基于物联网平台搭建智能花卉养植系统

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基于物联网平台搭建智能花卉养植系统

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概述方案介绍

我们国家的现代农业和过去相比已经有了长足的进步，其中花卉养植监控系统也是高效农业的一个重要组成部分。

花卉养植监控系统可以改变花卉的生长环境，为花卉生长创造最佳条件。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，目的是调节花卉的产期，促进生长发育，防治病虫害，提高质量和产量。该系统的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。

目标读者

物联网开发者、智慧农业领域的从业者

背景知识

根据花百科网站中茶花的习性一文的介绍，“茶花喜欢光照，喜温湿润的生长环境。适宜的温度在20~28度之间。若是温度高于29度，就会停止生长。35度的时候叶子会被晒伤，会有焦灼现象。有一定的耐寒性能，大部分的品种都可忍耐零下8度的低温。环境湿度要求在70%以上。春季，秋季以及冬季都可多晒太阳，不用遮光。夏季的光照太过强烈，建议遮光50%”。

适用场景

按照茶花的生长习性，最适宜茶花的生长环境因素主要有3个：

温度：20~28度

湿度：70%

光照：不能太强

为了制造适合茶花生长的环境，场景设计的行为如下：

通过温度传感器测量环境温度，并在温度高于高温阈值时打开空调进行降低环境温度；在温度低于低温阈值的时候关闭空调。

通过湿度传感器测量环境湿度，并在湿度低于湿度阈值的时候控制加湿器进行加湿操作；在湿度高于湿度阈值时候关闭加湿器。

方案架构方案架构图

本方案的整体架构图，分为云端和设备端两部分，其中：

设备端主要负责以下功能：

通过SHT3X-DIS传感器测量环境温度和相对湿度值。

将温度和相对湿度值上报到阿里云物联网平台。

接收来自阿里云物联网平台的控制指令，并控制空调/加湿器的继电器进行温湿度调节。

云端主要负责如下功能：

接收从设备端上报的温湿度信息。

根据用户设定的控制逻辑下发控制指令给设备端。

IoT Studio负责UI界面的状态显示及UI控制功能入口。

方案优势

设备端开发采用HaaS Python开发框架，入门门槛低，没有物联网开发经验的人也可以很快掌握开发的过程，开发效率高。

控制功能的逻辑在物联网平台端进行设定，随时随地可以根据需求在远端进行调整，易用性高。

UI界面开发采用拖拽式开发模式，开发门槛低，开发效率高。

整个系统采用云端一体的开发模式，简化了设备端的逻辑功能需求，灵活性高。

在硬件连线完成之后进行云端和设备端开发前可以先使用“一分钟上云体验”功能预先体验本案例的实际运行效果。

SHT3X-DIS温湿度传感器介绍

SHT3X-DIS温湿度属于HaaS Python硬件积木之一，其产品介绍、参数及HaaS Python API说明文档请参考链接。

阿里云物联网平台介绍

常见物联网平台主要功能包括：设备接入、设备数据存储、设备信息管理、设备状态监控、设备数据的分析与展示以及对设备的控制、运维和管理，从而满足应用层不同业务场景的需求。阿里云物联网平台的请参考链接。

本方案中会使用到物联网平台的“设备接入”和“规则引擎”（监控设备状态并执行预设逻辑）的功能。

IoT Studio介绍

物联网应用开发（IoT Studio）是阿里云针对物联网场景提供的生产力工具，属于阿里云物联网平台的一部分，提供了Web可视化开发、移动可视化开发、业务逻辑开发与物联网数据分析等一系列便捷的物联网开发工具。主要解决的是物联网开发领域开发链路长、定制化程度高、投入产出比低、技术栈复杂、协同成本高以及方案移植困难等问题，目的是帮助物联网企业完成设备上云的最后一公里。

IoT Studio详细介绍请参考链接。

方案实施前提条件

请读者先开通阿里云账号之后再进行如下的操作。开通阿里云账号分为两步：

打开阿里云官网。

点击右上角的“立即注册”按钮，按提示一步步操作。

操作步骤

下图是本案例的4步导学，每个步骤中实现的功能请参考图中的说明。在硬件连线完成之后我们建议您先使用“一分钟上云体验”功能预先体验本案例的实际运行效果。

步骤一：硬件连线

硬件准备

本实验只需要如下硬件：

ESP32一台

SHT3X-DIS温湿度传感器一个

RGB三色LED灯一个（模拟控制空调和加湿器的继电器）

杜邦线若干

Micro-USB数据线一条

三种可选的ESP32开发板和SHT3X-DIS温湿度传感器及RGB三色LED灯的硬件接线请参考下表。

硬件

SHT3X-DIS

温湿度传感器

RGB

乐鑫

ESP32开发板

安信可

NODEMCU-32S开发板

01Studio

pyWiFi-ESP32开发板

端口标识

GND

VCC

3V3

SCL

P22

SDA

P21

P25

P26

P27

硬件说明

硬件积木说明

高电平触发

LED亮灯

快速开始

详细端口定义

快速开始

详细端口定义

快速开始

详细端口定义

下图是以NODEMCU-32S开发板为例的接线图。

需要连接两颗LED模拟控制空调和加湿器的开关的功能。此处就借助于ESP32上面外接的蓝色和绿色LED灯，其中：

蓝色LED模拟空调的开关。

绿色LED模拟加湿器的开关。

根据ESP32的硬件连线图，可以得知如果要模拟控制空调打开，则需要打开P27（蓝色LED）；如需模拟控制加湿器打开，则需要打开P26（绿色LED）。

一分钟上云体验

在硬件连线之后，读者可以打开“支付宝”扫描下图二维码。

点击“体验案例”按钮，即可立即体验本案例实际运行效果。

步骤二：云端设备创建（创建云端设备及其属性、多设备联动规则设定）

对于第一次使用物联网平台的读者，需要开通实例以使用物联网平台的功能。这里可以使用免费的公共实例进行开发。

在物联网平台中，左上角选择“华东2-上海”，点击“公共实例”，即可开通。

开通物联网平台功能之后，就可以开始云端产品和设备的创建以及场景联动规则的设定了。

创建云端产品

创建云端产品的网址：https://iot.console.aliyun.com/product

点击创建产品按钮，如下图所示。

在新建产品设定页面按照下图所示，设定“产品名称”，选择所属的“标准品类”（如果创建的产品品类为非标品类，可以选择自定义品类），节点类型选择“直连设备”，联网方式选择“Wi-Fi”，数据格式选择“ICA标准数据格式”，检验类型和认证方式选择默认设定即可。还可以根据开发者自己的需求在“产品描述”页面添加针对此产品的描述。

选择之后，点击“确认”按钮，即可完成产品创建。返回“产品”页面之后可以看到产品类表中会出现刚刚创建的“温湿度检测装置”的产品，如下图所示。

创建产品属性（物模型）

点击上图中的“查看”按钮，即可看到产品信息，Topic列表，功能定义，数据解析等跟产品相关功能的设定。点开“功能定义”标签页，可以看到设备物模型定义。

说明

物模型中的“地理位置”属性本案例后面的内容没有用到，读者可忽略。

因为在创建产品的过程中选择了标准的产品品类，这里会出现标准品类中自带的物模型设定，包含“当前温度”、“当前湿度”和“地理位置”信息。这三条都适合属性信息，其标识符、数据类型、数据定义及该属性支持的操作都可以在这个页面看到。

标识符是设备端上报设备属性状态的消息中需要使用的标识符，并且只有在设备上报的属性内容符合“数据定义”中的数据取值范围的时候才会被物联网平台记录，否则会被物联网平台认定为非法属性而过滤掉。

如果在创建产品的时候没有选择标准的品类，则需要在这个地方新增物模型的属性或服务。详情请参考物联网平台中的内容。

产品及其物模型创建完成后就可以创建这个产品的设备了。

创建云端设备（获取三元组）

在产品列表页面中，点击“管理设备”，就会进到设备管理页面。

在“设备”页面点击“添加设备”按钮，如下图所示。

在“添加设备”页面中设定“deviceName”，这里开发者可以自己填入自己想设定的设备名称，也可以不填任何内容让系统自动生成设备名称，如下图所示。

设备添加完成后，点击“前往查看”按钮，就可以看到此设备端详细信息了。

设备信息中有两个信息需要和设备端开发相匹配：

三元组

物模型属性信息

获取设备三元组

如上图所示，点击“查看”按钮，就可以看到设备的三元组信息，三元组是物联网设备端和物联网云端设备相关联的唯一标识符，在设备端连接云端的时候会使用三元组信息和云端进行鉴权，鉴权通过之后云端会认为设备已激活并上线。

查看设备属性信息

设备详情信息页中的“物模型数据”标签页中可以看到设备的所有属性信息、设备时间上报情况及设备服务调用情况。待物联网设备按照设备属性对应的标识符上报设备属性的时候，本图片中的“当前温度“，”当前湿度“等属性值就会显示设备最新的属性信息。

说明

创建产品和设备的过程是按照面向对象的思想进行设计的，其中创建产品可以看成是新建一个类，其中的物模型则是类的对象，创建设备则是进行类的实例化。

云端物模型设定

在此产品的物模型中新增两个bool类型的属性，命名为"airconditioner"和"humidifier"分别用来控制空调和加湿器。

当需要打开空调时，云端将“airconditioner”的属性值设置为True；需要关闭空调时，将其设置为False。

当需要打开加湿器时，云端将“humidifier”的属性值设置为True；需要关闭空调时，将其设置为False。

添加物模型属性的过程下所述：

6.1 在产品的“功能定义”标签页中点击"编辑草稿"，如果没有“编辑草稿”的按钮，说明此产品的物模型已经发布，需要点击右上角的“取消发布”按钮才能添加或删除属性。

6.2 点击“添加自定义功能”按钮，如下图所示。

6.3 添加属性名称、标识符、类型等信息，如下图所示。

添加“airconditioner”属性

添加“humidifier”属性

添加完属性之后，点击左下角的“发布上线”按钮，根据系统提示进行确认即可，如下图所示。

添加控制逻辑

控制逻辑有两种实现方式：

使用物联网平台的规则引擎功能。

使用IoT Studio的业务逻辑功能。

本节接下来就开始介绍使用物联网平台的规则引擎来完成此控制逻辑的设定。请按照下图所示的步骤创建场景联动的规则：

点击“创建规则”之后，填入场景规则名称，这里我们先创建第一个“温度过高开启空调”的规则。

规则创建完成后，等待几秒钟系统会自动跳转到规则编辑页面，这里需要配置如下两步完整一整条规则的创建：

7.1 设置“触发器”为温湿度监控器的“当前温度"属性高于茶花最适宜生长的温度28度触发此规则的执行，如下图所示

7.2 设置“执行动作"为控制设备打开”空调开关“属性

点击保存之后”温度过高打开空调“的场景联动规则就创建好了。

用相同的方式创建另外三条场景联动规则：

"温度合适关闭空调"，如下图所示。

“湿度适合关闭加湿器”，如下图所示。

“湿度过低打开加湿器”，如下图所示。

创建完这几条规则之后，在”场景联动“页面中点击规则后面的启动按钮，则所有的规则都会运行起来。

步骤三：设备端开发及数据上云（设备端代码调试）

设备端开发需要使用到HaaS-Studio开发环境。在进行下一步之前请确保ESP32 HaaS Studio开发环境已经搭建完毕，详情请参考“ESP32快速开始”的说明。

创建解决方案

点击下图中的"快速开始"按键会弹出HaaS Studio的欢迎页面，请点击“创建项目”按钮。

在随后弹框中，设定好项目名称（“humiture”）及工作区路径之后，硬件类型选择ESP32，点击“立即创建”，创建一个Python轻应用的解决方案。

下载花卉养植代码压缩包并压缩，将解压后的文件夹下的所有脚本复制后覆盖humiture工程目录下的原有文件。其中main.py脚本的内容如下图所示。

然后对main.py里边的内容后需要完成以下三处代码修改。

说明

Python脚本的详细说明请参考脚本内嵌的文字版注释

修改路由器名称及密码

修改humiture工程里main.py中wifiSsid和wifiPassword的值为读者实际要连接的路由器的名称及密码（请注意名称和密码都需要放在""符号中间）。

# Wi-Fi SSID和Password设置 wifiSsid = "请填写您的路由器名称" wifiPassword = "请填写您的路由器密码"

修改完成之后get_wifi_status函数中的wlan.connect(wifiSsid, wifiPassword)语句就会连接读者自己设定的路由器。

修改设备端三元组

修改humiture工程里main.py中productKey、deviceName和deviceSecret的值为读者创建的物联网设备的三元组信息。

# 三元组信息 productKey = "产品密钥" deviceName = "设备名称" deviceSecret = "设备密钥"

修改设备端上报温湿度信息所用标识符

humiture工程里main.py中下面的代码实现的是上传温湿度值到云端的功能。其中CurrentTemperature和CurrentHumidity便是温湿度值上报时所用的标识符。

# 上传温度信息和湿度信息到物联网平台 def upload_temperature_and_Humidity(): global device while True: data = get_temp_humi() # 读取温度信息和湿度信息 # 生成上报到物联网平台的属性值字串 prop = ujson.dumps({ 'CurrentTemperature': data[0], 'CurrentHumidity': data[1] }) print('uploading data: ', prop) upload_data = {'params': prop} # 上传温度和湿度信息到物联网平台 device.postProps(upload_data) utime.sleep(2)

确保这两个标识符和物联网产品的物模型中属性标识符是一样的，如下图所示：

下面是重点代码段落讲解：

两个变量用来控制空调和加湿器对应的GPIO。

# 空调和加湿器状态变量 airconditioner = 0 humidifier = 0

处理云端信息并控制GPIO的接口。

# 设置props 事件接收函数（当云平台向设备下发属性时） def on_props(request): global airconditioner, humidifier, airconditioner_value, humidifier_value # {"airconditioner":1} or {"humidifier":1} or {"airconditioner":1, "humidifier":1} payload = ujson.loads(request['params']) # print (payload) # 获取dict状态字段注意要验证键存在否则会抛出异常 if "airconditioner" in payload.keys(): airconditioner_value = payload["airconditioner"] if (airconditioner_value): print("打开空调") else: print("关闭空调") if "humidifier" in payload.keys(): humidifier_value = payload["humidifier"] if (humidifier_value): print("打开加湿器") else: print("关闭加湿器") # print(airconditioner_value, humidifier_value) airconditioner.write(airconditioner_value) # 控制空调开关 humidifier.write(humidifier_value) # 控制加湿器开关 # 要将更改后的状态同步上报到云平台 prop = ujson.dumps({ 'airconditioner': airconditioner_value, 'humidifier': humidifier_value, }) upload_data = {'params': prop} # 上报空调和加湿器属性到云端 device.postProps(upload_data)

设备运行结果

推送此脚本到ESP32之后，运行此脚本，ESP32串口会周期性的打印如下日志。其中：

“物联网平台连接成功” 代表成功连接到物联网平台。

"uploading data:"之后跟着的为设备端向云端发布的温湿度属性信息，其中CurrentTemperature后面的数值为温度值，单位：摄氏度；CurrentHumidity后面数值为相对湿度值。

设备端解析到云端送下来的控制指令中包含“{"humidifier":1}”之后会打印"打开加湿器"并点亮绿色LED模拟打开控制加湿器的继电器的动作。

设备端解析到云端送下来的控制指令包含"{"airconditioner":1}"之后会打印"打开空调"并点亮蓝色LED模拟打开控制空调的继电器的动作。

==== python file check /data/pyamp/main.py ==== ==== main.py update time = 691107276 ==== ==== python execute from /data/pyamp/main.py ==== sht3x inited! wifi_connected: False wifi_connected: False wifi_connected: False wifi_connected: False wifi_connected: False wifi_connected: False wifi_connected: False wifi_connected: False ('192.168.0.116', '255.255.255.0', '192.168.0.1', '192.168.0.1') sleep for 1 s establish tcp connection with server(host='a158sBmxLet.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com', port=[443]) tcp_connect: can only connect from state CLOSED success to establish tcp, fd=54 物联网平台连接成功 sleep for 2s uploading data: {"CurrentTemperature": 28.30015, "CurrentHumidity": 50.82117} 打开空调打开加湿器

开发板实际效果如下：

在温度高于阈值时，可以看到日志中出现"打开空调"的字样，伴随着蓝色LED灯亮起。

在温度低于阈值之后，可以看到日志中出现“关闭空调”的字样，伴随着蓝色LED灯熄灭。

在湿度低于阈值时，可以看到日志中出现"打开加湿器"的字样，伴随着绿色LED灯亮起。

在湿度高于阈值时，可以看到日志中出现"关闭加湿器"的字样，伴随着绿色LED灯熄灭。

物联网平台端设备信息查看

物联网设备的系统启动成功并连接到物联网平台之后，物联网平台上对应的设备状态会从”未激活状态“变为”上线“，在物模型数据标签页上会显示设备上报到物联网平台的属性值。

此时如果开发板温度和周围湿度发生变化，物联网平台的物模型数据会更新为设备上报的最新的属性值。

步骤四：Web应用开发（实现中控大屏进行远端状态查看及控制）

现代花卉养植的过程中越来越多的需要农业专家的参与，但和养花的农户来说，农业专家的数量是很少的。在茶花生长出现问题的时候，怎样让农业专家远程迅速的完成对茶花异常生长状况的诊断是很重要的一个研究议题。本节要介绍的中控大屏就是将茶花当前生产环境的信息通过网页的形式直观的展现出来，一方面方便农户很方便的查看相关信息并判断是否需要人为干预；另一方面在出现问题的时候可以让专家远程快速的对问题进行诊断。

本节课程主要目标是设计一个总控大屏的Web应用，能实时的查看如下信息：

过去3小时的温湿度实时信息

空调及加湿器状态实时状态显示

手动控制空调或加湿器的开关状态

下图是一个典型的物联网应用程序开发的流程图，接下来本节就按照这个流程介绍如何花卉养植系统中控大屏的Web应用程序的开发。