基于傳感和互聯技術的智慧鄉村綜合信息監管系統研發

張文彪，何亮，張俊輝，崔孟凱，胡安正，陳傳亮

（湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著物聯網和信息科技迅猛發展，人類社會已邁入了移動物聯網時代，無線通信、圖像傳輸等技術都得到了迅猛發展，各種技術在人們的日常生活中得到了廣泛的應用。如何將攝像頭的無線圖傳、無線通信等物理原理及相關技術應用于美麗鄉村，已經成為研究的熱點之一。在獲取準確的環境信息、無線信息傳輸等方面，仍存在許多待探討的物理原理和急需解決的技術問題。對此，本項目設計了一種基于5G、無線傳感和互聯等新技術的智慧鄉村綜合信息監管系統。

1 信息監管系統總體設計思路

該智能鄉村管理系統的整體構想主要包括以STM32F103RCT6 單片機作為主體平臺。通過RM500U-CN 5G 全網通無線透傳模組進行遠程雙向通信，將傳感器模塊采集到的數據進行匯總整理上傳到阿里云IOT 物聯網平臺、遠程遙控和手機APP。同時，攝像頭OV7670 每隔一段時間采集一幀圖片，并通過RM500U-CN 模塊傳輸到遠程上位機，實現多平臺智能化管理鄉村。主體平臺部分采用STM32F103RCT6 作為主控處理器，基于土壤檢測模塊、熒光法溶解氧傳感器等多種模塊，利用5G、物聯網、無線圖像傳輸等技術，來實現以下功能：土壤酸堿度、土壤濕度、水位、水質、溫濕度等情況的監測、空氣質量監測、實時查看作物生長情況、APP 提醒、手機短信通知等。此外，系統支持多個鄉村的數據共享，并通過多個RM500U-CN 模塊進行組網，符合當前互聯網萬物互聯的趨勢[1]。

圖1 系統總體方案框圖

2 監管系統的結構組成、工作原理介紹

■2.1 MCU 主控模塊

本次選用的微控制器是意法半導體公司生產的STM32F103RCT6。這款控制芯片的內核規格為32 位，主頻頻率72MHz，程序的內存類型為flash，具有256KB 的閃存存儲器，以及48KB 的SRAM 隨機存儲器。該單片機還配備了3 個12 位模數轉換器，轉換時間僅為1μs，可支持多達21 個輸入通道。此外，該單片機還擁有2 個12 位D/A 轉換器、112 個快速I/O 口、11 個定時器和13 個通信接口，其中包括2 個I2C 接口、SPI 接口、3 個USART 接口、一個USB 接口和一個CAN 接口。支持三種低功耗模式，可以在低功耗，短啟動，多種喚醒模式下尋找平衡。在用戶沒有需求時，切換到低功耗模式，用戶若需要查看數據，可遠程喚醒單片機進行工作。

■2.2 攝像頭成像原理及運用

景物通過 Lens 生成的光學圖像投射到 sensor 表面上， 經過光電轉換為模擬電信號， 消噪聲后經過 A/D 轉換后變為數字圖像信號，再送到數字信號處理芯片（DSP）中加工處理（DSP 芯片中會有ISP-圖像信號處理器、JPEG encoder-JPEG 圖像解碼器等）[1]。所以，從 sensor 端過來的圖像是 Bayer 圖像，經過黑電平補償（black level compensation）、鏡頭矯正（lens shading correction）、壞像素矯正（bad pixel correction）、顏色插值 （demosaic）、Bayer 噪聲去除、 白平衡（ awb） 矯正、色彩矯正（color correction） 、 gamma 矯正、色彩空間轉換（RGB 轉換為 YUV）、在 YUV 色彩空間上彩噪去除與邊緣加強、色彩與對比度加強，中間還要進行自動曝光控制等，然后輸出 YUV（或者 RGB）格式的數據，再通過I/O接口傳輸到CPU 中處理。

圖2 攝像頭模組

該方案采用攝像頭OV7670，采集附近農作物圖像，由STM32F103RCT6 單片機將攝像頭OV7670 采集的農作物的圖像每隔一段時間傳給RM500U-CN 模塊，然后由RM500U-CN 模塊將圖像傳給上位機，供用戶查看農作物生長情況。

■2.3 土壤檢測模塊

土壤檢測模塊是一種多合一傳感器，可測量土壤PH、EC、溫濕度、二氧化碳濃度、光照度、空氣溫濕度。探針選用奧氏體不銹鋼材料制作，具有良好的防銹、耐電解、耐腐蝕特點，適合各種土質。探針與機體之間使用高密度環氧樹脂，高溫真空澆灌，可有效阻止水分進入機體內部。線纜加粗，抗干擾能力強，信號傳輸更穩定。

■2.4 熒光法溶解氧傳感器模塊

熒光法溶解氧傳感器（如圖3 所示）無需更換膜片、頻繁校準，長期免維護、使用安裝方便、反應靈敏，適用于工業水質檢測、水產養殖監測、江河湖海水質參數監測等維護不便利且需要長期監測的場景。

圖3 熒光法溶解氧傳感器實物圖

3 系統軟件設計

■3.1 軟件設計總體方案

本此項目將傳感器模塊，攝像頭OV7670 采集到的數據進行匯總整理上傳到阿里云IOT 物聯網平臺、遠程遙控和手機APP，在系統運行過程中，主RM500U 模塊接收到來自鄉村的其他RM500U 模塊的綜合信息，單片機對其信息進行匯總整理后，通過ESP8266 與手機APP 建立連接，進行數據傳輸，手機APP 能夠及時顯示平臺反饋的信息。圖4 為系統軟件設計總體方案。

圖4 系統軟件設計方案

■3.2 RM500U-CN 模塊數據傳輸

STM32 控制器將處理好的農作物生長環境數據通過串口與RM500U-CN 模塊（如圖5 所示）建立連接，由RM500U-CN 進行TCP 數據透傳。由于傳輸的數據的種類數量較多，所以需要通過軟件算法對丟包、信息準確度一般等問題進行解決與優化后，將數據發送到遙控器和阿里云、原子云平臺，用戶可在阿里云、原子云平臺查看到以往數據以及數據發展趨勢[2]。RM500U-CN 模塊支持移動 5G、聯通 5G 和電信 5G 手機卡，進行網絡傳輸，傳輸距離不受限制，同時支持發送短信。相比于傳統5G 模組，不用去配置復雜的AT指令，使用移動網絡與服務器建立連接，在微信小程序、手機APP 中查看數據。

圖5 RM500U-CN 模塊

■3.3 無線遙控

遠程遙控由STM32F103RCT6 單片機、STM32 是通過串口連接上RM500U-CN 模塊、OLED 屏組成，可查看各地作物生長環境數據，下發具體的指令。RM500U-CN 模塊接收到多個數據采集點的RM500U-CN 模塊傳輸的多個數據，對數據進行分類解析，并且對預警數據賦予優先級，用戶依次下發對應指令。如熒光法溶解氧傳感器模塊檢測到鄉村某處魚塘的含氧量低于設定閾值，則會通過魚塘的RM500UCN 模塊向管理系統發出預警信息，提示用戶開啟魚塘增氧泵，用戶則通過遙控的按鍵切換OLED 菜單，選擇不同的模式，來開啟對應魚塘的增氧泵。土壤檢測模塊檢測到蔬菜大棚的溫度低于設定閾值，也是通過大棚內RM500U-CN模塊向管理系統發出預警信息，用戶接收到信息后，下達開啟對應大棚的暖氣系統。鄉村農業通過多個RM500U-CN模塊進行組網，實現多路連接，完全獨立，互不影響，管理系統主機自動下發指令，各地從機返回有效數據，減少了開發周期，減少服務器查詢壓力，實現了鄉村的智能化管理。遠程遙控程序設計框圖如圖6 所示。

圖6 無線遙控程序設計框圖

■3.4 阿里云IOT 物聯網平臺的連接

利用MQTT 協議接入阿里云，MQTT 是基于TCP/IP 協議棧構建的異步通信消息協議，是一種輕量級的發布、訂閱信息傳輸協議?？稍诓豢煽康木W絡環境中進行擴展，適用于設備硬件存儲空間或網絡帶寬有限的使用場景，使用MQTT協議，消息發送者與接收者不受時間和空間的限制。利用阿里云IOT 創建物聯網設備，獲取該設備三元組，將STM32單片機通過ESP8266 接入互聯網，移植阿里云提供的函數文件，替換連接使用的三元組，驗證是否連接成功，將數據節點與對應的回調函數綁定，編寫用戶控制函數，測試投入使用[3]。阿里云提供了與物聯網平臺相對接的網頁應用，用戶可以通過在編輯器上進行綁定設備，通過拖拽組件到畫布上進行配置樣式、數據源和交互動作等，即通過圖形可視化的方式進行手機相關應用和WEB 的開發。設備端通過訂閱云服務器，云服務器接收到APP 或Web 消息后推送至訂閱它的設備端，設備端也可以通過MQTT 協議發布屬性到服務器，這樣訂閱這個設備的應用就會收到服務器的推送，將數據進行解析后顯示在APP 上。在統計頁面中，系統統計了一個月內蔬菜大棚內溫度等數據，并繪制成曲線圖形式（如圖7 所示），用戶在使用過程中可以明顯觀察到變化規律并更改設定的閾值，來實現智能化管理控制。

圖7 阿里云web 頁面統計圖

■3.5 智能管理系統配套手機APP

手機APP 采用的是機智云平臺的APP，首先是數據點的創建，自定義數據點，含有功能說明意義的顯示名稱，如：開關、溫度，濕度，預警，故障等。使用標識名用來區分不同功能的數據點，方便系統區分不同的數據信息，常在用戶端和云平臺開發時進行使用。命名方式也是根據開發語言變量名命名制而制定的，通常是由英文字母、數字和下劃線組成，開頭只能是英文字母。智能化鄉村管理系統對農業進行智能管理，利用手機APP 設置目標溫度、濕度、氧氣含量，設置報警閾值的一個智能監控系統。應用開發，根據用戶所使用的平臺，選擇所需要的平臺源碼，可以自動生成APP 的源碼，打包后便可直接安裝到手機上運行。也可以在源碼的基礎上修改，通過自己的創意來設計APP，從而達到更好的效果。MCU 開發，機智云平臺可以根據選定的硬件平臺，以及方案類型，生成MCU 在開發過程中所需要的代碼，實現機智云平臺與MCU 的快速接入。因此可以跳過通訊協議，通過移植生成的源碼便可快速開發硬件程序。手機APP 界面如圖8 所示，系統實物圖如圖9 所示。

圖8 手機APP 界面

圖9 系統實物圖

4 結束語

鄉村振興是黨中央提出的戰略，鄉村農田的土壤酸堿度、土壤商情、水位、水質、溫濕度和空氣質量等綜合信息的智能化監測和管理是實現智慧鄉村和農業現代化的重要基礎。本項目基于5G 技術、傳感器技術和物聯網技術的鄉村綜合信息監管系統研發，使鄉村管理者和戶主不受時間、空間等條件的限制，實現足不出戶就能對農作物的生長狀況等鄉村重要農業生產信息進行綜合監管。在本研究的基礎上，未來的發展方向將集中在智慧鄉村環境信息智能化管理系統的構建上。這一系統將進一步提高鄉村管理者和戶主對農業生產信息的可視化監管能力，同時也為鄉村的可持續發展提供更多機會。