基于物联网技术的智能农业机械监测与控制系统设计

时间：2024-05-23

(长春职业技术学院,长春 130033)

0 引言

传统农业生产方式难以满足现阶段日益增长的粮食需求,加之农村劳动力短缺和人工成本不断上升更促使农业生产面临严峻压力。在此背景下,智能农业技术应运而生。

物联网技术通过将传感器和通信技术应用于农业机械和农作物生长环境监测中,实现对农机和农田的实时数据采集和传输,同时,物联网技术还支持数据的大规模存储和分析[1-2]。在云平台上,农业生产的历史数据和实时数据被集中存储,通过数据分析和挖掘[3],探明农业生产中的规律和潜在问题,为农业生产提供了更深入的理论依据和科学指导。

本文融合物联网、传感器技术和自动控制技术,构建智能农业机械监测与控制系统,并结合智能控制策略,实现农机作业的智能化和自动化。研究结果可以为现代农业生产提供更加智能、高效、精准的农业生产方案。

1 总体方案

基于物联网的智能农业机械控制系统是一种整合了物联网技术、传感器技术和自动控制技术的系统,通过对农田环境和农机作业数据的分析与挖掘,实现对农业机械的智能化监控和自动化控制。

1.1 系统需求分析

在进行系统设计前,需要进行充分需求分析,以确保系统能够满足农业生产实际需求和预期目标。本文设计的智能农机监测与控制系统需实现实时监测、远程监测与控制、数据处理与分析及智能控制等(表1)。

表1 基于物联网下智能农业机械控制系统设计要求

1.2 总体方案设计

智能农机监测与控制系统通过数据采集器作为网络传输中心,将农机和农田传感器节点采集到的数据传输至控制中心进行处理和分析。然后,控制中心根据数据分析结果制定智能控制策略,并通过传输节点将控制指令传送给执行设备,实现对农机和农田环境的智能化监控,总体设计方案如图1所示。农民和农场管理者可以通过远程监控和操作实时了解农业生产情况和远程控制农机。

图1 总体设计方案

2 智能农业机械数据采集终端设计

目前,我国智能农机数据采集与控制设备处于起步阶段,农田信息采集装置及功能较为单一,本章节设计一种支持多种接口及便捷切换联网方式的通用型数据采集器,该数据采集器将配备多种接口,以适应不同类型的农机和农田传感器节点。例如,通过CAN总线接口、模拟信号接口、数字信号接口、UART接口等,可以连接不同类型的传感器和设备,实现对农机工作状态和农田环境参数的全面监测和采集[4-6]。基本结构如图2所示。

图2 数据采集器结构示意图

2.1 电路设计

综合考虑系统的性能、功耗、稳定性、成本等方面的要求,本文选用STM32G070CBT6作为主控芯片,STM32G070CBT6采用ARM Cortex-M0+内核,工作频率高,具有优秀的处理能力,能够满足复杂的数据处理和控制要求,同时,该芯片集成了丰富的外设接口,包括模数转换器(ADC)、通用定时器(TIM)、串行通信接口(UART、SPI、I2C)、模拟比较器等,能够轻松连接各类传感器和执行设备[7],电路引脚图如图3所示,STM32G070CBT6是一款32位ARM Cortex-M0+内核的微控制器,具有48引脚,用于芯片的供电,其中VDD为数字电源,VSS为地引脚,VDDA为模拟电源。电池管理模块选用高性能的CN3052B实现电池充放电管理,具备高性能和多重保护功能,能够有效管理锂电池的充放电过程,保障电池的安全性和稳定性。

图3 STM32G070CBT6引脚图

2.2 EMC设计

良好的EMC (Electromagnetic Compatibility,电磁兼容性)设计可以确保系统的正常运行,避免电磁干扰引起的问题,保障系统的稳定性和可靠性。基于本章节设计的通用型数据采集器,其运行应该遵循基本的PCB(Printed Circuit Board,印刷电路板)设计准则,确保PCB上的地平面(Ground Plane)是连续的,以最小化地回流电流的路径,并减少信号线的辐射[8],此外,本章节多采用短而直的信号走线,减少信号线的长度和环路,以降低辐射和接收干扰。

2.3 低功耗设计

智能农机在田间需要长时间运行,因此,采用低功耗设计对于以延长电池寿命,减少充电频率,降低系统运行成本具有重要意义。由于智能农机在田间运行时相关环境参数不会发生太大变化,不需要实时采集数据,因此,本章节设置“采集周期”的方法控制智能农机各类传感器工作时长,在需要采集数据并发送的时候指令自动唤醒,其余不需要进行数据采集的过程中自动进入休眠模式,工作流程如图4所示。

图4 低功耗工作流程图

3 基于多网融合的物联网系统设计

3.1 多网融合通信

智能农机系统中包含众多物联网设备,如摄像头、传感器和自控仪等,各个设备之间相互独立。但是在农田生产中,由于受到距离、传输环境、通信条件等制约和限制,单一的网络通信方式无法很好满足智能农机装备通信需求。因此,本章节使用一种多网融合通信方式,提供更稳定、更快速、更可靠的通信服务。在智能农机监控系统中,多网融合通信可以用于数据采集器和其他设备,以确保在不同环境下都能实现有效的数据传输和通信。

3.2 物联网设备接入协议

3.2.1 MQTT协议

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)是一种轻量级、基于发布/订阅模式的通信协议,进而实现物联网设备之间的高效通信,特别适用于传感器、设备和服务器之间的实时通信。本文MQTT协议报文结构如表2所示,在智能农机装备监测与控制系统中,可以使用这些报文来实现设备之间的通信和控制,使得监测与控制过程更加高效和灵活。

表2 MQTT报文结构

假设有一个智能农机装备监测与控制系统中的温度传感器,它要将当前的温度数据发布到主题(Topic)“farm/sensor/temperature”。发布报文的格式如下,温度传感器发布了当前的温度数据到主题“farm/sensor/temperature”,因为QoS等级为0,所以没有报文标识符和可变报头字段,消息体中包含了具体的温度数据(例如,25.5 ℃)。

报文类型:PUBLISH (3)

控制报文标志:0011 (发布报文,QoS等级为0,保持连接标志为0,重发标志为0)

QoS等级:0(因为是QoS 0,所以报文标识符字段不存在)

保持连接:0

主题名称:farm/sensor/temperature

可变报头:无(因为是QoS 0,没有报文标识符和可变报头字段)

消息体:当前温度数据(例如:25.5 ℃)

3.2.2 图像传输协议设计

为了在MQTT写一下传输大量图像数据,本文在MQTT协议中设计一项事件上报命令,在MQTT协议中定义一个专门用于事件上报的主题(Topic)—“farm/sensor/image”,用于传输大量图像数据。

本文使用Python编程语言来实现MQTT客户端,然后,使用以下代码作为MQTT客户端发送图像数据:

import paho.mqtt.client as mqtt

import base64

# 设置MQTT服务器地址和端口

broker_address = "mqtt_server_address"

broker_port = 1883

# 创建MQTT客户端

client = mqtt.Client()

# 连接到MQTT服务器

client.connect(broker_address, broker_port)

# 读取图像文件

image_file = "path/to/your/image.jpg"

with open(image_file, "rb") as file:

image_data = file.read()

# 将图像数据转换为Base64编码,方便在消息体中传输

image_base64 = base64.b64encode(image_data).decode("utf-8")

# 定义发布主题

topic = "farm/sensor/image"

# 发布图像数据到主题

client.publish(topic, payload=image_base64, qos=0, retain=False)

# 断开与MQTT服务器的连接

client.disconnect()

读取图像文件并将图像数据转换为Base64编码,然后指定了发布的主题为“farm/sensor/image”,并通过publish方法将图像数据发布到该主题,使用QoS等级0(最多一次传递)来传输,不进行持久化(retain=False)。最后,断开与MQTT服务器的连接。

3.3 物联网云平台

智能农机系统远程监测于控制功能基于JetLink物联网基础平台进行设计,实现各个智能农机装备实现数据可视化管理及执行装备的远程控制,基于JetLink物联网云平台结构如图5所示,主要包括信息感知层、网络传输层和应用服务层:

图5 物联网云平台结构层次图

1)信息感知层(Perception Layer)。信息感知层是物联网系统的底层,用于感知和采集来自各种物联网设备的数据,用于监测农机工作状态、土壤湿度、气温、空气湿度等环境参数。传感器将采集到的数据转换为数字信号,并将数据传输给上层网络传输层,为农业生产提供基础数据支持。

2)网络传输层(Network Transmission Layer)。网络传输层采用各种通信技术,例如Wi-Fi、以太网、蜂窝网络、LoRa等,确保数据从农机和传感器传输到云平台的高效和可靠。在网络传输层中,数据可能需要进行压缩、加密和优化以满足不同网络环境和带宽需求。

3)应用服务层(Application Service Layer)。应用服务层是物联网云平台的最上层,负责数据处理、存储、分析和应用服务的提供,实时接收来自网络传输层的数据,并进行数据处理、实时监测和分析。平台可以将数据转化为可视化的图表和报表,为农机管理人员提供实时的农田和农机状态。同时,应用服务层还提供远程控制功能,允许农机管理人员通过平台对农机装备进行远程操作。

4 系统功能测试

系统功能测试是在完成系统开发和部署后的一个重要阶段，用于验证系统是否按照设计要求和预期功能正常工作。在智能农机监测与控制系统中，本文对该系统数据查询进行测试，登陆系统后，该平台首页就是当前农田信息图表化数据展示。以农田环境数据可视化图标为例(图6)，该图可以清晰的展示当前农田环境的温度、湿度、雨量等关键数据，农机管理人员可以选择查看不同时间段内的数据，比较农田环境的变化趋势，找出规律和异常，从而更好地优化农机作业计划和农田管理策略。

图6 农田环境可视化图表展示