陆晶 林雪琼 陈雨 杨佳 宋俊慷

摘 要：立足于农业现代化建设，以智慧农业监测为研究对象，设计了面向智慧农业的物联网监测系统，目标是实现对农业信息数据的实时监测。该系统由物联网数据采集装置、物联网数据终端和物联网监测平台三部分组成，可以有效传输部署在设施农业内采集农业信息数据，并通过监测软件实时监测，为我国进一步推广智慧农业的应用提供必要的研究支持。

关键词：智慧农业；物联网；监测

我国是农业生产大国，随着我国经济和科学技术的快速发展，食物的供应安全和卫生安全引起了越来越广泛的关注，因此建立精准化的现代智慧农业监测系统有十分重要的意义。为实现面向智慧农业的物联网监测系统开发，使用传感器技术、移动通信技术和云平台技术分别完成物联网数据采集装置、物联网数据终端和物联网监测平台的组建，在进行农业信息数据实时可靠的采集、传输和监测的基础上实现对农业生产过程的监控。

1 国内外研究进展

目前，发达国家如以色列、美国和澳大利亚等国的智慧设施农业已具备了技术成套、设备完善、规范生产、产量稳定、质量保证性强等特点，形成了设施制造、环境调节、生产资材为一体的产业体系，使得农业不受气候条件影响，实现了农作物周年生产、均衡上市。在我国随着物联网技术的普及，现代化设施农业的发展也逐步趋向智能化，智慧化监控系统应用也在有序推广，关于农业信息数据智慧监测技术代表性研究逐年增加。熊刚等人［5］以现代农业监测系统结构为依托，以LoRaWAN异构网络技术为核心，设计了一种智慧农业监测系统，在实现远距离通信基础上完成农业生产监测。该系统在感知层上，借助各类传感器采集农作物生长所需的光照强度、土壤温湿度等信息传输到LoRaWAN网络，网关节点再将数据进行上传，达到用户服务端，LoRaWAN网络把接收到的控制指令，下发至感知层控制节点，从而人为干预农作物的生长环境中的灌溉，照明等装置。刘青等人［6］以ZigBee技术为核心，结合光照，温度等传感器，依托CC2530单片机作为控制器，借助继电器，控制光照、洒水等器件，设计开发智慧农业监测系统。该研究依托感知控制系统、云端数据和移动端APP等进行设计验证，实现了用户远程监测农作物信息，更好地管理农作物生长并促进建设智慧农业综合平台发展。陈宏等人［7］采用传感器和LonWorks电力线载波通信建立网络节点实现远程控制，从而采集设施农业现场数据和照片并进行验证，能很好地监测农作物的生长状态。该系统通过远程控制管理农作物生长、培育等各个生长阶段，达到提高农业生产效率和降低生产成本的效果。

本文针对“实时监测功能”进行研究设计实现面向智慧农业的物联网监测系统，整个系统在使用物联网技术的基础上，通过对农业信息数据的采集，建立数据传输通路将采集数据上传至服务端平台，在终端设备上使用应用程序访问服务端收集的农业信息数据，从而对农业生产实现智慧监测。

2 研究内容

为了实现上述研究目标，着力于以下三个方面的研究。

（1）农业信息数据的采集与传输。影响农作物生长的环境参数多种多样，因此需要在选取有效的监测对象的基础上选择适合的数据传输方式，能够为分析农业生产种植过程中土壤环境提供必要条件。

（2）数据传输通路的组建。数据传输通路作为是平台的核心部分，其网络的覆盖范围、灵活程度、抗干扰能力，对监测效果和监测难易度有着十分重要的影响，因此考虑使用具有灵活接入和覆盖范围广的数据通信网络建立监测数据的传输通道。

（3）监测数据存放平台的选择。监测数据存放平台的选择直接影响用户访问监测数据的体验，因此一方面要求监测数据存放平台安全、可靠，具有强大的数据分析处理能力，另一方面要求用于查询监测数据的设备为我们日常生活使用的网络终端设备（智能手机、电脑等）。

系统架构如图1所示，整个系统分为物联网监测平台、物联网数据终端、物联网数据采集裝置三个部分。物联网监测平台主要负责下发数据采集命令和接收采集数据并进行存储和展示；物联网数据终端作为物联网监测平台和物联网数据采集装置之间的桥梁，起到对命令和数据上传下达的作用；物联网数据采集装置在数据采集命令的作用下，收集农业信息数据并进行上传。

系统各部分功能及具体设计方案如下：物联网数据采集装置依靠传感器技术以微控制器为核心结合RS485总线，配合ModBusRTU协议完成农业监测数据的采集和上传工作；物联网数据终端在使用RS485承载ModBusRTU协议的总线型数据传输网络的基础上，配合支持4G移动通信技术的无线TCP连接数据端口，完成各农业监测和数据采集命令的上传下达；使用基于“有人云”开发的物联网监测平台一方面实现数据采集命令的下发，另一方面完成农业信息数据的网络发布和展示工作。

3 系统设计

3.1 物联网数据采集装置

如图2所示，使用建大仁科公司的RSECTHN01TR1土壤电导率、温度、湿度三合一传感器作为物联网数据采集装置。该传感器在针对土壤农业信息数据测量具有较高的灵敏度和较好的稳定性，能够对盐渍土的发生、演变、改良以及水盐动态进行实时数据采集，具有承载ModBusRTU协议的RS485通信接口，在智慧农业监测领域具有广泛的应用。

RSECTHN01TR1传感器RS485接口基本通信参数设置为：二进制编码（8位数据位，1位停止位，无奇偶校验），采用CRC校验，比特率设置为115200波特。为能正确解析其所测量的土壤电导率、温度、湿度农业信息数据，给出其ModBusRTU协议的寄存器地址与测量数据的对应关系如右表所示，云平台可基于该对应关系完成配置正确读取接收到的农业信息数据。

3.2 物联网数据终端

如图3所示，使用基于4G移动通信技术的有人物联网公司USRG780 V2模块作为物联网数据终端，该终端支持国内电信运营商主流的4G网络制式，以“数据透传”作为功能核心。其软件功能完善，可应用于大多数物联网数据传输的常规应用场景，具有很好的易用性。使用者只要通过简单设置，即可实现RS485通信到TCP/IP通信的双向数据透明传输。

3.3 物联网监测平台

有人云，是专业为物联网设备定制开发的云服务平台系统，提供安全、稳定的设备接入和有效、可靠的通信能力，可低成本快速实现物联网系统的场景智能化需求，具有应用开发、组态服务、运维管理、数据中心等核心功能。基于有人云开发的物联网监测平台，可实现农业信息数据的有效分析和处理，具体实现时主要完成有人云设备管理中的联网设备和组态模板两方面的内容配置。联网设备主要完成有人云与USRG780 V2模块的连接，变量模板完成有人云对传感器采集数据的解析工作。

USRG780 V2模块的连接配置主要包括如下步骤：有人云控制台>设备管理>联网设备>添加设备。如图4所示在对应位置填写设备SN、MAC/IMEI，开启云组态功能，即可完成有人云与USRG780 V2模块的连接。

传感器采集数据解析配置步骤包括：有人云控制台>变量模板>添加。如图5所示在完成变量模板相关信息配置后，云平台就能正确解析RSECTHN01TR1传感器采集的电导率、温度、湿度农业信息数据。

4 效果展示和系统优势

使用有人云的组态功能可以很容易实现农业监测数据的展示工作如图6所示，该智慧农业监测系统具有优势如下。

4.1 土壤环境农业信息数据的采集和远程无线传输

現有物联网数据采集装置多采用RS485总线承载ModBusRTU协议进行采集命令和采集数据传输工作，想要将这类监测数据经TCP链接上传至互联网需要设计专门的协议转换模块，这为物联网技术在农业中应用的进一步推广带来不便。为了解决上述问题，通过对ModBusRTU协议研究发现其只规定了OSIRM七层模型中应用层的内容，主要实现客户机和服务器在不同网络设备之间的通信，这使得利用基于移动通信技术的无线TCP连接传输农业监测所用传感器采集的数据成为可能。因此，将ModBusRTU协议的协议数据单位作为数据部分打包封装至TCP报文段之中，完成农业监测数据和数据采集命令的传输工作。

4.2 土壤环境农业信息数据的存储、分析处理和可视化展示

传统的农业监测系统需要自主搭建服务器，自主开发监测界面，自主申请发布监测网站用的域名，软件开发工作量十分繁重。使用基于“有人云”开发的物联网监测平台完成服务器搭建、监测数据存储、监测网站的发布工作均在有人云的运营商云端进行部署，减少了监测系统开发的复杂度和成本，非常适用于进行服务乡村振兴的智慧农业技术的创新创业项目开展。

结语

我国农业正处于传统农业向现代数字农业转变的过渡期，农业新技术的应用推广，可以有效解决生产率低下、农产品增长缓慢的问题，提高农业生产效率，降低生产成本，因此建立精准化的现代智慧农业监测系统有很重要的意义。使用物联网监测平台和物联网数据终端，配合土壤农业信息数据的物联网数据采集装置，设计了面向智慧农业监测农作物生长环境的监测系统。旨在对作物生长环境进行精准的监测，加速现代农业新阶段的智慧农业进一步推广实施。

参考文献：

［1］韩明月.面向智慧农业的物联网自动控制系统设计［D］.哈尔滨工业大学，2016.

［2］王海宏，周卫红，李建龙，等.我国智慧农业研究的现状·问题与发展趋势［J］.安徽农业科学，2016，44（17）：279282.

［3］许鹏，贾民政，张鹏，等.温室环境因素检测控制系统设计［J］.电子制作，2021（05）：2024.

［4］姚於康.国外设施农业智能化发展现状、基本经验及其借鉴［J］.江苏农业科学，2011（01）：35.

［5］熊刚，胡启迪，马安良，等.基于异构网络的智慧农业环境信息监测系统设计与实现［J］.热带农业科学，2022，42（03）：100104.

［6］刘青，李兰兰，张德树，等.基于物联网技术的智慧农业大棚监测系统研究［J］.安徽科技学院学报，2021，35（04）：1925.

［7］陈宏，吴建德.基于传感器和电力线载波通信的智慧农业物联网研究［J］.光通信技术，2022，46（03）：5659.

项目基金：2022年国家级大学生创新创业训练计划项目“面向智慧农业的物联网监测系统设计”项目资助（项目编号：202210604035）；广西民族师范学院一流本科专业建设项目（YLZY202102）

作者简介：陆晶（2002— ），女，壮族，广西南宁人，通信工程专业在读本科生；林雪琼（2001— ），女，汉族，广西玉林人，通信工程专业在读本科生；陈雨（2002— ），女，壮族，广西南宁人，通信工程专业在读本科生；杨佳（2001— ），女，江苏无锡人，通信工程专业在读本科生。

*通讯作者：宋俊慷（1989— ），男，陕西汉中人，硕士，讲师，工程师，研究方向：物联网技术在智慧农业中的应用。