湖南农业大学信息科学技术学院教授  ▏匡迎春

摘要：近年来随着社会主义新农村建设进程的加快，现代农业与精准农业的发展， 对农田监测技术的要求也不断提高。本文设计的基于云平台的农田环境监测系统，凭借灵活而强大的无线传感网络，实现了对一定范围内农田中温度、湿度数据的实时采集和水泵、农田杀虫灯等设备的运转情况控制等关键功能。实践证明该系统具有数据可靠性高，功耗低，整体成本低等特点，该系统在农业信息化方向上有一定的推动作用。

关键词 ：云平台 ；无线传感网络 ；ESP8266 ；nRF24L01

Farmland monitoring system based on cloud platform

Kuang-Yingchun

Professor, school of information science and technology, hunan agricultural university

Abstract: In recent years, with the acceleration of the process of building a new socialist countryside and the development of modern agriculture and precision agriculture, the requirements for monitoring technology for farmland have also been continuously raised. In this paper, a cloud-based farmland environment monitoring system based on cloud platform, with ?exible and powerful node networking capabilities, realizes the real-time collection of temperature and humidity data in farmland and the operation control of pumps, farmland insecticidal lamps and other equipment within a certain range And other key features.

Practice has proved that the system has the characteristics of high data reliability, low power consumption and low overall cost. The system has a certain role in promoting agricultural informatization.

Key words: cloud platform ；Wireless Sensor Network ；ESP8266 ；nRF24L01

引言

农业，是中国最古老的产业。作为人口大国，我国一直把农业发展放在重要的位置。随着技术的不断发展和变革，给农业的发展模式也带来了巨大的影响。现代社会，新的模式、新的科技不断的应用到现代农业之中。各种形式的局域网和以信息高速公路为基础的广域网用户不断增长，以及各种信息技术的不断交叉融合，例如信息技术、通信遥感技术和生物技术等技术的紧密联系， 使得农业信息化的不断渗透到农业的生产、技术、市场等各种环节。本文在立足于农业信息化的发展和应用角度，对农田环境进行了监测、观察、控制。

基于云平台的农田环境监测系统，是应用了无线传感网络，对农田的温度、土壤水分、农田水位以及土壤的营养成分等生长环境进行了数据实时采集，通过nRF24L01 无线模块发送给云平台，手机端就能接收到来自云平台数据库的信息。农业生产者可以根据手机端接收到的数据，监测农田的生长环境，并且可以远程的控制农田的灌溉、施肥等操作，从而使得农作物有一个良好的生长环境，从而实现方便快捷、高效先进的现代化农业生产管理。

1 、系统结构

农业监测系统以 nRF24L01 无线收发芯片搭建无线传感网络，用户终端基于该网络与节点设备进行通信，实现对农田环境的远程监测和智能控制。

本系统主要由主节点和子节点设备构成。子节点设备是指根据一定的功能和需求规律，安装在农田的无线传感网络中的采集 / 控制端，可以分为传感器节点和执行节点。主节点是指位于监测站点中的传感器节点和执行节点层之上的汇总节点，主要功能是将数据进行融合， 处理和转发，然后通过网络模块把数据传送给云平台， 同时能够将接收到的云平台指令传给目标子节点。云平台接收到数据之后，将数据传送到农田管理者的手机

APP 上，使农田管理者能精确及时地监测控制作物生长过程中的温度、湿度、CO2 含量、水量、水位等关键参数。结构框架图如下 ：

2 、硬件设计

2.1. 网络通信模块

网络通信模块主要作用是连接互联网络，实现向云端传送数据，最终显示在用户终端。

本系统使用乐鑫信息技术有限公司的智能互联Wifi 模块——esp8266 模块， 其原理图如图 2 所示。esp8266 支持 softAP 模式，station 模式，softAP + station 共存模式三种，利用 ESP8266 可以实现十分灵活的组网方式。SoftAP 模式即模块作为无线接入点 ；Station 模式即模块作为无线终端。本设计中，esp8266 设置为 softAP 模式。

图 1 系统框架图 图                                                     2 BSP8266原理图

2.2 . 无线接收发模块

无线接收发芯片类型多，其中 315MHZ、433MHZ 收发模块，具有电路简单，成本低等优点，缺点是发送数据量不大，稳定性差，外围参数和环境因素对传输质量影响大。本设计选用的 nRF24L01 是一款新型单片射频收发器件，工作于 2.4GHz ～ 2.5 GHz ISM 频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型 ShockBurst 技术， 其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA; 接收时， 工作电流只有 12.3 mA，多种低功率工作模式 , 工作在 100mw 时电流为 160mA, 在数据传输方面实现相对 WiFi 距离更远，带有信号调制解调，数据纠错，CRC 校验， 功耗控制，数据收发缓存，以及和 CPU 数据交互 IO 口。如图 3 所示。

2.3 . 汇聚主节点

主节点负责数据的融合，处理和转发，功能一 ：对从节点发送过来的信息进行处理，功能二 ：向从节点发送控制信号。主节点和多个从节点共同构成本系统的无线传感网络，同时主节点上搭载有 wifi 模块，可以实现无线传感网络与互联网络的信息传输和存储。能够处理从节点发送过来的采集信息，向子节点发送控制信号，并能与互联网络进行通信，因此，对主控芯片的性能要求较高。本系 统 选 取 性 能 优 秀 的 STM32F103C8T6 作 为 主 控 芯 片 和 nRF24L01 连 接 组 成主 节 点 。 STM32F103C8T6 通 过 SPI1连 接 nRF24L01, 原 理 图 如 下 图 所 示 ：STM32F103C8T6 通 过 串 口 3 与 esp8266 连接，原理图如下图 4 所示 ：

图3 nRF24L0原理图 图4 STC89C52RC和nRF24L0连接原理图

2.4. 采集 / 控制子节点

子节点分为传感器子节点和执行子节点。传感器子节点的功能是采集、传输农田的温度、相对湿度、光照强度、CO2 含量、水位、土壤含水量等参数。执行子节点作用是接收云平台的控制命令，驱动田间相关设备，如农田中的的水泵，水闸，驱鸟器， 捕虫器等设备，实现农田环境参数的自动调节。子节点的结构如图 2 所示 ：由田间传感器、微机 STC89C52RC、无线发射 / 接收模块 nRF24L01、驱动电路。本系统中采用 51 系统中 STC89C52RC 作为从节点单片机。该单片机具有以下优势 ：抗干挠性能相当好，适合于农田的现场条件，成本低廉并且资源满足设计的要求。

3 、基于 OneNET 云平台的信息处理

系统的数据传输与存储主要借助于 OneNET 云平台【4】在这个平台上，能完成大量的传感器数据的接入和存储任务， 当 OneNET 云平台接收到农田设备发送的数据后便存储，在软件代码编写时只需使用 API 接口通过 URL 便可读取这些存储数据。通过 OneNET 云平台提供的接口，使得手机 APP 能连接至 OneNET 云端，从中获取到相应的数据。

OneNET 云平台系统内分为设备域、网络域、应用域三个领域。本系统中主要应用到设备域和网络域这两大区域。设备域：本系统中在设备域主要是下位机中采用温度、湿度、光照强度传感器采集环境因子数据，将数据打包上传至云服务（即网络域）；网络域 ：通过 WiFi 接入网关， 将下位机的设备传送过来的数据进行处理并储存，同时可对下位机设备进行管理。在云服务器的另一端通过 API 接口连接到第三方应用平台（ 即移动终端、个人PC、显示器），本设计中连接的是移动终端里的 APP。

4 、App 软件

系统通过手机 App 软件，可以实现对农田参数的监测、远程控制等功能。根据系统需求分析，设计的 APP 主要功能有农田检测、数据管理、设备控制、信息发布等。

如图 6 所示。

图4主节点原理图 图5云端设备控制与传感器平台

图6App系统功能图

农田监测功能 ：用户通过手机 APP 实时的查看到农田的水分、温度、肥情等信息，这些信息是农田作物生长的重要条件，通过显示的信息，将进一步了解到作物的生长情况。

数据管理功能 ：作物的生长环境数据对作物质量的优化至关重要，数据管理功能能实现农田环境历史信息和实时信息的保存，并能将采集到的数据进行分类和传输管理。

设备控制功能 ：用户手机访问 yeelink 平台，查看农田环境信息，根据实时数据和历史数据在 APP 上发送控制指令如开启马达、实施灌溉等控制相关农田设备，实现远程调控。同时，若数据与用户在 APP 上设定的数据范围不同，则 APP 会发声报警，以提醒用户实时实施相应的操作。

信息发布功能 ：该功能包括三个部分，经验交流、政策行情、农技百科。主要是帮助用户了解到最新农业信息和农业技术。

表1   设备控制功能测试用例表

表2 农田监测测试用例表

5、系统测试结果与分析

通过开发的农田监控系统 APP 是在 Android 智能平台上运行的，对系统功能模块进行测试，并对测试结果进行分析。

5.1. 设备控制功能测试结果与分析

设备控制功能需要发送控制指令，我们只需发送相关指令即可做出收到相应的返回数据或现象。据黑盒方法测试可以得知系统设备控制功能能正常使用，在实际应用中，用户使用安卓系统的手机，在手机 APP 中发送

控制指令，农田相应设备就会开启或关闭。这一实现过程存在一定的时延，主要来源于 Onenet 平台每 10S 才能传输一个数据以及信号传输的距离以及无线信号的强弱。测试如表 1 所示，表明实现了设备远程控制功能。

5.2. 农田监测功能测试结果与分析

农田监测需要点击实时数据查询或者历史数据查询， 根据发送指令格式我们可以收到相应的数据或现象。农田环境的信息也会实时的传送至云端，实时数据和历史数据最终在手机 APP 中显示。通过测试表 2 中显示表明， 误差主要存在于农田设备采集数据的误差，数据在各节点的交互精度为 100%。

5.3 .APP 的主要界面图

图7 App主界面、设备控制、温度监测界面

手机 APP 效果效果的测试如下图 7 所示，外观简单明了，美观。App 实现了系统所需功能。

6、结论

如今网络已经渗透到社会的各个环节，在丰富的农业信息面前，农民们无法准确获取他们需要的信息。本文设计的农田检测系统，能够很好的帮助农民更好的了解掌握农田信息，以迅速的做出相对的应对处理。

在本文中研究中，主要取得的主要成果是初步完成了基于云平台的农田环境监控系统的设计。具体为 ：一、设计了 STM32 作为核心控制器件的主节电路原理图，89C52 为控制芯片子节点电路原理图，子节点电路原理图中分别设计了采集部分和执行部分原理图，试验结果证明节点能够稳定地工作，有较好的抗干挠性能。二、. 设计了基于 nRF24L01 的自定义组网协议，有效地控制了信道阻塞，提高组网的灵活性，能广泛用于其它监测控制现场。经测试分析，表明该系统达到了设计目标，实现了对温湿度的采集和灯光、电机等节点的控制。

参考文献

[1] 孙小平 , 王向东 , 李树江 . 嵌入式温室大棚远程监控系统的设计与实现 [J]. 应用科技 ,2016,43(02):33-36.

[2] 韩力英 , 杨宜菩 , 王杨 , 唐红梅 , 牛新环 . 基于单片机的温室大棚智能监控系统设计 [J]. 中国农机化学报 ,2016,37(01):65-68+72.

[3] 刘洋 . 嵌入式农业智能视觉监控系统的研究 [D]. 哈尔滨理工大学 ,2017.

[4] 郭萍 . 基于无线局域网的智能插座设计与实现 [D]. 广东工业大学 ,2017.

[5] 杨学坤，蒋晓，诸刚．温室环境控制技术的研究现状与发展趋势 [J]．中国农机化学报，2013(4) ：16-18.

[6] Faten Dhawi,Rupali Datta,Wusirika Ramakrishna. Mycorrhiza and heavy metal resistant bacteria enhance growth, nutrient uptake and alter metabolic profile of sorghum grown in marginal soil[J].        Chemosphere,2016,157.

[7] 徐正华 . 基于 Android 系统的温室环境监控 APP 研究与开发 [D]. 河南科技大学 ,2015.

[8] 杜一腾 , 迟宗涛 . 基于 Arduino 与 yeelink 平台的实时环境监测系统 [J]. 单片机与嵌入式系统应用 ,2014,(10):26-29.

[9] 魏志伟 . 一种基于 json 数据协议的 Web 管理系统数据交互方法 : CN104135536A[P]. 2014.

[10] 李翔宇 , 张潇 , 冯圣中等 . 一种云存储数据的保护方法及云服务器 :CN103607409A[P]. 2014.