的判断缺少准确性和权威性，且天气状况复杂多变［2］，农民“靠天吃饭”成为常态。物联网技术的应用使环境信息的获取方式突破限制，能实现对环境数据的实时监测，并以一种更加直观的形式把数据呈现出来，从而实现足不出户，便晓农间事。由于数据采集是基于传感系统的，因此可根据需求合理地布置监测点。该方法比人工用肉眼判断得到的信息更科学、准确［3］。为了能实时监测农作物的生长环境，需要设计出一个运行稳定、操作方便、低成本的农业环境监测系统。

目前，我國农业物联网技术朝着成熟化、智能化方向不断发展，可应用先进技术对环境因素进行人为调控。徐耀炜等［4］设计的环境监测系统是不联网的单点设备，缺点是无法通过手机、电脑等设备来实现远程监控；谢忠志等［5］设计的车间环境智能监测系统由开发者自行部署服务器，无形中增加了开发的工作量及设备成本［6-7］。为解决聊河农业科技公司在“特早熟”黄花菜种植过程中因生长环境调控不精确而导致产量低下的问题，本研究设计一套基于OneNET平台的农业大棚环境监测系统。根据采集到的空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度和光照强度等信息来判断植物所处的生长环境和光合作用的强弱，基于OneNET平台可实现将数据采集点终端感知设备采集到的数据实时上传到云端，通过数据可视化界面将数据以图形的方式向农户展示。

1 系统总体设计方案

中国移动通信集团有限公司积极助推万物互联时代，其自主研发的OneNET物联网平台使客户终端通过运营通道与云端连接，从而形成“端、管、云”的网络架构［8］。根据物联网分层技术，可将整个系统大体分为4个层次，即感知层、传输层、平台层、应用层［9］。该系统的总体设计方案如图1所示。其中，感知层是物联网的“五官”，主要由分布在各采集节点的传感器组成，负责获取和整合环境信息，并汇聚于Arduino单片机中；传输层提供端对端通信，利用WiFi无线通信技术，选用TCP透传协议，与云平台连接，从而完成数据交换；平台层负责接收和查看MCU传输的各项环境指标，对数据进行存储、汇总，并以图形的方式进行可视化展示；应用层旨在为用户提供便捷的服务，从而实现手机端或电脑端登录平台远程查看实时数据。此外，为避免多传感器与MCU相连时布线复杂、繁琐等弊端，设计了PCB印刷电路板，用集插式来代替传统的接线式，从而提升系统的稳定性。该系统可让农户能随时随地掌握棚内环境状况，避免因自身经验判断而造成误差，并根据监测结果来采取相应的措施，保证作物处在适宜的生长环境，促进农作物增产，提高企业经济效益。

2 系统硬件设计

硬件系统由传感设备、Arduino系列单片机、无线通信模块及供电模块组成。主控制器发送指令驱动传感设备收集农业大棚内的环境信息，通过无线通信模块配合TCP透传协议将数据上传至OneNET云平台，完成数据的存储与可视化展示。如果实时显示的数据超出预先设定的阈值范围，则触发报警，提醒用户要及时作出调整。

2.1 主控与采集电路设计

环境监测节点要充分监测农业大棚内的环境参数，包括温室情况、土壤墒情及植物所需的光照，要外接5个传感器和1个WiFi模块。因此，开发板的选择是基于容易实现，其端口数量也是至关重要的。为满足上述条件，该系统使用Arduino UNO PLUS型单片机。该单片机的优势在于开源，即软硬件完全开放，并提供14个数字 I/O 端口和6个模拟端口，在同样体积下可连接更多的传感器和元件。

要采集的参数包括空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、二氧化碳浓度，硬件采集系统电路设计如图2所示。主控制器通过外接各类传感器来收集数据，并在PC端显示。空气温湿度传感器使用的是新一代AHT20型高精度传感器，采用I2C协议进行通信，优点是精度高、功耗低、抗干扰能力强，适合在恶劣环境中使用；使用DS18B20型传感器对土壤温度进行测量，由于传统模块的感应芯片嵌入在小模块上，无法直接测量土壤温度。本研究使用的传感器是在原有传感器基础上增加防水探头；使用FC-28型传感器对土壤湿度进行测量，因其长时间插入土中，与土壤长时间接触，导致其生锈。为了使测量稳定、延长其使用寿命，因此传感模块的感应探头面积较宽，对表面进行镀镍处理；选用GY-302型光照强度传感器对光照强度进行测量，采用的ROHM原装BH1750FVI芯片是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路［10-12］；选用SPG30氣体传感器对二氧化碳浓度进行测量，该传感器内部集成了4个气体传感器件，通过附着在表面的金属氧化物颗粒上吸附的氧气与目标气体发生反应，从而释放电子，使传感器金属氧化层的电阻发生改变，然后对电阻进行信号处理，得到气体值。

2.2 供电模块设计

为保证系统能在农业大棚内稳定、持续工作，选用12 V锂电池进行供电，优点是电池容量大、电流输出稳定、可循环充电使用。由于单片机的输入电压为5 V，设计了一个由LM7805稳压器组成的降压电路，为单片机持续供电。供电电路设计如图3所示。

2.3 无线通信模块设计

近年来，基于ZigBee、Lora、WiFi、蓝牙等无线通信技术的农业大棚环境监测系统发展迅速，从而加快农业现代化进程［13］。4种通信技术对比见表1。聊河黄花菜种植基地的大棚全长为80～100 m、宽为20～30 m，结合实际条件，WiFi模块可实现完全覆盖，低功耗、低成本让该系统的优势更加明显。ESP8266模块连接电路设计如图4所示。使用时对模块进行简单配置，即可完成数据传输。

2.4 PCB印刷电路板设计

对环境信息的监测会用到大量高度集成的传感器，通常每个型号的传感器有4～5个接线口，大量使用杜邦线会造成接线端子接触不良，导致系统传输的稳定性大大降低。PCB印刷电路板内嵌连接导线，用集插式来代替传统的复杂布线，可实现电路中各元件间的电气连接。在对PCB进行设计时，先确定PCB尺寸，再确定特殊元件的位置，并根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布局。PCB印刷电路设计如图5所示。

3 系统软件设计

一个完整的系统是在软硬件相互配合下才能实现相应功能的［14］。基于OneNET平台的农业大棚环境监测系统软件设计分为传感器数据采集设计、WiFi通信模块设计和OneNET平台标准化配置。软件部分主要通过MCU对各传感器进行初始化，设置合适的采集间隔，传感器收集到的数据经WiFi模块与OneNET平台交互，总体流程如图6所示。

3.1 传感器数据采集软件设计

传感器采集信息时使用的通信方式主要分为两种。空气温湿度、光照强度、二氧化碳浓度传感器使用的是I2C协议，土壤温湿度传感器使用的是单总线协议。应用单总线协议的传感器正常读数要经过4步，即初始化、ROM操作命令、存储器操作命令、处理数据。主机发出初始化信号等待从机的应答信号，判断设备能否正常工作。当从机准确响应后，先跳过ROM操作命令，发送高速暂存存储器操作命令，最终经数据处理后得到相应值。I2C协议的总线有4个状态，即起始状态、停止状态、忙态、空闲态。当主机设备在I2C总线上发出起始信号时，开始一次通信，数据发送到SDA总线上，传输8 bit数据；当主机设备在I2C总线上发出停止信号时，停止本次通信。

3.2 WiFi通信模块软件设计

采用WiFi无线通信传输数据时，使用ATK-ESP8266型号，支持IEEE802.11b/g/n协议，通过TCP透传协议与OneNET平台进行信息交互。在使用WiFi模块时，要对引脚进行相应的配置才能正常使用。系统通过Arduino下发AT指令，对ESP8266模块进行配置。常用的AT指令配置见表2。

当发送AT指令后，模块会给单片机返回信息，根据反馈内容来判断AT 指令是否执行成功，从而继续发送 AT 指令，直到与云平台建立连接，并进入透传模式。

3.3 OneNET平台设置与标准化接入

该系统使用中国移动OneNET云平台，其能为用户提供多种协议和丰富的API，致力于在物联网和设备间建立一个稳定、高效、便捷的应用平台。在应用该平台时要通过产品设备建立连接，按照OneNET平台进行标准化接入，包括登录注册、添加产品、添加设备、配置设备后台、创建设备序列号和密钥等过程。

先在OneNET平台注册一个账号，接着在控制台下的多协议接入中选择TCP透传协议来创建新产品，在产品下创建新设备，并添加APIKey。为保证数据与平台传输的稳定性，在设备列表上传TCP透传协议的脚本信息，在lua脚本中，设备名称要与其鉴权信息保持一致，完成数据流与设备的绑定。此外，在Arduino主程序中向WiFi模块发送AT指令，连上热点，在开启透传模式操作后，要向OneNET平台发送报文信息，包括产品ID、设备鉴权码、脚本名称，给平台下达连接特定产品、设备的指令，完成MCU与平台的绑定。

此外，OneNET平台还为用户提供报警机制，通过添加触发器，对超过预设阈值的异常数据进行报警，从而引起农户的注意，方便农户及时处理，使农作物在适宜环境中生长，提高农作物产量。

4 系统试验

该系统的测试地点为聊城聊河农业科技公司黄花菜种植基地试验棚，将该系统中的各硬件模块进行功能集成，对终端设备进行安装上电，并进行组网测试［6］。将电源接入单片机，ESP8266模块迅速与手机热点建立连接，并接入云平台，系统每隔3 s采集一次数据，可在串口监视器中捕捉到数据信息，并上传到云平台。为方便观测所有实时采集数据，在后台对显示界面进行可视化处理，以折线图的形式将所测数据展示出来，界面展示如图7所示。移动土壤湿度传感器，并用手电筒在系统附近来回摆动，发现对应数据出现波动，说明环境监测系统各感应模块运行正常。

大棚中的环境变量在短时间内变化不明显，无须频繁采集数据，否则会让系统长时间处于采集模式，造成资源浪费。为避免系统长时间处于采集模式造成电能浪费，且多次上传数据会占用OneNET平台数据存储空间。所以，当系统正式投入使用时，把采集间隔设定为10～20 min。此外，OneNET平台还会将采集到的数据与触发器设置的阈值进行比较，若超出范围，平台会通过预设的邮箱对用户发出警报，及时提醒管理者做出相应措施。此外，还充分考虑用户需求及场景多样性、智能化的发展，将环境监测系统通过RS485通信协议与仰邦控制卡对接上传到LED点阵大屏幕中，测试效果如图8所示。

5 结语

针对环境参数把控不精确导致大棚产量低下的问题，设计出一个基于OneNET平台的农业大棚环境监测系统。該系统以Arduino UNO PLUS为主控芯片，配合多种类型的传感器，通过I2C或单总线协议来采集数据，选择高性能、低成本的ESP8266无线通信模块将MCU采集到的数据上传到OneNET平台。用户可通过网页客户端和手机链接的方式实时查看棚内环境信息，对超出阈值范围的异常数据及时处理，改善农作物生长环境，保证农作物生长及品质最优化，提高农作物产量。应用该系统后，大棚内的环境参数指标满足聊河地区黄花菜种植的基本要求，减少企业的人工成本，弥补传统环境监测系统组网复杂、稳定性差、造价高的缺点，为农业物联网的发展提供可靠的技术方案。

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