智慧农业中的物联网结构的设计与研究

◎高尚 贾雪

一、研究背景

当今社会，人工智能是科技潮流，而物联网也逐步进入了家家户户，应用到了各个领域。而我国作为农业大国，但是如今从事农业生产的年轻人越来越少，长此以往，大量流失的农业生产劳动力必定不能满足机械化生产所需的劳动力，农业生产必将走上一条没有劳动力的智慧化生产的新道路。

物联网技术是智慧农业的基础。所谓智慧农业系统就是通过物联网采集数据，控制并训练智能化机械设备，以达到农业系统智慧化管理的目的。纵观我国农业发展历程，从传统农业的手工生产到机械农业的机械化生产，虽然减轻了人力的劳动负担，但依旧是以人为主来获取农作物信息的，依旧需要消耗大量的人力物力，而且实时性差，工作效率低。所谓智慧农业系统就是用智能设备和各种传感器取代人力来收集农作物信息，甚至可以控制通过物联网的智能化农业生产机械进行一些工作。不但大大降低了人力资源消耗，还可以大幅度提升工作效率。必能促使农业生产步入时代新潮流。

二、系统设计

1.总体设计思路。

本设计主要研究关于智慧农业系统的数据传输以及信号处理部分，传感器的分布与算法暂不讨论。本设计的设计思路就是"简便"，而对于一个系统而言，所谓简单，不过是不需要搭建系统，秉着这一思路，充分利用物联网无线、不受距离限制的优势，把智慧农业系统拆分成块，每一个块都是一个单独的智慧农业系统，组合到一起就是一个功能更多的系统。

这部分的设计模式可以理解为一个项目小组的群聊，群聊里有组长和组员，组长可以在群里发布任务并指定某个组员，关注着组长的组员们通过组长发的消息来确认组长指定的是不是自己并作出相应的反馈发布到群里。这个模式其实就是智慧农业系统应用到的MQTT 通信协议，即发布/订阅型消息协议。也就是说，该系统的结构只有两层：服务器和客户端。服务器就是一个群聊，客户端分为组长客户端和组员客户端。

2.MQTT 通信协议。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的"轻量级"通讯协议，该协议构建于TCP/IP 协议上，由IBM 在1999年发布。MQTT 最大优点在于，小型传输，开销很小（固定长度的头部是2 字节），协议交换最小化，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。非常适合在物联网领域进行传感器与服务器的通信或者信息的收集，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。

3.系统结构设计。

本设计以MQTT 通信协议进行数据交互，以百度天工物接入物联网云作为服务器，创建智慧农业系统模型，创建客户端实例，并授予所有实例发布订阅权限。手机电脑终端可以查看并控制全部客户端及数据。

以ESP8266 芯片作为开发的核心。其本身作为32-bit 的MCU 并兼具网络功能，可以大幅度降低开发成本。基于ESP8266 可以设计出室内终端，监控云台，温度、湿度、光照度等传感器模块。

室内终端：可以参考为组长客户端，即利用ESP8266 的网络功能，接入服务器，接收已订阅的其他客户端发布的消息或者音视频流并存储到本地，再由ESP8266 的MCU 打印到相应的显示器上。也可以把控制信号通过MCU 转换为控制信息，再通过网络功能把控制消息发布给服务器上相应的客户端。

控制云台和传感器模块：可以参考为组员客户端，即利用每个客户端的ESP8266 的网络功能接入服务器，接收订阅的组长客户端，即室内终端发布的控制消息，解析并作出相应动作。也可以把该客户端本身的传感器采集到的信息通过MCU 转为消息，通过网络功能把该消息发布到服务器上。

三、系统特色

本设计的最大特点就是将智慧农业的系统结构个体化，使用时可以任意选择需要的传感器及其他模块的种类和数量。功能的本质则是利用了MQTT 消息协议的消息订阅/发布原理：所有客户端都是把自身的消息发布到服务器，组长客户端订阅所有的其他客户端的消息，同时也可以向所有客户端发布消息。所有组员客户端都只订阅组长客户端的消息，只能接收组长客户端的消息或者向组长客户端发布消息。这样就可以最大限度的降低系统内各个模块的耦合度，不需要搭建，方便更新升级系统功能，实现系统结构个体化。

四、总结

本篇文章仅讨论了智慧农业系统中的物联网实现的相关问题，是智慧农业设计的一部分。对于智慧农业而言，物联网只是其“智慧”，而“农业”才是其根本，所以理想中的智慧农业是在此基础上，还可以实现根据农田土壤情况分析出可以种植哪些农产品，能根据农作物生长趋势自动施肥灌溉等功能。然而实现这些功能不仅需要有一套完善的算法，执行灌溉施肥等任务的机械也需要考虑接入服务器，形成整体的物联网。这些都是本设计将面临的难题。但是智慧农业在未来社会中有着广阔的发展前景，在农业生产力大幅减员的二十一世纪，智慧化农业生产必将是农业生产发展的主流，亦是人们心中向往的社会。