【開源社區(qū)】玩嗨OpenHarmony：基于OpenHarmony的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)《2022年糧食及農(nóng)業(yè)狀況》報告顯示，數(shù)字技術(shù)和人工智能機器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用給農(nóng)業(yè)帶來了變革。

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級階段，是集新興的互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體，依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感節(jié)點和無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預(yù)警、智能決策、智能分析、專家在線指導(dǎo)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)化種植、可視化管理、智能化決策。

環(huán)境監(jiān)控和自動化控制是智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的環(huán)節(jié)，作物的生長環(huán)境監(jiān)測（環(huán)境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等）和控制直接決定了作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。將農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測與云平臺相結(jié)合，打造智慧農(nóng)業(yè)云平臺，可以使勞動力和生產(chǎn)率得到進一步的釋放和提升，進一步促進農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。

2.1項目描述

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(chǎn)開源OpenHarmony操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境參數(shù)檢測、網(wǎng)絡(luò)連接等應(yīng)用。以云服務(wù)器為基礎(chǔ)構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)服務(wù)平臺，實現(xiàn)云平臺與傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信連接管理等；構(gòu)建遠(yuǎn)程信息管理和控制的 Web 應(yīng)用平臺。充分利用互聯(lián)網(wǎng)和 Web 技術(shù)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(xiàn)對現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

2.2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(dāng)前所處地區(qū)天氣環(huán)境。

• 下位機可以根據(jù)當(dāng)前環(huán)境信息，自動實現(xiàn)補光、通風(fēng)、灌溉、報警功能，來實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)。

• 通過云服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸在web端可視化界面上面實時顯示當(dāng)前大棚中的環(huán)境狀態(tài)。

• 在web端可以手動控制實現(xiàn)補光、通風(fēng)、灌溉功能。

• 在web端可以實時顯示數(shù)據(jù)曲線，并且?guī)в写鎯?shù)據(jù)的功能，存儲的數(shù)據(jù)包括四部分，分別是溫度、濕度、光照強度和土壤濕度，數(shù)據(jù)保存到csv文件中，方便后續(xù)對數(shù)據(jù)分析處理。

2.3系統(tǒng)功能模塊劃分

本系統(tǒng)設(shè)計如下圖所示，采用四層物聯(lián)網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。其中，系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)檢測功能被劃分到感知層，負(fù)責(zé)完成溫濕度、光照強度、土壤濕度等環(huán)境信息采集任務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層包括網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)系統(tǒng)，同時將云服務(wù)器的信息或指令下發(fā)給感知層設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層使用Wi-Fi通信方式接入網(wǎng)絡(luò)，采用MQTT（編者注：Message Queuing Telemetry Transport 消息隊列遙測傳輸協(xié)議的英文縮寫）協(xié)議等推送數(shù)據(jù)信息到平臺層和應(yīng)用層。云服務(wù)主要支持平臺層功能，負(fù)責(zé)設(shè)備管理、命令下發(fā)、信息存儲等管理功能。應(yīng)用層則利用云服務(wù)器提供的服務(wù)或手機等用戶終端來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化及客戶交互。

2.4系統(tǒng)功能邏輯

本系統(tǒng)的功能邏輯如下圖所示。設(shè)計方案以小熊派鴻蒙開發(fā)板為核心實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)包括系統(tǒng)外設(shè)初始化、網(wǎng)絡(luò)接入、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上報等功能。平臺層和應(yīng)用層功能則由云服務(wù)器和小熊派鴻蒙開發(fā)板協(xié)同實現(xiàn)。

2.5項目展示

先看照片和視頻：

3.1 硬件總體框架

3.2主控芯片

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。

• 采用IoTCluB的E53接口標(biāo)準(zhǔn)，可接入所有的E53案例擴展板。

• 主控為WiFi SOC Hi3861，160MHz主頻，SRAM 352KB、ROM 288KB、2M Flash。

• 板載NFC Forum Type 2 Tag芯片及天線，可實現(xiàn)HarmonyOS“碰一碰”功能。

• 一根TypeC USB線，即可實現(xiàn)供電、下載、調(diào)試等多種功能。

3.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用SHT30，支持2.4V供電，通信協(xié)議采用IIC。

3.4 光照傳感器

光照傳感器采用BH1750，支持2.4V供電，通信協(xié)議采用IIC。

3.5土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器，表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應(yīng)面積，可以提高導(dǎo)電性能，通過比較放大器LM393輸出，使用ADC進行數(shù)據(jù)的采集。

3.6其他硬件

電源管理模塊采用LDO（編者注：Low-Dropout Regulators 低壓差線性穩(wěn)壓器的英文縮寫），穩(wěn)壓電路分為兩部分，分別是穩(wěn)壓5V電路和3.3V電路。

補光燈、水泵、風(fēng)扇通過開發(fā)板IO口外界三極管驅(qū)動電流放大電路實現(xiàn)控制。

4.1 開發(fā)環(huán)境簡介

軟件開發(fā)在OpenHarmony內(nèi)核抽象層之上進行。內(nèi)核抽象層為用戶提供進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理和外設(shè)管理等操作系統(tǒng)功能。鴻蒙的內(nèi)核抽象層支持CMSIS（編者注：Cortex Microcontroller Software Interface Standard 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)的英文縮寫）應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)接口，本次開發(fā)采用輕量級系統(tǒng)中常用的CMSIS標(biāo)準(zhǔn)。

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(yīng)用程序使用C語言編寫，在VSCode上實現(xiàn)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。

4.2環(huán)境參數(shù)檢測

環(huán)境參數(shù)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(xiàn)。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(dāng)光照強度過低或者溫度、濕度超標(biāo)時，會引起報警以及風(fēng)扇轉(zhuǎn)動、開啟水泵等操作，流程如下圖所示：

4.3Wi-Fi通信

核心開發(fā)板通過所使用到的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)后，需要通過WiFi聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)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：

4.4MQTT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(wǎng)絡(luò)層上的傳感器與平臺層、應(yīng)用層提供實時消息服務(wù)。MQTT協(xié)議開銷低，帶寬占用小，易于實現(xiàn)，在物聯(lián)網(wǎng)工程中應(yīng)用廣泛。作為MQTT協(xié)議的客戶端，開發(fā)板上需要布置相關(guān)業(yè)務(wù)代碼，主要包括網(wǎng)絡(luò)連接信息結(jié)構(gòu)體定義、MQTT 客戶端信息結(jié)構(gòu)體、MQTT 客戶端初始化、MQTT客戶端連接代理服務(wù)器、訂閱MQTT消息、發(fā)布MQTT消息等。這些業(yè)務(wù)代碼，本文的設(shè)計采用鴻蒙系統(tǒng)項目下的第三方代碼進行布置。

本文設(shè)計的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，硬件選用海思Hi3681處理器的輕量級終端，具有數(shù)據(jù)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(wǎng)解決方案，網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)代碼選擇OpenHarmony下的第三方代碼。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)最終實現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上報和指令下發(fā)等功能，驗證了設(shè)計方案的正確性。系統(tǒng)雖然實現(xiàn)功能，但仍然存在不足之處，后續(xù)將加強應(yīng)用層上的數(shù)據(jù)可視化及環(huán)境參數(shù)控制等相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計方面的工作。

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