基于传感和互联技术的智慧乡村综合信息监管系统研发

张文彪，何亮，张俊辉，崔孟凯，胡安正，陈传亮

（湖北文理学院 物理与电子工程学院，湖北襄阳，441053）

0 引言

随着物联网和信息科技迅猛发展，人类社会已迈入了移动物联网时代，无线通信、图像传输等技术都得到了迅猛发展，各种技术在人们的日常生活中得到了广泛的应用。如何将摄像头的无线图传、无线通信等物理原理及相关技术应用于美丽乡村，已经成为研究的热点之一。在获取准确的环境信息、无线信息传输等方面，仍存在许多待探讨的物理原理和急需解决的技术问题。对此，本项目设计了一种基于5G、无线传感和互联等新技术的智慧乡村综合信息监管系统。

1 信息监管系统总体设计思路

该智能乡村管理系统的整体构想主要包括以STM32F103RCT6 单片机作为主体平台。通过RM500U-CN 5G 全网通无线透传模组进行远程双向通信，将传感器模块采集到的数据进行汇总整理上传到阿里云IOT 物联网平台、远程遥控和手机APP。同时，摄像头OV7670 每隔一段时间采集一帧图片，并通过RM500U-CN 模块传输到远程上位机，实现多平台智能化管理乡村。主体平台部分采用STM32F103RCT6 作为主控处理器，基于土壤检测模块、荧光法溶解氧传感器等多种模块，利用5G、物联网、无线图像传输等技术，来实现以下功能：土壤酸碱度、土壤湿度、水位、水质、温湿度等情况的监测、空气质量监测、实时查看作物生长情况、APP 提醒、手机短信通知等。此外，系统支持多个乡村的数据共享，并通过多个RM500U-CN 模块进行组网，符合当前互联网万物互联的趋势[1]。

图1 系统总体方案框图

2 监管系统的结构组成、工作原理介绍

■2.1 MCU 主控模块

本次选用的微控制器是意法半导体公司生产的STM32F103RCT6。这款控制芯片的内核规格为32 位，主频频率72MHz，程序的内存类型为flash，具有256KB 的闪存存储器，以及48KB 的SRAM 随机存储器。该单片机还配备了3 个12 位模数转换器，转换时间仅为1μs，可支持多达21 个输入通道。此外，该单片机还拥有2 个12 位D/A 转换器、112 个快速I/O 口、11 个定时器和13 个通信接口，其中包括2 个I²C 接口、SPI 接口、3 个USART 接口、一个USB 接口和一个CAN 接口。支持三种低功耗模式，可以在低功耗，短启动，多种唤醒模式下寻找平衡。在用户没有需求时，切换到低功耗模式，用户若需要查看数据，可远程唤醒单片机进行工作。

■2.2 摄像头成像原理及运用

景物通过 Lens 生成的光学图像投射到 sensor 表面上， 经过光电转换为模拟电信号， 消噪声后经过 A/D 转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片（DSP）中加工处理（DSP 芯片中会有ISP-图像信号处理器、JPEG encoder-JPEG 图像解码器等）[1]。所以，从 sensor 端过来的图像是 Bayer 图像，经过黑电平补偿（black level compensation）、镜头矫正（lens shading correction）、坏像素矫正（bad pixel correction）、颜色插值 （demosaic）、Bayer 噪声去除、 白平衡（ awb） 矫正、色彩矫正（color correction） 、 gamma 矫正、色彩空间转换（RGB 转换为 YUV）、在 YUV 色彩空间上彩噪去除与边缘加强、色彩与对比度加强，中间还要进行自动曝光控制等，然后输出 YUV（或者 RGB）格式的数据，再通过I/O接口传输到CPU 中处理。

图2 摄像头模组

该方案采用摄像头OV7670，采集附近农作物图像，由STM32F103RCT6 单片机将摄像头OV7670 采集的农作物的图像每隔一段时间传给RM500U-CN 模块，然后由RM500U-CN 模块将图像传给上位机，供用户查看农作物生长情况。

■2.3 土壤检测模块

土壤检测模块是一种多合一传感器，可测量土壤PH、EC、温湿度、二氧化碳浓度、光照度、空气温湿度。探针选用奥氏体不锈钢材料制作，具有良好的防锈、耐电解、耐腐蚀特点，适合各种土质。探针与机体之间使用高密度环氧树脂，高温真空浇灌，可有效阻止水分进入机体内部。线缆加粗，抗干扰能力强，信号传输更稳定。

■2.4 荧光法溶解氧传感器模块

荧光法溶解氧传感器（如图3 所示）无需更换膜片、频繁校准，长期免维护、使用安装方便、反应灵敏，适用于工业水质检测、水产养殖监测、江河湖海水质参数监测等维护不便利且需要长期监测的场景。

图3 荧光法溶解氧传感器实物图

3 系统软件设计

■3.1 软件设计总体方案

本此项目将传感器模块，摄像头OV7670 采集到的数据进行汇总整理上传到阿里云IOT 物联网平台、远程遥控和手机APP，在系统运行过程中，主RM500U 模块接收到来自乡村的其他RM500U 模块的综合信息，单片机对其信息进行汇总整理后，通过ESP8266 与手机APP 建立连接，进行数据传输，手机APP 能够及时显示平台反馈的信息。图4 为系统软件设计总体方案。

图4 系统软件设计方案

■3.2 RM500U-CN 模块数据传输

STM32 控制器将处理好的农作物生长环境数据通过串口与RM500U-CN 模块（如图5 所示）建立连接，由RM500U-CN 进行TCP 数据透传。由于传输的数据的种类数量较多，所以需要通过软件算法对丢包、信息准确度一般等问题进行解决与优化后，将数据发送到遥控器和阿里云、原子云平台，用户可在阿里云、原子云平台查看到以往数据以及数据发展趋势[2]。RM500U-CN 模块支持移动 5G、联通 5G 和电信 5G 手机卡，进行网络传输，传输距离不受限制，同时支持发送短信。相比于传统5G 模组，不用去配置复杂的AT指令，使用移动网络与服务器建立连接，在微信小程序、手机APP 中查看数据。

图5 RM500U-CN 模块

■3.3 无线遥控

远程遥控由STM32F103RCT6 单片机、STM32 是通过串口连接上RM500U-CN 模块、OLED 屏组成，可查看各地作物生长环境数据，下发具体的指令。RM500U-CN 模块接收到多个数据采集点的RM500U-CN 模块传输的多个数据，对数据进行分类解析，并且对预警数据赋予优先级，用户依次下发对应指令。如荧光法溶解氧传感器模块检测到乡村某处鱼塘的含氧量低于设定阈值，则会通过鱼塘的RM500UCN 模块向管理系统发出预警信息，提示用户开启鱼塘增氧泵，用户则通过遥控的按键切换OLED 菜单，选择不同的模式，来开启对应鱼塘的增氧泵。土壤检测模块检测到蔬菜大棚的温度低于设定阈值，也是通过大棚内RM500U-CN模块向管理系统发出预警信息，用户接收到信息后，下达开启对应大棚的暖气系统。乡村农业通过多个RM500U-CN模块进行组网，实现多路连接，完全独立，互不影响，管理系统主机自动下发指令，各地从机返回有效数据，减少了开发周期，减少服务器查询压力，实现了乡村的智能化管理。远程遥控程序设计框图如图6 所示。

图6 无线遥控程序设计框图

■3.4 阿里云IOT 物联网平台的连接

利用MQTT 协议接入阿里云，MQTT 是基于TCP/IP 协议栈构建的异步通信消息协议，是一种轻量级的发布、订阅信息传输协议。可在不可靠的网络环境中进行扩展，适用于设备硬件存储空间或网络带宽有限的使用场景，使用MQTT协议，消息发送者与接收者不受时间和空间的限制。利用阿里云IOT 创建物联网设备，获取该设备三元组，将STM32单片机通过ESP8266 接入互联网，移植阿里云提供的函数文件，替换连接使用的三元组，验证是否连接成功，将数据节点与对应的回调函数绑定，编写用户控制函数，测试投入使用[3]。阿里云提供了与物联网平台相对接的网页应用，用户可以通过在编辑器上进行绑定设备，通过拖拽组件到画布上进行配置样式、数据源和交互动作等，即通过图形可视化的方式进行手机相关应用和WEB 的开发。设备端通过订阅云服务器，云服务器接收到APP 或Web 消息后推送至订阅它的设备端，设备端也可以通过MQTT 协议发布属性到服务器，这样订阅这个设备的应用就会收到服务器的推送，将数据进行解析后显示在APP 上。在统计页面中，系统统计了一个月内蔬菜大棚内温度等数据，并绘制成曲线图形式（如图7 所示），用户在使用过程中可以明显观察到变化规律并更改设定的阈值，来实现智能化管理控制。

图7 阿里云web 页面统计图

■3.5 智能管理系统配套手机APP

手机APP 采用的是机智云平台的APP，首先是数据点的创建，自定义数据点，含有功能说明意义的显示名称，如：开关、温度，湿度，预警，故障等。使用标识名用来区分不同功能的数据点，方便系统区分不同的数据信息，常在用户端和云平台开发时进行使用。命名方式也是根据开发语言变量名命名制而制定的，通常是由英文字母、数字和下划线组成，开头只能是英文字母。智能化乡村管理系统对农业进行智能管理，利用手机APP 设置目标温度、湿度、氧气含量，设置报警阈值的一个智能监控系统。应用开发，根据用户所使用的平台，选择所需要的平台源码，可以自动生成APP 的源码，打包后便可直接安装到手机上运行。也可以在源码的基础上修改，通过自己的创意来设计APP，从而达到更好的效果。MCU 开发，机智云平台可以根据选定的硬件平台，以及方案类型，生成MCU 在开发过程中所需要的代码，实现机智云平台与MCU 的快速接入。因此可以跳过通讯协议，通过移植生成的源码便可快速开发硬件程序。手机APP 界面如图8 所示，系统实物图如图9 所示。

图8 手机APP 界面

图9 系统实物图

4 结束语

乡村振兴是党中央提出的战略，乡村农田的土壤酸碱度、土壤商情、水位、水质、温湿度和空气质量等综合信息的智能化监测和管理是实现智慧乡村和农业现代化的重要基础。本项目基于5G 技术、传感器技术和物联网技术的乡村综合信息监管系统研发，使乡村管理者和户主不受时间、空间等条件的限制，实现足不出户就能对农作物的生长状况等乡村重要农业生产信息进行综合监管。在本研究的基础上，未来的发展方向将集中在智慧乡村环境信息智能化管理系统的构建上。这一系统将进一步提高乡村管理者和户主对农业生产信息的可视化监管能力，同时也为乡村的可持续发展提供更多机会。