物联网+技术实现果园交互式远程监控喷灌系统

针对以上己有研究中出现的问题，本文设计和开发了一种物联网+Unity3D可交互智能化虚拟现实 果园种植远程监控控制系统。该系统具有数字化、网络化、虛拟与现实的深度融合的特点。系统硬件釆 用STM32系类单片机、2.4G无线模块，虛拟仿真应用程序的开发选用Unky3D引擎移动开发平台。整个系统包括底层部分和顶层部分。其中，底层部分的功能是：对果树进行实时信息采集和控制，顶层部 分的功能是实现虚拟漫游、实时信息显示、远程控制功能。顶层部分和顶层部分通过GPRS模块进行数据交换和传输。

 

 

2.系统总体结构和功能设计 

2.1.总体结构设计

 

可交互智能化果园种植虛拟现实监控控制系统由底层部分和顶层部分组成， 如图1所示。底层部分包括：核心控制器STM32系类单片机、2.4 G无线模块、土壤湿度传感器、空气 温湿度传感器、485通信模块、GPRS模块、继电器模块、水泵、水管、喷头。顶层部分包括：PC端和 手机APP。

 

土壌和空气环境信息采集部分采集部分:采用主一从机模式，主从机均釆用STM32F103系列单片机， 主机采集空气环境的温湿度和其所在区域的土壤湿度信息，从机负贵采集其他区域的土壤湿度信息，并 且通过2.4 G通信模块与主机通信，实现一主机多从机的模式，主机收集到各区域的环境信息后将数据发送给上位机。

 

底层控制系统的设计与开发：电磁阀一端通过水管连接水泵，另一端通过水管连接到土壤，将单片机信号线与继电器接口相连，继电器触点和电磁阀连接，通过改变I/O 口的高低电平就可完成对浇灌动作的控制。

 

下位机与上位机之间通信系统的设计开发：STM32通过串口将数据发送到485模块上，再传输到 USR-GPRS-730上，上位机通过TCP/IP协议与GPRS进行通信，使得上位机与下位机可通过物联网相互 传送数据。同时，上位机与下位机建立协议，上位机可根据下位机发出的信息进行处理并反馈数据到下 位机，下位机根据反馈数据后进行对应的控制处理。

 

客户端三纬虚拟人机交互APP设计与开发:釆用3D Max进行场景建模、渲染和加工，生成3D 模型文件后导入Unity3D，后台C#.net脚本语言进行场景漫游、信息显示和远程控制实现。

底层部分封装进一个独立设计的包装中，底层部分都是无线进行相互连接，方便安装和使用；顶层 部分开发APP，可以让使用者方便操作和远程监测。最终结合成一个完善的3D数字化智慧果园管理系统。

 

2.2.系统功能设计

本系统将传感器采集到的信息通过2.4 G无线网络同意发送至主核心控制器STM32系类单片机，对 果树信息进行实时采集，采用Unity3D引擎开发移动平台实现虚拟现实应用程序开发。通过三维虚拟场 景漫游，与果树浇灌设备交互实现远程开启停止控制，应用虚拟现实VR技术，实现智能浇灌控制，手 自动工作切换模式功能。

具体包括：

 

1)信息监测：PC端和手机APP信息显示面板自动显示果树品种、当前环境温湿度、土壤温度和浇 灌湿度控制系统设定值。

 

2)远程控制：设置了手动浇灌模式和自动浇灌模式。开启自动模式，系统根据实时采集的土壤湿度 信息，比较温湿度传感器采样值和控制系统设定值之间的大小，根据差值调整浇水量。手动模式时，可 通过PC端或者APP进行对果园的管理，由于对果园进行了三维场景的建立，因此，果农可以直接看到 果园的全部场景，利用鼠标点击电脑屏幕或者使用手机APP直接点击手机屏幕对果树进行浇灌。

 

3)场景漫游：通过场景前后左右移动和旋转漫游，查看果园场景漫游。

 

 

3.系统开发关键技术

3D数字化智慧果园系统开发包括底层控制系统开发和顶层远程站客户端应用程序开发。底层部分核 心控制器采用STM32F103系列单片机最小系统板将收集的土壤和环境空气信息的模拟数据转为二进制 数据，STM32F103系列单片机成本低、体积小、开发简单、系统开发灵活，并且STM32F103系列单片 机中断、定时器等外设多，非常适用于控制。虚拟现实开发选择Unity3D平台，它具有大型场景支持 和在线控制功能，模块资源丰富，编程周期短，脚本强大，渲染高速的优点。

 

3.1.传感器数据采集和单片机的数据处理

通过湿度传感器采集土壤的湿度信号和通过温度传感器采集空气、土壤、水的温度信号，通过单片 机的AD模块采样并转换成单片机能识别的信号后送入核心控制单元，核心控制单元对信号进行判断决 策后，实时对喷灌设备进行控制，调整喷灌时间、喷灌水量及温度上下限报警，以达到节水节能的目的。

根据实时采集土壤水分、温湿度等数据和电磁阀、泵等驱动执行设备参数，远程设置和修改现场的 环境参数(温湿度、土壤水分等)以及现场设备的控制模式，实现智能自动、定时自动、手机遥控、手动灌 溉等多种灌溉模式。

 

3.2.客户端与单片机之间无线数据传输

上位与下位机之间通信系统的设计开发：STM32通过串口将数据发送到485模块上，再传输到 USR-GPRS-730上，上位机通过TCP/IP协议与GPRS进行通信，使得客户端与单片机可通过物联网相互 传送数据。同时，上位机与下位机建立协议，上位机可根据下位机发出的信息进行处理并反馈数据到下位机，下位机根据反馈数据后进行对应的控制处理。

 

3.3.三维交互系统APP的开发

客户端三纬虚拟人机交互APP设计与开发：采用3D Max进行场景建模、渲染和加工，生成3D模 型文件后导入LMty3D，后台c#.net脚本语言进行场景漫游、信息显示和远程控制实现，虚拟场景实时与 现实交互，使操作者更加直观的感受到果园的现实场景，具有强烈、逼真的感官冲击，给人身临其境的 视觉享受。3D数字化智慧果园系统人机交互界面的设计与开发如图2所示。

 

 

具体开发过程包括：

1)果园全景取景，建模。使用3D Studio Max软件进行对果园果树等场景的建模，并对模型进行加 工和渲染，再利用Photoshop对模型进行精细加工、美化，最后得到逼真的三维模型，将制作好的模型 生成Fbx文件导入Unity3D中。

2)基于Unity3D实现果园场景漫游、实物可视化和实时三维动画。本系统采用c#.net语言作为开发 的脚本语言，利用Uiiity3D软件对微软Visual Studio开发软件提供API，然后通过控制第三视角前后左 右、放大、缩小、旋转幵发实现三维场景漫游以及手动灌溉模式。

3)Unity 3破用程序多平台导出。根据Unity3D提供的导出功能，添加导出的场景到列表里，根据 应用程序运行在PC端还是移动端，选择切换平台，生成应用程序。

 

 

4.系统测试

3D物联网智能浇灌控制系统的底层部分如图3所示，底层部分包括机械部分和控制部分。机械部分 包括电磁阀、储水箱、水泵、水管；控制部分包括土壤湿度传感器、空气温湿度传感器和继电器。实物 图如图所示。

土壤湿度传感器和空气温湿度传感器与核心控制器采用STM32F103系列单片机最小系统板相连，土 壤湿度传感器探头插入果树周围土壤中，空气温湿度传感器置于空气中，单片机将收集的土壤和环境空 气信息的模拟数据转为二进制数据。果园划分区域进行监控，每块区域放置一个独立的核心控制器，所 有区域的信息都将通过2.4 G无线网络传送到一个主核心控制器，主核心控制器与GPRS模块相连，将 信息通过物联网发送到上位机，并在APP应用中显示。每个区域各设置一个电池阀，一端通过水管连接水泵，另一端通过水管连接到喷头，每块区域中的核心控制器STM32F103系列单片机信号线与继电器接 口相连，继电器触点和电磁阀连接，通过改变I/O 口的高低电平就可改变电池阀的开关，对果树浇灌进 行控制。

 

APP建立的三维虚拟场景下每个区域都有独立的显示土壤和空气环境信息界面，可以结合科学知识 设定果树生长所需环境进行智能浇灌，也可以点击喷头进行手动浇灌。通过界面显示与提示对果园进行 管理。基于虚拟现实技术的应用程序可以在PC端使用，也可以在手机上使用。