【項目名稱】基于OpenHarmony的智慧農業環境監控系統設計

【項目負責人】：張銘哲

1、項目描述

環境監控和自動化控制是農業生產中不可或缺的環節，作物的生長環境監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，將農業環境監測與云平臺相結合，打造智慧農業云平臺，可以使勞動力和生產率得到進一步的釋放和提升，進一步促進農業的現代化發展。該項目基于OpenHarmony系統，以海思微處理器開發板為感知層核心，利用國產開源OpenHarmony操作系統開發環境參數檢測、網絡連接等應用。以云服務器為基礎構建智慧農業系統服務平臺，實現云平臺與傳感網絡系統的通信連接管理等；構建遠程信息管理和控制的 Web 應用平臺。充分利用互聯網和 Web 技術為用戶提供實時監測、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控和管理。

2、項目方案簡介

系統物聯網模型功能劃分：

本系統設計如下圖所示，采用四層物聯網模型結構，即感知層、網絡層、平臺層和應用層。其中，系統的環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，同時將云服務器的信息或指令下發給感知層設備。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、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。

系統的功能邏輯：

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

系統框圖如下圖所示：

系統硬件部分介紹：

**主控芯片：**MCUv采用Bear Pi-HM Nano開發板，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穩壓電路分為兩部分，分別是穩壓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,風扇通過開發板IO口外界三極管驅動電流放大電路實現控制。

系統軟件介紹：

1. 軟件開發及其工具

軟件開發在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、網絡管理和外設管理等操作系統功能。鴻蒙的內核抽象層支持CMSIS應用程序標準接口，本次開發采用輕量級系統中常用的CMSIS標準。

本項目開發環境布置在Window以及Linux操作系統上面。系統編譯環境在Linux系統性建立，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，開發環境還需要安裝npm和hpm等鴻蒙操作系統的組包和發行版管理工具。

2. 環境參數檢測

環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境信息通過MQTT協議上傳到云端,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

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

4. MQTT協議

消息隊列遙測傳輸協議，是一種基于TCP/IP協議的即時通訊協議，采用發布、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協議開銷低，帶寬占用小，易于實現，在物聯網工程中應用廣泛。作為MQTT協議的客戶端，開發板上需要布置相關業務代碼，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、發布MQTT消息等。這些業務代碼，本文的設計采用鴻蒙系統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天氣環境。

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

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境狀態。

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，并且帶有存儲數據的功能，存儲的數據包括四部分，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，方便后續對數據分析處理。

4、項目功能展示

系統外觀展示：

系統運行中：

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

本文設計的環境參數監測系統設計，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操作系統上進行開發，采用物聯網解決方案，網絡通信業務代碼選擇OpenHarmony下的第三方代碼。系統測試結果表明，該系統最終實現了環境參數數據采集、數據聯網上報和指令下發等功能，驗證了設計方案的正確性。系統雖然實現功能，但仍然存在不足之處，后續將加強應用層上的數據可視化及環境參數控制等相關業務邏輯設計方面的工作。

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