摘要：为了给智慧农业做支撑，研究了一套基于物联网的气象数据自动采集系统。设计了系统总体结构，对关键硬件进行了分析选型 ；设计了软件处理流程，并完成了系统集成和测试。用户安装完此系统，可在 LED 屏幕上直接看到当前气象数据。系统通过各种气象传感器采集气象数据，再汇总到集线器上 ；然后通过网关对传感器数据进行处理 ；最后通过网关的 4G 模块上传到服务器，并通过 LED 显示当前气象数据。通过测试发现，该系统可以实现预期功能，并且能够稳定运行，为农业生产提供很大帮助，具有很大的推广价值。
关键词：物联网 ；气象数据 ；传感器 ；网关 ；4G ；LED ；
0引言
为了服务农业、建立智慧农业、全面提高农业信息化水平，使传统农业变成现代化农业，再到智慧农业，市场上涌现出一大批高新科技公司，涉及传感器、物联网、信息化等，这些新型技术已逐渐应用于农业设施[1]。社会已经进入信息化时代[2]，在智慧农业这一体系中，数据的采集是非常重要的环节，尤其是气象数据的监测[3]。要想实现农业的精细化、科学化管理，这些是必不可少的参考数据[4]。在这些系统和数据的支持下，农业从业者能进行科学决策，摆脱传统的盲目决策的局面。因此能够准确监测气象数据变得非常重要。农业上主要运用到的气象数据包括风速、风向、降雨量、空气温湿度、光照强度、CO2浓度、土壤 PH 值、土壤温湿度、EC 值等。在现代科学技术条件下，做出监测以上参数的传感器早已不成问题，现在已经开始朝着更加稳定、智能、抗干扰方向发展，并且可以根据用户需求进行定制开发。对于物联网公司而言，这将大大减少开发成本，提高系统集成性，大大缩短产品研发周期，更好更快地服务于智慧农业。乡村大多是农田与农民处于两地状态，农民居住在一起，农田在相对比较空旷、偏远的地方。因此农民想要查看农田的干旱程度、土壤温度等就必须要亲自到农田才可以，而且只能依靠人们的经验来判断和决策[5]，导致浇水、施肥量不能达到作物最适宜的范围[6]，进而导致农民种田成本上升，收入降低。
1系统总体结构
本文设计了一款全自动、无人看守的农田气象数据监测系统，系统主要由气象站支架台、传感器、集线器、网关、LED 显示屏、锂离子可充电蓄电池、太阳能电池板等部件组成。系统整体架构如图 1 所示。
2硬件设计
硬件部分主要由传感器、集线器、网关等组成。
2.1 传感器
下面介绍本系统所用的主要传感器。（1）光照和温湿度三合一传感器光照和温湿度三合一传感器广泛适用于农业大棚、花卉培养等一些需要光照度及温湿度监测的场合。该传感器内部集成度高、抗干扰能力强、美观大方、安装方便。采用 12 ～ 24 V DC 供电，平均功耗为 48 mW，通信方式为 RS 485。（2）风向传感器风向传感器体型小巧、轻便、便于组装，只需占用较少的空间即可，方便施工，可以有效捕获外部环境信息 ；壳体采用优质铝合金型材，具有很强的抗腐蚀性，特别适合于室外极端环境。已被广泛应用于温室、气象站、船舶、码头等一系列风向测量环境。风向测量范围为 0 ～ 360°，测量精度为 1°。通信方式为 RS 485，功耗小于 1 W。供电电源为12 ～ 24 V DC。（3）风速传感器本系统采用的这款风速传感器体型小巧轻便，易于现场安装，壳体采用铝合金型材，具有很强的防腐蚀性，非常适合应用于极端环境下的气象监测 ；同时内部采用顺滑的轴承系统，可使传感器数据非常稳定可靠，适用于矿区、码头、气象站等需要测量风速的场合。供电电源为 12 ～ 24 V DC，平均功耗为 40 mW，通信方式为 RS 485。（4）土壤 EC、湿度、温度三合一传感器土壤 EC、湿度、温度三合一传感器适用于测量土壤温度、水分以及土壤盐分含量（电导率）的场合。同时对三者进行测量，集成到一个传感器上，大大降低了用户的成本，缩小系统的体积，极大地方便了客户 ；精度高，输出稳定，适用于科学实验、温室大棚、牧场、田园等。供电电源为 12 ～ 24 V DC，平均功耗小于 0.15 W，通信方式为 RS 485。（5）雨量传感器雨量传感器用于测量降雨量，将降雨量转换成电信号的形式进行传送，满足人们的需求，观测降雨量的大小。供电电源 12 ～ 24 V DC，平均功耗 85 mW，通信方式为 RS 485。
2.2 485 集线器
RS 485 通信具有良好的电气性能，抗干扰能力强，而且通信距离可达 3 000 m，在实际应用中具有非常大的优势。RS 485 总线最多可以连接 128 个收发器，这就大大增加了其可扩展能力，非常有利于在工业相关领域采用[7]。优良的抗噪声干扰能力、长的通信距离以及强大的可扩展能力，使其在很多场合被广泛使用，因此本系统也采用此通信方式作为沟通传感器与网关的桥梁。本系统是通过 485 通信方式的集线器将各个传感器的数据汇总到一条 485 通信标准的数据线上，然后再将这条数据线连接到网关上，最后交由网关对传感器数据进行耦合处理，并通过 4G 模块上传到服务器。2.3网关网关主要由信息处理模块、4G 模块、继电器模块等组成。信息处理模块是把采集后的传感器数据进行分析，通过分析 0、1 高低电平来实现对传感器数据的实时读取。4G 模块是本系统上传数据的主要模块。通过流量卡与移动、联通或者电信基站连接，通过内部程序连接服务器，然后把信息处理模块的数据上传到指定服务器。当与指定服务器建立连接后，即可在 MQTT 平台对数据进行下发和订阅，实现对数据的远程操作，从而实现物联网[8]。继电器模块为后期扩展相应功能预留的端口[9]，目前未接入设备。继电器的功能是用小电流控制大电流[10]。通过控制线圈的通断来实现触点状态的改变，通过常开、常闭触点的改变来实现想要的功能，比如充当开关功能接入电动机等[11]。本系统采用的网关如图 2 所示。
3软件设计
考虑到农田基本上都处于偏远地区，大面积铺设电力电缆不太现实，而且农田一般没有 Wi Fi 网络，但一般都有手机通信基站。因此采用 4G 模块作为本系统的通信方式，对采集到的传感器数据进行读取和转换，并通过网络上传到 MQTT服务器，然后进行数据的操作。还可在 PC 端连接网关，配置数据上传周期、查询历史数据等。系统软件处理流程如图 3 所示。
4调试与测试结果
经过传感器、电源系统、网关等的搭建，最终实现了系统的稳定运行。完整接线测试系统如图 4 所示。图 5 为安装到现场的实际图。表 1 所列是实验测得的数据。
5结语
本文设计的气象监测系统通过各种传感器采集数据，经485 集线器将传感器数据汇总后连接到网关上 ；然后通过 4G无线模块将数据上传发送到服务器 ；最后服务器对数据进行处理，并通过 LED 显示屏进行显示。系统稳定可靠、功耗低、采集数据准确，能够满足人们的需求，为农户增产增收提供有力的保障。
作者：李臣辉 王祖良 单位：西京学院 信息工程学院
