1、数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering206现农村越来越多的务工人员往城市方向发展，导致农村的青年劳动力急剧下降，而我国作为农业大国，如何实现大规模农业种植仍是亟需解决的问题2，伴随着物联网技术的发展，“智慧农业”将作为一种科学的解决途径，其通过物联网技术实现远程监控最终达到精准种植的目的，从而提高农业种植的产量3。本系统使用的操作系统平台是 RT-Thread，其由我国团队自主研发，经过多年的升级，已逐步成为一个功能丰富的操作系统，特别适用于一些资源受限的场合。相对于其它
2、操作系统来说，RT-Thread 为用户提供丰富的组件，如内核层、软件包等等，能够有效降低编程难度，因此，开发者通过 RT-Thread 系统可以轻松地实现物联网项目的搭建。另外，OneNET 平台为用户提供多样的服务，可使物联网设备实现快速上云，管理人员通过 OneNET 平台最终实现对大棚的远程监控，并根据实时采集的传感器数据控制相应的执行器，从而提高农业种植的生产效率并大大降低成本4。1 系统的框架设计系统的功能包含三个：采集大棚内温湿度和光照数据、传感器数据通过 Wi-Fi 模块传输至云平台，云平台下发指令控制输出设备。系统的框架设计如图 1 所示，其中 MCU 采用 STM32 芯片
3、，数据采集层外接输入设备（SHT3X 系列温湿度传感器、BH1750 光照度传感器）及输出设备（风机、补光灯），传输层使用 ESP8266 模块完成数据的传输，而应用层负责数据的存储及展示，同时下发指令至设备端5。2 RTOS资源的规划为更好地满足多任务的调度及提高系统响应效率，在本系统的软件框架中设计 RTOS 层，对 RTOS 资源的规划主要包括以下三个方面：2.1 SENESOR（传感器）驱动框架的使用由于市面上传感器厂商众多，而不同的传感器都需配套对应的驱动程序，因此为统一接口及提高代码的可基于 RT-Thread 的智慧农业大棚监控系统设计谢莹（闽西职业技术学院信息与制造学院 福建省
4、龙岩市 364021）摘要：本文设计一套基于 RT-Thread 的智慧农业大棚监控系统，其应用 RT-Thread 操作系统，设备端采集大棚内的温湿度、光照度，并通过 Wi-Fi 模块及 MQTT 协议实现与 OneNET 平台的数据交互1。测试结果表明，系统通过对 RTOS 资源的合理规划，应用线程及信号量完成数据上 OneNET 云平台的任务，简化编程难度，并提高系统响应速度，满足智慧农业大棚的监控需求，系统最终实现对设备端进行实时远程监控的目的，有效提高农业种植的产量。关键词：Wi-Fi 模块；OneNET；RT-Thread；实时监控基金项目：2021 年度福建省教育厅教育科研项目“
5、基于云平台的智慧农业监测系统设计”（编号：JAT210904）。图 1：系统的框架设计图数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering207复用性，RT-Thread 为开发者提供 SENSOR 设备以降低开发难度，如温湿度、光照、压力、距离等市面上常用的传感器均已对接到 SENSOR 框架中。SENSOR 驱动框架设计如图 2 所示，大体分为两步：完成传感器 ops接口的对接及设备的注册。以读取光照数据为例，先将BH1750 传感器成功对接到 SENSOR 框架，再通过线程的管理
6、获取光照数据。2.2 线程的管理在日常中遇到难解的大任务时，可将大任务根据不同的功能进行划分，最终形成多个简单的小任务，问题便迎刃而解，在 RT-Thread 中线程作为最核心的功能，也是最小的调度单位，对应着一个个小任务，通过线程的方式编写代码可以简化编程难度，使线程之间相互独立，并提高程序响应速度。另外，通过设置任务的优先级可以让重要的任务得到优先处理。在本系统中需要完成的小任务有三个，其中两个是采集传感器温湿度、光照数据的任务，第三个任务是在连接 OneNET 云平台过程中先进行初始化 mqtt 协议的任务，因此根据不同的任务对应创建三个不同的线程：“read_SHT3X_thread”
7、为采集温湿度的线程、“read_light_thread”为采集光照度的线程、“mqtt_init_thread”为初始化 mqtt 协议的线程。以采集光照度为例，通过以下几个步骤即可读取对应的光照数据，如表 1 所示。表 1：对应的光照数据描述对应关键代码/函数创建 rt_sensor_data 结构体struct rt_sensor_data sensor_data查找 SENSOR 设备驱动rt_device_find()打开 SENSOR 设备rt_device_open()读取 SENSOR 设备的数据rt_device_read()2.3 信号量的规划在采集数据的线程被创建成功之后
8、，如何与初始化 mqtt 协议的线程协作完成数据上云的任务？在 RT-Thread 中线程间同步的方式主要三种，分别是信号量、互斥量和事件集。信号量作为轻型的内核对象，系统通过获取（take）及释放（release）信号量的方式保证任务/线程正常有序地运行。RTOS 层的主要工作流程图如图 3 所示，“read_SHT3X_thread”与“read_light_thread”线程是以永久等待的方式获取信号量，当“等不到”时则一直等待，并且该线程处于挂起状态，同时系统执行其它线程，而“等到了”则会唤醒该线程，紧接着运行该线程的后续代码。在主函数中设置信号量“mqtt_sem”的初始值为1，在“
9、mqtt_init_thread”线程初始化成功之后释放信图 2：SENSOR 驱动框架设计图 3：RTOS 层的主要工作流程图数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering208号量，信号量的值加 1，而“read_SHT3X_thread”与“read_light_thread”线程在分别获取这 2 个信号量之后则上传数据至云端，因此，系统通过不断释放及获取信号量的方式完成“mqtt_init_thread”、“read_SHT3X_thread”、“read_light_th
10、read”这三个线程间的通信，最终将温湿度及光照数据上传至 OnetNET 云平台。“mqtt_init_thread”线程释放信号量的关键代码如下：1.static void mqtt_init_thread_entry(void*parameter)2.3.while(1)4./*初始化 MQTT 协议*/5.if(!onenet_mqtt_init()6./*初始化成功之后，释放一个信号量*/7.rt_sem_release(mqtt_sem);8.return;9.;10.rt_thread_mdelay(500);11.12.该线程的主要功能为初始化 MQTT 协议，由于初始化一次可
11、能无法成功，因此，需要通过 while 循环进行多次尝试初始化，直到初始化成功，初始化成功之后则释放一个信号量，并告知“read_SHT3X_thread”、“read_light_thread”线程可以上传数据，再通过 return 语句完成线程工作。3 OneNET云平台的设计OneNET 物联网平台提供高效、安全的应用平台，图 4：OneNET 软件包配置图图 5：OneNET 云平台的管理界面图 6：光照数据流图 7：小熊派主板及拓展板数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Enginee
12、ring209在设备端，适配多种传输协议，如 MQTT、NB-IoT、EDP、Modbus 等6，为开发者提供各种硬件终端的快速接入方案；另外，在应用层中为开发者提供各类开发需求，使得开发者能够将重点更聚焦于自身应用的开发，缩短开发周期，降低开发成本7。在本系统中建立“智慧农业大棚系统”产品，并在该产品下创建“1 号检测点”设备，设备创建成功之后，云平台会生成对应的设备 ID 及鉴权信息等，而设备端要接入云平台则要进行相应的验证。因此，在 RT-Thread Settings 中的 onenet 软件包中需对设备 ID、身份验证信息、API 密钥、产品 ID、及主/产品 APIKEY 这几个关
13、键参数进行配置，OneNET 软件包配置如图 4 所示，验证通过后最终成功连接到云平台。4 系统测试OneNET 云平台的管理界面如图 5 所示，从图中可知当前温度、湿度及光照度的值。光照数据流如图 6 所示，系统以 2min 为周期上传一次温湿度及光照数据，以采集光照度为例，从图中标号可知采集频率正确。当光照度低于阈值时，如图中标号所示，当前光照值为 0 时，则自动开启补光灯，如图 7 所示。同理，当湿度高于阈值时，则开启风机。另外，云平台通过下发命令功能手动控制风机和补光灯的开与关，如图 8 所示。5 结束语基于 RT-Thread 的智慧农业大棚监控系统通过OneNET 云平台实现远程监
14、控，并且实时采集传感器数据并与风机、补光灯等执行器进行联动，为管理人员提供精准数据以提高种植产量。另外，系统对 RTOS 资源进行合理规划，应用线程及信号量完成数据的传输能够有效提高系统响应速度，如为更好地满足大棚的监测需求，进一步完善系统功能，后期只需通过线程的管理即可增加其它传感器，降低开发难度8。参考文献1 丁飞,吴飞,艾成万,等.基于 OneNET 平台的环境监测系统设计与实现J.南京邮电大学学报（自然科学版）,2018,38(04):24-29.2 廖建尚.基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法 J.农业工程学报,2016,32(11):233-243.3 李睿欣,姚磊,谢伟鸿.基
15、于 NB-IoT 的多功能农业大棚监测及控制系统设计 J.农业装备与车辆工程,2021,59(05):72-75.4 卢嫚，袁志军.基于 OneNet 云平台的智能监控系统设计 J.单片机与嵌入式系统应用,2022,22(07):34-37.5 侯杰林,张青春,符骏.基于 OneNet 平台的水质远程监测系统设计 J.淮阴工学院学报,2016,25(03):10-13.6 余兆成,杨光友,谢松.基于 oneNET 的大棚温湿度远程监测系统 J.中国农机化学报,2019,40(02):180-185.7 胡智,刘竹林,王慧.基于 OneNET 平台的物联网农业监测系统设计J.农业技术与装备,2020(12):24-25.8 孙璐,郑淏.基于物联网的农业温室大棚监控系统设计 J.南方农业,2021,15(14):218-219.作者简介 谢莹（1986-），女，福建省龙岩市人。大学本科学历，闽西职业技术学院，讲师。研究方向为物联网应用技术、电子信息工程技术。图 8：云平台的下发命令功能