基于云平台的农作物信息采集系统设计

ｍａｔｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎬ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｍａｎｕａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｕｆｆｅｒｓ ｆｒｏｍ
ｉｓｓｕｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｗ ａｃｃｕｒａｃｙꎬ ｈｉｇｈ ｌａｂｏｒ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙꎬ ａｎｄ ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬ ｗｈｉｌｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆａｃｅｓ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｌｉｋｅ
持系统提供有效信息ꎮ
ＣＣＳ８１１ 是一款低功耗微型数字气体传感器ꎬ其内部
能力ꎬ以确保传感器数据能够为智能农业和决策支
２.２.１ 温湿度传感器模块
选择 ＤＨＴ１１ 数字温湿度传感器对温度和湿度
信息进行获取ꎬＤＨＴ１１ 作为一款数字传感器ꎬ提供已
校准的温湿度数据ꎮ 它包含电阻式感湿元件和 ＮＴＣ
测温 元 件ꎬ 与 高 性 能 的 ８ 位 单 片 机 进 行 连 接ꎮ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｉｎａ'ｓ ｍｏｄｅｒｎ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓꎬ ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ
ｓｍａｒｔ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｓｔｅａｄｉｌｙ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ. Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ ( ＩｏＴ) ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣
以上ꎮ 这使得 ＤＨＴ１１ 适用于许多嵌入式系统和项
存储温度 / ℃
－４０ ~ １２５ 等效 ＣＯ ２( ＥＣＯ ２ )
摘 要:随着我国现代科学技术水平的不断提高ꎬ智慧农业的建设范围不断扩大ꎮ 物联网技术、大数据技
术、云计算技术与智慧农业之间的联系也日益紧密ꎮ 在农业信息检测技术方面ꎬ智慧农业经历了人工检测和自
动检测两个阶段ꎬ逐渐实现了农业数字化的目标ꎮ 然而ꎬ人工检测普遍存在精度较低、劳动强度较大、效率较低
等问题ꎬ而自动检测则面临传感器布置困难、线束繁琐、维护费用高和扩展性不佳等挑战ꎮ 为解决这些问题ꎬ设计
智慧农业在我国持续发展ꎬ借助物联网、大数据
特别设计了基于云平台的信息采集系统ꎬ该系统搭
和云计算技术ꎬ成功解决了传统农业信息检测的问
载在移动平台上ꎮ 通过这一系统ꎬ可以获取农作物
题ꎮ 为提高效率并降低自动检测的布线维护成本ꎬ
的生长信息ꎬ并与环境数据融合ꎬ为农作物提供最优
收稿日期:２０２４－０１－１０
ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ. Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ａｃｑｕｉｒｉｎｇ ｇｒｏｗｔｈ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｃｒｏｐｓ ａｎｄꎬ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ
ｃｌｏｕｄ ｐｌａｔｆｏｒｍꎬ ｍｅｒｇｉｎｇ ｉｔ ｗｉｔｈ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｆｉｘｅｄ －ｐｏｉｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ. Ｔｈｉｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｉｍｓ
作者简介:白云生ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为农业信息化ꎬＥ－ｍａｉｌ:１２６３３０３６８４＠ ｑｑ.ｃｏｍꎮ
∗ 通讯作者:王伟ꎬ副教授ꎬ硕士ꎬ主要从事检测技术ꎬ机电一体比技术的研究ꎬＥ－ｍａｉｌ:１３５４９４２７２６＠ ｑｑ.ｃｏｍ
第４期
白云生:基于云平台的农作物信息采集系统设计
生长条件ꎬ从而增加产期和产量ꎮ 这种智慧农业系
了基于云平台的信息采集系统ꎬ搭载于农业信息采集机器人移动平台上ꎬ能够获取农作物的生长信息ꎬ并通过云平
台与定点检测获得农作物生长环境信息融合ꎬ为农作物提供最适合生长的条件ꎬ从而确保农作物的产期和产量ꎮ
关键词:云平台ꎻ农业信息采集机器人ꎻ数据采集
中图分类号:ＴＰ２４２ꎻＳ７７６ 文献标识码:Ａ 文章编号:２０９５ － ２９５３(２０２４)０４ － ００５４ － ０５
模块内设置一个父节点协调器ꎬ信息采集模块内设
置多个子节点协调器ꎬ４Ｇ 通讯模块设置于集中控制
±５(０ ~ ５０)
±２
工作电压 / Ｖ
３.３ ~ ５
输出形式
数字输出
２.２.２ 光照传感器模块
采用 ＢＨ１７５０ 环境光传感器和 Ａｒｄｕｉｎｏ 开发板
模块内ꎬ与主控制器相连ꎬ实现与云平台数据交互ꎮ
制作一个光照强度计( Ｌｉｇｈｔ Ｍｅｔｅｒ) ꎬ并在 １６０２ ＬＣＤ
ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｃｒｏｐ ｇｒｏｗｔｈꎬ ｔｈｅｒｅｂｙ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｌａｎｔｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｃｒｏｐｓ.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｃｌｏｕｄ ｐｌａｔｆｏｒｍꎻ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔꎬꎻｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｒｏｐ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｌｏｕｄ ｐｌａｔｆｏｒｍ
ＢＡＩ Ｙｕｎ￣ｓｈｅｎｇꎬ ＷＡＮＧ Ｗｅｉ ∗
( Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｈａｒｂｉｎ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ １５００４０ꎬＣｈｉｎａ)
上的数据流、社交媒体等等ꎮ 云平台数据采集的目
的通常是为了进行数据分析、机器学习、人工智能等
应用ꎬ以帮助企业做出更好 的 决 策、 改 进 产 品 或 服
务ꎬ或者实现其他业务目标ꎮ
图 ２ 硬件总体框架图
２.１.１ 集中控制模块
集中控制模块采用 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ 作为主控
５６
第 ５２ 卷
林 业 机 械 与 木 工 设 备
制器进行开发设计ꎬ搭载收发器芯片和数据接收、存
表 １ ＤＨＴ１１ 传感器模块相关参数
储、处理、显示模块ꎮ 其可以接收传感器发来的采集
信息ꎬ也可以接收 ４Ｇ 通讯模块发来的指令信息ꎮ 集
中控制模块对采集数据进行处理ꎬ并将处理结果通
过数据协议进行上传ꎮ
２.１.２ 网络传输模块
ＤＨＴ１１ 传感器在湿度校验室中进行校准ꎬ将相应的
校准系数存储在 ＯＴＰ 内存中ꎬ并在信号处理阶段进
行应用ꎮ 其采用了单线制串行接口ꎬ便于集成ꎬ具备
小巧、低功耗的特点ꎬ而且信号传输距离可达 ２０ ｍ
选择 ＣＣＳ８１１ 模 块 传 感 器 进 行 ＣＯ ２ 含 量 检 测ꎮ
集成了金属氧化物气体传感器、微控制器单元和数
统将推动农业数字化转型ꎬ提升农业生产效率和产
品质量ꎬ实现可持续发展
[１－２]
ꎮ
云平台数据分析是在云计算环境中进行数据分
资源共享来处理和分析大规模数据集ꎬ以从中提取有价值ຫໍສະໝຸດ 信息和见解ꎮ１.１ 系统架构
云平台采用 ５ 层系统架构ꎬ分别为数据源层、智
１ 所示ꎮ
１.３ 数据分析
析的过程ꎮ 它利用云计算提供的弹性、可扩展性和
２.１.３ 信息采集模块
以计算以勒克斯( Ｌｕｘ) 为单位的光量ꎮ 该传感器应
信息采集模块是所有传感器组成的采集节点ꎬ
相关采集参数有土壤温度、湿度、ＰＨ 值、土壤成分、
环境温湿度、光照强度、冠层温度、农作物病虫害、生
长状态、杂草情况等信息ꎮ 上述采集信息组成一套
监测套组连接 ＣＣ２５３０ 模块作为信息采集点ꎮ
ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｓｅｎｓｏｒ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔꎬ ｃｏｍｐｌｅｘ ｗｉｒｉｎｇꎬ ｈｉｇｈ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｃｏｓｔｓꎬ ａｎｄ ｐｏｏｒ ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ. Ｔｏ ａｄｄｒｅｓｓ ｔｈｅｓｅ ｉｓｓｕｅｓꎬ
ａ ｃｌｏｕｄ －ｂａｓｅｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄꎬ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ａｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ
第 ５２ 卷 第 ４ 期
２０２４ 年 ４ 月
林 业 机 械 与 木 工 设 备
ＦＯＲＥＳＴＲＹ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ＆ ＷＯＯＤＷＯＲＫＩＮＧ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ
Ｖｏｌ ５２ Ｎｏ.４
Ａｐｒ.２０２４
研究与设计
基于云平台的农作物信息采集系统设计
白云生ꎬ 王 伟 ∗
( 东北林业大学ꎬ黑龙江 哈尔滨 １５００４０)
１ 云平台架构
能网关层、分析处理层、服务层、业务应用层
５５
[３]
ꎬ如图
１.４ 智能决策
云平台智能决策是利用云计算平台上的人工智
能( ＡＩ) 和机器学习( ＭＬ) 技术ꎬ以及大规模数据分析
来支持和优化决策制定过程ꎮ 这些技术和工具帮助
组织更加智能地分析数据、预测趋势、识别模式ꎬ并
根据这些分析结果做出更明智、更具洞察力的决策ꎮ
ｇｙꎬ ｂｉｇ ｄａｔａ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ ｃｌｏｕｄ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ ａｎｄ ｓｍａｒｔ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｉｓ ｇｒｏｗｉｎｇ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｔｉｇｈｔ. Ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ
ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ ｓｍａｒｔ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｈａｓ ｕｎｄｅｒｇｏｎｅ ｔｗｏ ｓｔａｇｅｓ: ｍａｎｕａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｕｔｏ￣
体框架如图 ２ 所示ꎮ
建服务ꎬ通过轻量级的通信ꎬ实现自动化独立部署ꎬ
达到独立自治、组合集成、持续部署ꎮ 业务应用层根
据农户和企业的需求分析ꎬ完成场景深化ꎬ研发满足
用户需求的应用方案ꎮ
１.２ 数据采集
云平台数据采集是在云计算环境下ꎬ从各种数
据源中收集、存储和处理数据的过程 [４] ꎮ 这些数据
源可以包括传感器、应用程序日志、数据库、互联网
２.２ 传感器模块选型
在信息采集传感器选型时ꎬ需要综合考虑农业
应用的性质和需求ꎬ包括土壤、气象等方面的影响ꎮ
确保选用适当类型的传感器ꎬ以满足监测对象的要
求ꎬ考虑精度、数据采集频率、通信技术、耐久性、电
显示屏上显示强度值 [７] ꎮ 使用这个传感器ꎬ我们可
用范围广泛ꎬ最适合获取环境光数据ꎬ相关参数如表
通用参数
参数内容
湿度测量范围 / ％ＲＨ
２０－９０(２℃ )
温度测量范围 / ℃
０ ~ ５０
湿度测量精度 / ＲＨ
温度测量精度 / ℃
选择 ＣＣ２５３０ 模块负责局域网架构采集数据传
输ꎬ选择 ＷＨ －ＬＴＥ － ７Ｓ４ 模块负责数据远程传输ꎮ 协
调器模块基于 ＺｉｇＢｅｅ 和 ４Ｇ 通讯技术设计ꎬ集中控制
数据进行采集ꎻ智能网关层是感知网络接入、连接异
构网络的通信系统ꎬ可实现通讯和数据格式标准化ꎻ
分 析 处 理 层 包 含 各 种 分 析 工 具 ( 如 Ｐｉｇ、 Ｈｉｖｅ、
Ｐｈｏｅｎｉｘ) 、分析类库 ( 如 ＭＬｉｂ、Ｓｐａｒｋ、Ｍａｈｏｕｔ) ꎬ 维护
各种统计分析模型ꎬ并通过模型的反馈和校验ꎬ持续
模转换器ꎮ 传感器采用数字方式通过 Ｉ２Ｃ 接口进行
通信ꎮ 其主要功能包括检测 总 挥 发 性 有 机 化 合 物
( ＴＶＯＣ) 、等效二氧化碳以及金属氧化物水平ꎬ相关
参数如表 ３ 所示ꎮ
表 ３ ＣＣＳ８１１ 传感器模块相关参数
通用参数
参数内容
检测范围 / ｐｐｍ
４００ ~ ５ ０００
通信接口
Ｉ２Ｃ
２ 机器人信息采集系统结构组成及工
作原理
信息采集结构系统主要由计算机、温湿度传感
器、雨量传感器、ＣＯ ２ 传感器、土壤湿度传感器、雨量
传感器、摄像头及物联网模块组成 [５] ꎮ 计算机通过
各种传感器获取到农作物相关信息ꎬ并将其通过物
图 １ 云平台架构图
数据源层通过智能检测传感装置和检测设备对
２ 所示ꎮ
表 ２ ＢＨ１７５０ 传感器模块相关参数
通用参数
光照度范围 / ｌｘ
芯片
传感器内置
电平转换
工作电压 / Ｖ
输出形式
参数内容
０ ~ ６５ ５３５
ＢＨ１７５０ＦＶＩ
１６ｂｉｔＡＤ 转换器
３ ~ ５ Ｖ 系统通信兼容
３~５
数字输出
源供应和成本等因素 [６] ꎮ 还要关注数据管理和分析
２.２.３ ＣＯ ２ 传感器模块
提高分析和预测模型的准确性ꎻ服务层根据业务构
联网模块ꎬ 上传至云平台ꎬ 进 行 数 据 处 理 和 智 能 决
策ꎬ供智慧温室系统进行相应的控制操作ꎮ
２.１ 采集系统硬件总体框架设计及模块介绍
机器人信息采集系统硬件部分主要包括集中控
制模块、土壤信息采集模块、农作物信息采集模块、
环境信息采集模块、网络传输模块几个部分ꎬ硬件总