|
党的十九大报告中明确强调要“实施乡村振兴战略”，并提出了“产业兴旺、生态宜居、乡风文明、治理有效、生活富裕”的总体要求。在乡村振兴的大背景下，新一代的信息技术是乡村产业的长期发展与根本创新的必要手段。随着信息技术的不断迭代，物联网概念在农业生产管理环节内的从无到有、不断深入，规模化、科学化、数据化的种植方式已经愈发成为行业趋势。通过在种植生产过程中引入物联网设备和配套应用系统，农民能够更加精细、科学地管理种植作物，量化改善农产品的品质，为农产品赋予更多的经济附加价值，最终实现振兴增收。金华市浦江县位于浙江省中部，行政区内地形丘陵地带较多，总体气候属于温带气候，环境适宜，日照充足，适合种植高端经济作物，如巨峰葡萄、黄桃、猕猴桃等有机水果。其中，猕猴桃的种植、培育、收获过程相对复杂，为了保证果品产出的质量是优势并且稳定，在生产过程中比其他高经济作物更加需要精细的管理与控制。文章以浦江县高山猕猴桃种植基地为背景，探讨基于阿里云物联网平台的智慧果园监测系统的设计方案与快速搭建过程，并作为具体的应用案例为其他地区的应用和拓展提供借鉴思路。 1系统整体设计 物联网是互联网的高级姿态，在互联网中连接的主体是人，而物联网连接的主体则是物，同时物联网中不仅含有物与物的连接，还包括人与物、人与人的连接。因此，物联网的架构和组成相对互联网更加复杂。物联网的架构包含了感知层、网络层、应用层3个层级，而系统的整体设计结合实际情况的不同维度进行评估，综合考虑了3个层级内合适的硬件设备和配套的软件功能。在系统中，感知层主要包含部署在猕猴桃果园中各个点位的监测设备。网络层主要负责设备与云平台的通信，系统采用了NB-IoT的方式进行设备与云平台之间的数据传输。阿里云产品较为成熟，在物联网项目中有着较为广泛的应用，因此系统层依托阿里云的物联网平台产品和阿里云表格存储服务产品，以及数据可视化大屏实现应用层数据接收、处理、存储和展示的各项功能，系统整体架构如图1所示。 智慧果园监测系统中的监测设备以Arduino微型控制板为核心，利用天气传感器检测温度和湿度信号数值，同时利用土壤湿度传感器检测土壤中的含水量信号数值进行实时采集。传感器采集到的电信号经过Arduino主板的处理转换，得到具体的植物生长环境数据，再通过NB-IoT通信模块利用MQTT协议进行封装发送，传输至阿里云物联网平台进行汇总。在阿里云中，数据经过物联网平台的收集汇总后会进一步流转至阿里云表格存储数据库中进行存储，最终在阿里云物联网前端数据大屏中进行可视化展示。在智慧果园大屏上，数据将以图表的形式进行展示，并且实时提示异常值，农民可以监控猕猴桃种植基地各种植区块的实时环境状态，并根据大屏提示的异常值快速反应，及时调整种植养护计划，实现精准管理。 2硬件选型 为快速搭建智慧果园物联网监测系统，硬件设备的实现主要通过模块化组装实现。模块化组装即选用成熟的单片机控制主板、传感器模组、通信模组等模组组件，通过插入接口针脚或者连接排线的方式进行组装，实现各模组之间的连接互通，如图2所示。 2.1核心板和扩展板 设备开发主板选择的是ArduinoUno主板。ArduinoUno使用了ATmega328p微控制器，主要提供了6个模拟引脚和14个数字引脚，并且支持I2C通信，适合物联网设备快速开发。开发板通过USB串口线连接电脑。在电脑上可以使用ArduinoStudio开发并且烧录程序。由于基础的ArduinoUno开发板仅提供了数据引脚，但是每个接入的传感器仍需要供电等线路引脚，因此为了方便搭建，硬件设备在ArduinoUno主板的基础上，使用YWROBOTIOSensorshieldV3拓展板，对主板的针脚接口进行拓展。其他的传感器可以通过标准的杜邦线直接连接拓展版，减少开发中乱跳线的问题，提高开发效率。 2.2天气数据测量 天气数据使用SKUSEN0236传感器模组进行采集。传感器模组中的核心元件为BME280传感器，其能够集成监测温度、湿度和气压环境数据，具有高精度、多功能、小尺寸等特点，适合在环境监测场景中快速搭建设备原型。传感器模组采用I2C通信方式与核心板进行数据传输，在具体的搭建过程中，采用厂家配套提供的4Pin连接线，并根据图3所示的接口顺序，分别将4根排线连接至扩展板上的供电VCC和GND接口，以及I2C通信SCL和SDA接口即可完成天气传感器模组与拓展板的连接。 2.3土壤含水量测量 土壤含水量传感器选择的是SKUSEN0114电阻式传感器。土壤含水量传感器的工作原理如图4所示，当土壤含水量传感器探头悬空时，三极管基极处于开路状态，三极管截止输出为0；当插入土壤中时由于土壤中水分含量不同，土壤的电阻值就不同，三极管的基极就提供了大小变化的导通电流，三极管集电极到发射极的导通电流受到基极控制，经过发射极的下拉电阻后转换成电压。模组可以通过3Pin排线连接至扩展板的模拟I/O接口，以及供电VCC和GND接口，如图5所示。Arduino主板通过模拟I/O接口，读取模组上DATA引脚的电压，最终计算土壤含水量数据。 2.4数据通信 由于猕猴桃主要在户外种植，因此公共的NB-IoT网络更加适合数据传输。系统为接入NB-IoT网络，采用了NB-IoT通信模块，该模块为1块单独的电路板，在模块的中心设有BC-26通信芯片和SIM卡插槽，在模块的左右两边设有与Arduino兼容的针脚接口，能够直接安插在Arduino主板之上，并且使用TX、RX串口与Arduino主板进行通信，实现数据交互。模块的上部设有小型的天线，用于增强信号的发送和接收。BC-26通信芯片支持低供电电压范围（2.1~3.63V），能够被便携电池组驱动供电，适合NB-IoT技术的物联网应用场景。 3软件设计 智慧果园检测系统的软件子系统包含3大部分。第一部分是物联网设备上的采用C语言编写的软件，其能够驱动设备采集温度、湿度、土壤含水量等数据，并将数据进行封装通过MQTT协议依托NB-IoT通信网络方式发送。第二部分是阿里云中物联网平台和表格存储服务2款产品的配置应用，通过配置参数即可完成云平台中设备的管理和数据的收集功能。第三部分是采用阿里云IoTStuido产品，进行低代码方式开发的数据可视化大屏，作为物联网系统中的应用层核心功能，将果园植物生长数据进行展示，使农户能够直观地了解果园的实时状况。 3.1设备软件设计 设备软件依托Arduino控制板通用的程序模板，在ArduinoStudio开发软件中进行开发。设备端软件主要实现的功能包括启动并初始化设备各组件、连接NBIoT网络及阿里云物联网平台、收集并处理传感器模组采集到的信号数据、对传感器数据按格式进行封装并通过MQTT协议发送至物联网平台。程序的总体流程如图6所示，首先在程序的setup（）函数中，Arduino主板会对NB-IoT通信模块、传感器模块和串口等组件进行初始化。其次程序与NB-IoT模块使用串口命令进行通信，实现NB-IoT网络附着和阿里云物联网平台的连接。再次，程序使用bme.readTemperature（）等函数和analogRead（A0）函数分别从天气传感器模组和土壤水分传感器模组读取相应数据。从次，程序将得到的传感器数据按照阿里云规定的JSON格式进行封装，通过MQTT协议发送到阿里云平台，并利用循环判断确保数据送达。最后在完成信息发送后，为了避免流量的消耗，程序设置断开MQTT连接及NB-IoT连接的操作，即完成一次数据获取和上传的过程。 程序中较为复杂的部分为实现NB-IoT网络连接以及登录阿里云物联网平台的过程。如图7所示，使用NB-IoT通信模块，向阿里云物联网平台发送数据的过程可以大致分为初始化配置NB-IoT模块、连接NB-IoT网络、连接阿里云物联网平台、上传物联网数据及断开连接等步骤。首先，在初始化配置NB-IoT模块的过程中，主要的流程包括重启初始化NB-IoT模块、确认Arduino和NB-IoT模块串口通信的波特率、关闭ATE0指令回显这3个操作。其次，通过“AT+CGATT?”命令控制NB-IoT连接运营商搭建的NB-IoT网络，若模块返回“**+CGATT：1**”，则说明网络附着成功。再次，与通信模块连接阿里云平台相关的命令语句主要为“AT+QMTCFG”、“AT+QMTOPEN”、“AT+QMTCONN”，分别完成预设鉴权信息、发送鉴权请求、建立MQTT连接这3项操作。最后程序会使用判断循环确保与阿里云平台的连接成功建立，以完成后续的数据传输功能。 3.2云服务配置 系统中的物联网平台依托阿里云提供的物联网平台，利用其能够快速实现设备的接入、管理、数据查看等优势进行配置部署。此外，阿里云物联网平台还可以与其他阿里云产品进行快速对接，实现更复杂功能的快速开发。配置阿里云物联网平台服务主要分3个步骤。 第一，在阿里云物联网平台中，创建物联网产品，产品相当于一类设备或项目中所有设备的集合。新建的过程需要中定义产品名称、传输方式为蜂窝（2G/3G/4G/5G）和数据解析方式为AlinkJSON。 第二，为产品定义其所需要采集的智慧果园属性信息，包括温度、空气湿度、气压和土壤湿度等。以温度属性的设置为例，选择添加自定义功能，设置功能类型为属性，功能名称为温度，功能表示符为Temperature，数据类型为float浮点型，取值范围为-10~60、步长为0.01、单位为℃等信息。完成所有的属性设置后，将功能定义草稿进行发布即可。第三，创建具体的设备，并记录设备信息。在设备界面通过添加设备功能，指定设备关联的产品和设备名称后即可创建设备。成功创建设备后，进入到设备的详情页面，查询得到设备的三元组鉴权信息，即ProductKey、DeviceName和DeviceSecret。根据得到的三元组信息对设备程序中对应的数据进行修改后烧录，设备便可正确连接到阿里云物联网平台中。 为了能够方便存储传感器数据，系统采用阿里云表格存储服务实现数据保存的功能。由于同为阿里云产品，阿里云物联网平台中的数据可以通过配置的方式流转至表格存储服务中进行保存。具体的配置表格存储服务主要分2个步骤。 第一，创建表格存储服务实例和数据表。购买表格存储服务后阿里云系统会直接创建应用实例，在实例详情页中确定数据表名称sensor_data和表主键Devicename，创建数据存储表。在新建的数据表中，定义time、sensor_id、temperature、humidity、pressure、soil这6列属性存储温度、空气湿度、气压与土壤湿度数据，同时记录传感器编号和采集时间。第二，在阿里云物联网平台中定义数据流转规则，将阿里云物联网平台中的数据利用SQL语句，将设备上报的数据转换为对应数据库的信息并写入到阿里云表格存储的数据表中。 3.3数据大屏设计 智慧果园物联网数据可视化大屏采用了阿里云物联网平台IoTStudio进行搭建。阿里云IoTStudio是一种针对物联网场景提供的生产力工具，其覆盖了大部分物联网行业核心应用场景，能够高效经济地完成物联网数据分析、设备、服务及应用开发，加速物联网SaaS云应用的构建。创建智慧果园数据大屏主要分3个步骤，即创建项目、关联设备、设计页面。 第一，在阿里云IoTStudio中创建项目，在创建项目的过程中需要确定好项目名称。第二，将阿里云物联网平台中所创建的产品和设备关联进刚刚创建好的项目，关联选项位于项目详情页中。第三，在Web详情页中创建Web应在IoTStudio中，可以使用不同的组件，添加至需要展示的大屏页面中。 在大屏的正中央是猕猴桃种植基地的卫星遥感影像图，标明了种植园区的编号。智慧大屏的左侧上方展现环境数据缩略表，中间展现天气信息，下端展示猕猴桃种植园区的实拍照片，后续可以接入实时的视频数据流。智慧大屏的上方是关键种植数据的动态可视化，表现了数据在当前时刻相对于参考时间的变化情况。智慧大屏的下方是关键种植数据的折线统计图，方便农户和企业直观地了解一段时间内种植数据的变化情况。智慧大屏右侧上方设定为按钮切换面板，后续可以用于切换不同种植园区的监控视频或实拍图像。而智慧大屏的右下区域是设备实时上报的原始信息展示区域。完成智慧农业监控大屏的布局之后，通过配置组件数据来源的方式完成数据接入。 4测试分析 由于NB-IoT模块与Arduino主板使用串口进行数据通信，与程序使用串口烧录会产生数据冲突，因此在组装设备之前需要先行使用USB串口线单独连接Arduino主板，烧写设备软件。完成程序烧写后需要断开USB串口线，并按照设计要求组装设备各模块，并检查各模块是否正确连接，避免出现短路或者芯片过热等异常情况。在设备正常启动的情况下，等待一段时间后设备成功连接阿里云平台，开始数据传输。登录阿里云平台进入所创建的设备目录，找到所对应的设备进入物模型数据选项卡即可查看实时的环境数据。 系统通过初步测试后，需要将物联网设备部署到高山猕猴桃种植基地中的各个点位，及经过上线试运行，各点位设备运行正常，数据接收、存储、展示相应功能也均可正常使用。进入智慧果园数据大屏可以看到可视化的各项数据和统计信息，具体结果如图8所示。 5结束语 文章探讨了基于阿里云物联网平台的智慧果园检测系统的设计和实现过程，在系统中依托Arduino控制板，利用多种成熟的传感器模组和NB-IoT通信模组快速搭建了物联网植物生长环境监测设备，同时使用阿里云物联网平台及表格存储服务等云服务产品，实现了云端设备管理、数据接收、数据流转和数据展示的各项功能。该系统具有组装简单、成本低、操作方便且数据分析直观易懂的特点，非常适合在类似的种植接地及其他智慧农业应用中进行推广和拓展，具有一定的实用性和经济价值。 参考文献： [1]覃浩轩,王钰.基于物联网的智慧果园监测系统设计与实现[J].智慧农业导刊,2023,3(01):27-31+35. 特别提醒：物联网专业交流群欢迎物联网行业相关的人群加入，同时群内欢迎各路社牛、大咖、前辈加入，群内除了不能发敏感内容、色情内容，以及不太建议多次发送推广内容，其他内容皆可畅聊~——交流QQ群724511126，进群的朋友请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群！
| 
发表于 2025-9-16 22:56:57