【項目名稱】基于OpenHarmony的智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

【項目負責人】：張銘哲

1、項目描述

環(huán)境監(jiān)控和自動化控制是農業(yè)生產中不可或缺的環(huán)節(jié)，作物的生長環(huán)境監(jiān)測和控制直接決定了作物的產量和質量。隨著信息化、智能化建設的不斷推進，云平臺成功案例的不斷增多，將農業(yè)環(huán)境監(jiān)測與云平臺相結合，打造智慧農業(yè)云平臺，可以使勞動力和生產率得到進一步的釋放和提升，進一步促進農業(yè)的現代化發(fā)展。該項目基于OpenHarmony系統(tǒng)，以海思微處理器開發(fā)板為感知層核心，利用國產開源OpenHarmony操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境參數檢測、網絡連接等應用。以云服務器為基礎構建智慧農業(yè)系統(tǒng)服務平臺，實現云平臺與傳感網絡系統(tǒng)的通信連接管理等；構建遠程信息管理和控制的 Web 應用平臺。充分利用互聯(lián)網和 Web 技術為用戶提供實時監(jiān)測、信息管理等功能，使得用戶在一定程度上脫離時間和空間的限制，實現對現場的遠程監(jiān)控和管理。

2、項目方案簡介

系統(tǒng)物聯(lián)網模型功能劃分：

本系統(tǒng)設計如下圖所示，采用四層物聯(lián)網模型結構，即感知層、網絡層、平臺層和應用層。其中，系統(tǒng)的環(huán)境參數檢測功能被劃分到感知層，負責完成溫濕度、光照強度、土壤濕度等環(huán)境信息采集任務；網絡層包括網絡接入功能以及信息傳輸功能。這里面，信息傳輸功能主要是將感知層獲取的數據上傳到云服務系統(tǒng)，同時將云服務器的信息或指令下發(fā)給感知層設備。網絡層使用Wi-Fi通信方式接入網絡，采用MQTT協(xié)議等推送數據信息到平臺層和應用層。云服務主要支持平臺層功能，負責設備管理、命令下發(fā)、信息存儲等管理功能。應用層則利用云服務器提供的服務或手機等用戶終端來實現數據的可視化及客戶交互。

系統(tǒng)的功能邏輯：

本系統(tǒng)的功能邏輯如下圖所示。設計方案以小熊派鴻蒙開發(fā)板為核心實現網絡層和感知層的主要功能。該開發(fā)板使用海思微處理器，運行OpenHarmony 操作系統(tǒng)，實現包括系統(tǒng)外設初始化、網絡接入、系統(tǒng)管理、數據采集、數據聯(lián)網上報等功能。平臺層和應用層功能則由云服務器和小熊派鴻蒙開發(fā)板協(xié)同實現。

系統(tǒng)框圖如下圖所示：

系統(tǒng)硬件部分介紹：

**主控芯片：**MCUv采用Bear Pi-HM Nano開發(fā)板，搭載海思Hi3861RNIV100微處理器。該處理器是一款32位微處理器，高度集成了SoC WiFi芯片。

電源管理模塊采用LDO穩(wěn)壓電路分為兩部分，分別是穩(wěn)壓5V電路和3.3V電路。

溫濕度傳感器采用SHT30支持2.4V5.5V供電，測量范圍為-40℃到125℃，相對濕度為0100%，通信協(xié)議采用IIC。

光照傳感器采用BH1750,支持2.4v3.6V供電,測量范圍165535Lx,通信協(xié)議采用IIC。

土壤濕度傳感器，表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應面積，可以提高導電性能,通過比較放大器LM393輸出,使用ADC進行數據的采集。

補光燈,水泵,風扇通過開發(fā)板IO口外界三極管驅動電流放大電路實現控制。

系統(tǒng)軟件介紹：

1. 軟件開發(fā)及其工具

軟件開發(fā)在OpenHarmony內核抽象層之上進行。內核抽象層為用戶提供進程管理、內存管理、文件系統(tǒng)、網絡管理和外設管理等操作系統(tǒng)功能。鴻蒙的內核抽象層支持CMSIS應用程序標準接口，本次開發(fā)采用輕量級系統(tǒng)中常用的CMSIS標準。

本項目開發(fā)環(huán)境布置在Window以及Linux操作系統(tǒng)上面。系統(tǒng)編譯環(huán)境在Linux系統(tǒng)性建立，應用程序使用C語言編寫，在VSCode上實現編程。需要安裝配置Python及gcc編譯器的支持，開發(fā)環(huán)境還需要安裝npm和hpm等鴻蒙操作系統(tǒng)的組包和發(fā)行版管理工具。

2. 環(huán)境參數檢測

環(huán)境參數檢測通過操作溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器實現。獲取到的溫濕度、光照強度以及土壤濕度等環(huán)境信息通過MQTT協(xié)議上傳到云端,當光照強度過低或者溫度、濕度超標時，會引起報警以及風扇轉動、開啟水泵等操作，流程如下圖所示：

3. Wi-Fi通信

核心開發(fā)板通過所使用到的傳感器監(jiān)測數據后，需要通過WiFi聯(lián)網將數據上報云端。海思Hi3861RNIV100微處理器SoC WiFi芯片連接WiFi流程圖如下所示：

4. MQTT協(xié)議

消息隊列遙測傳輸協(xié)議，是一種基于TCP/IP協(xié)議的即時通訊協(xié)議，采用發(fā)布、訂閱模式為處于網絡層上的傳感器與平臺層、應用層提供實時消息服務。MQTT協(xié)議開銷低，帶寬占用小，易于實現，在物聯(lián)網工程中應用廣泛。作為MQTT協(xié)議的客戶端，開發(fā)板上需要布置相關業(yè)務代碼，主要包括網絡連接信息結構體定義、MQTT 客戶端信息結構體、MQTT 客戶端初始化、MQTT客戶端連接代理服務器、訂閱MQTT消息、發(fā)布MQTT消息等。這些業(yè)務代碼，本文的設計采用鴻蒙系統(tǒng)項目下的第三方代碼進行布置。

3、項目功能說明

下位機可以實時采集大棚中的環(huán)境信息，主要包括溫度、濕度、光照強度、土壤濕度以及當前所處地區(qū)天氣環(huán)境。

下位機可以根據當前環(huán)境信息，自動實現補光、通風、灌溉、報警功能，來實現智慧農業(yè)。

通過云服務器的數據傳輸在web端可視化界面上面實時顯示當前大棚中的環(huán)境狀態(tài)。

在web端可以手動控制實現補光、通風、灌溉功能。

在web端可以實時顯示數據曲線，并且?guī)в写鎯祿墓δ埽鎯Φ臄祿ㄋ牟糠?，分別是溫度、濕度、光照強度和土壤濕度，數據保存到csv文件中，方便后續(xù)對數據分析處理。

4、項目功能展示

系統(tǒng)外觀展示：

系統(tǒng)運行中：

web端可視化界面1：

web端可視化界面2：

存儲數據形式展示：

視頻展示地址：

https://www.bilibili.com/video/BV1Ad4y1P7xw?spm_id_from=333.999.0.0

5、項目總結及展望

本文設計的環(huán)境參數監(jiān)測系統(tǒng)設計，硬件選用海思Hi3681處理器的輕量級終端，具有數據實時顯示、自動控制、超限報警等功能。軟件選擇在OpenHarmony操作系統(tǒng)上進行開發(fā)，采用物聯(lián)網解決方案，網絡通信業(yè)務代碼選擇OpenHarmony下的第三方代碼。系統(tǒng)測試結果表明，該系統(tǒng)最終實現了環(huán)境參數數據采集、數據聯(lián)網上報和指令下發(fā)等功能，驗證了設計方案的正確性。系統(tǒng)雖然實現功能，但仍然存在不足之處，后續(xù)將加強應用層上的數據可視化及環(huán)境參數控制等相關業(yè)務邏輯設計方面的工作。

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