基于AIOT的华为鸿蒙智慧农业灌溉系统研究

1 智慧农业灌溉系统

利用无线通信技术在农作物生长环境搭建多个基于ZigBee 无线传感网络节点，等时间隔监测农作物周边生长环境的信息要素。光合作用是农作物生长最重要的过程，传感器对光照度、生长环境温度和 CO2 的含量数据采集后，将数据通过无线传感网络发送到控制中心进行评定。物联网技术中的微型传感器技术结合嵌入式技术，让农作物成长要素信息数据在设定的阈值范围内，智能优化农作物生长环境。

2 系统总体方案设计

开发基于华为鸿蒙智慧农业的综合性环境智能监测嵌入式系统，实现对作物生长全周期多维度环境参数的精准采集与智能管理。系统集成多源异构传感器，对空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、土壤pH 值以及土壤氮、磷、钾含量等关键因子进行实时感知与采集，全面覆盖影响作物生长发育的核心环境变量。来监测农作物生长，通过改变温度来调控农作物的生长周期。

在通信架构方面，系统采用部署于监测区域的ZigBee 终端节点负责采集各类环境数据，依托其自组织、低功耗和多跳传输的特性，构建覆盖范围广、穿透能力强的传感网络；数据汇聚至协调器后，经由STM32/STC 等系列高性能微控制器进行边缘侧的数据预处理与协议转换，再通过WiFi 模块以TCP/IP 协议接入互联网，实现监测数据稳定、高效地远程透传。数据处理层搭载轻量级嵌入式算法，可对原始传感器数据进行滤波、校正与融合，提升数据可靠性与可用性。数据上传至云平台，用户可通过远程PC 或移动终端上的 Web 应用界面，实时查看环境参数变化趋势、设置预警阈值，并支持对环境调控设备（如灌溉、卷帘、风机、补光等）进行远程手动或自动化智能控制，为实现精准农业与智慧种植提供数据支撑。云平台基于Python 后端与 Web 前端技术开发，采用B/S 架构，支持跨设备、跨平台访问，界面友好且响应迅速。

整个系统具备集成度高、扩展性强、部署灵活及成本可控的显著优点，可广泛应用于温室大棚、田间农田及科研实验等场景，有效提升农业环境监测的智能化水平和生产管理效率。

3 系统采集终端硬件设计

智慧农业监测系统构建了一套完整且高效的农作物生长状态与环境参数监测解决方案。该系统设计良好的兼容性与可扩展性，可稳定运行于Windows、MacOS 及Linux 等多种操作系统平台。系统前端由固定数据采集节点与移动拍照节点共同组成，形成异构无线传感网络。固定节点配备多类传感器，实时采集关键环境参数，作为系统的感知终端。协调器节点负责网络组建、链路维护及终端数据的汇聚，实现传感网络的自主管理与可靠运行。

为增强对作物生长状态的直观感知，系统集成移动拍照模块，可依据用户指令或预设策略进行定时、定点的图像采集，并通过无线网络回传现场画面，为用户提供更为可视化的农情监测手段。所有前端节点采用MAC地址与网络地址双重标识机制，不仅便于节点身份认证与数据溯源，也极大方便了网络部署、维护与故障定位。

用户可通过VNC 远程桌面技术访问位于监测现场、以嵌入式微处理器（如ARM Cortex-A 系列）为核心的控制终端，实时查看系统状态、传感器数据及图像信息，并可对监测策略进行远程配置。系统上位机监测界面采用Python 语言结合PyQt5 框架开发，在 PyCharm 集成环境中完成设计与实现，提供跨平台的一致用户体验。该系统显著降低了对人工巡查的依赖，提升了农业环境监测的自动化与智能化水平，为实现精准农业管理与农业生产效率的提升提供了可靠的技术支撑。

3.1 监测系统数据采集模块

传感器模块包括环境和土壤两大部分。环境监测模块采集空气温湿度，CO2 气体，光照强度数据。土壤监测模块监测内容包括土壤温湿度、PH 值、土壤氮磷钾含量。

3.2 环境温湿度监测模块

采用低功耗，高稳定性数字传感器DHT11 进行环境数据采集。采集数据过程中会自动校准，测试结果准确性较高。采用BH1750FVI 传感器采集环境中空气温湿度和光照强度的数据，每隔一个时间段向集中器上报采集的农作物生长环境数据。

3.3 土壤 PH 值监测模块

PH-5019 常用的电极性 PH 值传感器广泛应用于耐强酸强碱，耐高温环境，成本较低。工作原理是参比电极与测量电池发生反应产生电势差，将信息传递到传感器内部，分析测算显示出PH 值。依托土壤pH 传感单元，实现对土壤酸碱度的实时数据采集、动态监测与变化趋势分析，为精准施肥与土壤健康管理提供科学依据。从而根据分析结果及时调整土壤结构。

3.4 固定节点电源供电设计

固定节点供电模块工作在农田或者农业大棚监测系统中，常采用低功耗和环保持久的设计方案。本系统结合更具适配性的蓄电池和USB 供电混合方式，正常情况下 USB 对固定节点进行供电，一些特殊情况可重复利用的蓄电池对固定节点充电，适应各种复杂环境监测减少干电池对环境的污染。

4 系统控制终端设计

控制模块设计。主要包括智能控制模块、无线通信模块、精准灌溉模块、电磁阀控制模块以及电源模块。环境监测系统控制终端主要采用功耗低、安全性高的LoRa 网关芯片，实现大规模无线组网控制模块，采用MCU内核与射频收发器集成系统级芯片 SoC 控制器。MCU 系统芯片和射频收发器LoRa 实现无线通信，进行监测数据的接收和发送。应用层开发移动应用端 APP 程序和微信小程序配置功能，配置环境参数，感知层获取并上传采集数据，通过对汇总数据的进行分析，实现设备自动控制和警告信息推送。

控制终端电源设计。持续供电以便完成接收命令和控制功能的工作状态，采用两路供电，3.3V 电源为LoR线 SoC 控制器供电，5V 电源为继电器供电。

5 实验测试及结果分析

对整个系统进行功能测试。终端数据采集能够正确的完成空气温湿度、光照强度环境数据采集。传感器节点能够完成土壤环境数据和电池电量数 并依托L 关的低功耗与远距离传输优势，将数据稳定上传至物联网云平台，实现对设备状态的远程 传感器节点功耗测试，控制终端射频功能测试分析，控制终端通过物联网平台或者应用程序数据配置功能，能够完成继电器控制电磁阀开启和关闭，满足设计需求。

参考文献

[1]刘昊, 隋美超. 互联网+农业模式在我国农业经济发展中的现状问题及对策[J]. 农业与技术, 2021,54-157.

[2]司海飞, 杨忠, 王珺. 无线传感器网络研究现状与应用[J]. 机电工程, 2011, 28(1): 16-20.

[3]马永海, 胡庆毅, 杨立凡, 等. 智慧农业发展现状及前景分析[J]. 现代农业研究, 2021,27(11): 11-15.本文为河北省高等学校科学研究项目《基于 AIOT 的华为鸿蒙智慧农业灌溉系统研究》(项目编号：ZC2024058)阶段性研究成果。