基于物联网技术的智能农业机械监测与控制系统设计.pdf

12农机使用与维修2023年第10 期基于物联网技术的智能农业机械监测与控制系统设计李璐璐（长春职业技术学院，长春130 0 33）摘要：针对现代农业生产需要，该文构建了基于物联网技术的智能农机监测与控制系统，阐述了智能农机监测与控制系统的结构和工作原理，通过传感器实时监测农机工作状态，土壤水分、温度、湿度等环境参数，并利用物联网技术将数据上传到云平台，从而实现对农机和环境的远程实时监测。系统测试结果表明，智能农机监测与控制系统运行稳定，能实时显示农田的各种环境数据。该文的研究成果希望能为现代农业生产提供参考和发展。关键词：物联网技术；智能农业机械；传感器；监测与控制；农业生产优化中图分类号：S126Intelligent Agricultural Machinery Monitoring and Control System Design BasedAbstract:For the needs of modem agricultural production,this paper builds intlligent agricultural machinery monitoringand control system based on Internet of Things(IoT)technology,describes the structure and working principle of the in-telligent agricultural machinery monitoring and control system,monitors the working status of the agricultural machinery,soil moisture,temperature,humidity and other environmental parameters in real time through the sensors,and then up-loads the data to the cloud platform by using the Internet of Things(IoT)technology,so as to realize the remote and real-time monitoring of the agricultural machinery and the environment.The system test results show that,the intelligentagricultural machinery monitoring and control system runs stably and can display various environmental data of farmlandin real time.The results of this paper are intended to provide reference and development for moderm agricultural produc-tion.Keywords:internet of things technology;smart agricultural machinery;sensors;monitoring and control;agriculturalproduction optimization0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人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。研作者简介：李璐璐（19 8 5一），女，内蒙古兴安盟人，硕士，讲师，研究方向为计算机教学与科研。文献标识码：Aon Internet of Things TechnologyLI Lulu(Changchun Polytechnic College,Changchun 130033,China)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)。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doi:10.14031/ki.njwx.2023.10.0032023年第10 期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。表1基于物联网下智能农业机械控制系统设计要求设计要求监测农机工作状态，如转速、油耗、温实时监测度等。通过手机APP或Web界面进行远程实远程监控与时监控，同时可以远程控制农机的启动、控制停止和工作模式调整等操作。数据处理与对农机工作状态和农田环境数据进行有分析效的存储和管理。智能控制根据农机工作状态和农田环境参数，实现智能化控制农机的工作模式。实时监测农机工作状态和农田环境，及预警与故障时发现异常情况并发送警报和故障诊断需求信息。安全性和隐系统需采取严格的网络安全措施，保护私保护数据安全性和完整性。监控电脑可视化大屏幕服务器&云平台智能控制策略数据采集器各类执行设备图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、数字信号接农机使用与维修口、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。转速传感器功能温度传感器压力传感器传感器接口摄像头信号处理自控仪控制中心DC-DC12V电源电池管理模块工作状态指示灯图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STM32C070CBT6作为主控芯片,STM32G070CBT6采用ARMCortex-MO+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（T I M）、串行通信接口（UART、SPI、I 2 C）、模拟比较移动终端器等,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ARMCortex-MO+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控制器程，保障电池的安全性和稳定性。2.2EMC设计良好的EMC（El e c t r o ma g n e t i c Co mp a t i b i l i t y，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（Pr i n t e d Ci r c u i t Bo a r d，印刷电路板）设计准则，确保PCB上的地平面（GroundPlane）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，13WiFi模块无线通LOROWAN信接口NB-LOT14TopviewPC13口1PC14-0SC32_IN2PC15-0SC32_0UT3VBAT口4VREF+O5VDD/VDDA6VSS/VSS.AD7PFO-OSC_IND8PF1-OSC_0UT9NR.STO10PAOO11PA1D12图3STM32G070CBT6引脚图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。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牛物联网设备接入协议3.2.1MQTT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。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）“f a m/s e n s o r/t e mp e r a t u r e”。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,所以农机使用与维修68d口SIVdD40444444LQFP482口SVd口9 Vd2023年第10 期开始36PA14-BOOTO35OPA1334PA12PA1033OPA11IPA932口PA1031口PC730口PC629IPA928PA827口PB1526口PB1425口PB13设置采集周期和休眠时间N是否为数据采集时间？Y检测是否有数据包？Y唤醒设备图4低功耗工作流程图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,2 5.5）。报文类型:PUBLISH(3)控制报文标志：0 0 11（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QoS0,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QoS0，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：2 5.5）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（Top-ic）一“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：N启动计时器数据采集结束设备进入休眠2023年第10 期import paho,mqtt.client as mqttimport base64报文类型CONNECT(连接报文）CONNACK（连接确认报文）PUBLISH(发布报文)PUBACK(发布确认报文)PUBREC(发布接收报文)PUBREL(发布释放报文)注：每一列代表MQTT协议中报文的各个字段。数字表示的是该字段在对应的报文类型中的标识值或取值范围。#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.jpgwith open(image_ile,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_da-ta).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=O,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编农机使用与维修#设置MQTT服务器地址和端口broker_address=mqtt_server_addressbroker_port=1883表2 MQTT报文结构文本说明建立客户端与MQTT代理服务器之间的连接。接确认报文，用于回复CONNECT报文，确认连接是否成功建立。发布报文，用于发布消息到特定的主题，其他订阅该主题的设备可以接收该消息。回复PUBLISH报文，确认消息发布成功。于回复QoS等级为1的PUBLISH报文，确认收到消息。用于回复QoS等级为2 的PUBREC报文，用于释放消息。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：1)信息感知层（PerceptionLayer）。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WiFi、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15控制报文QoS标志等级1200302415161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（r e t a i n=Fa l s e）。最后，断开与MQTT服务器的连接。3.3特保持连接30000016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。应用服务器JetLinks云平台网络传输层数据压缩、加密和优化LoRa信息感器层物联网设备图5物联网云平台结构层次图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。作物生长环锁监不境温度露点源度地表温度土温(10 cm)土凝(2 0 cm)环境凝度叶湿度土擦凝度 盘C.60420-200%36.836.235.70%图6 农田环境可视化图表展示农机使用与维修5结论与展望5.1结论本文基于物联网技术构建了智能农业机械监测与控制系统，并在该系统中实现了数据采集、传输、处理和控制等功能，实现对农机和农田的实时数据采集和传输，主要得到以下结论：1)设计一种通用型数据采集器，支持多种接口及便捷切换联网方式，同时选择高性能的主控芯片PC端移动端恭发土辣热通递10150404020200-202023年第10 期STM32G070CBT6，并通过电池管理模块CN3052B实现了低功耗设计，以提高系统的稳定性和能效。2)通过多网融合通信方式，保证智能农机装备在不同网络环境下都能实现有效的数据传输和通信。在MQTT协议的设计中定义了事件上报命令，实现了传输大量图像数据的需求，进一步拓展了系统的应用场景。3)运用JetLink物联网基础平台，实现了数据的可视化管理和执行装备的远程控制。农机管理人员可以通过平台的图表化数据展示，实时监测农机工作状态、环境参数等，为农田作业提供了及时有效的支持。5.2展望除了当前农田环境的图表化数据展示，未来的智能农机系统可以扩展到更多多样化的数据展示方式。例如，通过增加视频监控功能，农机管理人员可以远程查看农田的实时情况；通过增加地图展示功能，可以直观地显示农机的运行轨迹和作业范围，更好地指导农机作业。参考文献：1郑禄，李虹均，任新颖，等.基于物联网的设施农业精准控制平台设计与实现J/0L.软件导刊:1-6 2 0 2 3-03-30.http:/ 0 2 0(6)：39.3商量.智慧农业可视化监测系统应用研究J.智慧农业导刊,2 0 2 3,3(14):17-2 0.4Lestari N,Mahardika A,Sukirno S,et al.Internet ofThings Implementation for Development of Smart Agricul-ture Applications J.Journal of Physics:Conference Se-20100.40802060402020-40812060906021300%IuH.0%4030100毫米12.3毫米10 元来15128060420ries.2022:12-35.5孙战胜，王行，李玄浩，等.农业装备工业互联网平台应用场景探索J.农机市场,2 0 2 3(7):32-34.6丁元昊，王雯，余建国，等.基于IOA技术与YOLOX-s算法的农作物虫害监测系统研究J.物联网技术，2023,13(7):26 30.7魏梦.基于物联网的烟草种植环境信息系统设计与应用D.泰安：山东农业大学，2 0 15.8 陈爽.智能农机自动导航系统应用研究J.农机使用与维修,2 0 2 2(8):6 6-6 8.(05)