張鋒+黃樹州+林繼良

摘 要：運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和云服務(wù)器技術(shù)設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)在線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)信息和作物生長狀況，實(shí)現(xiàn)對分散在各地的溫室環(huán)境進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備遠(yuǎn)程智能控制及實(shí)時(shí)的在線數(shù)據(jù)、圖像視頻查詢與信息服務(wù)。從而使溫室的環(huán)境適宜作物生長，提高資源利用率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；設(shè)施農(nóng)業(yè)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0034-04

0 引 言

設(shè)施農(nóng)業(yè)是具有一定設(shè)施，能在局部范圍內(nèi)影響和改變環(huán)境氣象因素，為農(nóng)作物生長提供良好環(huán)境條件的農(nóng)業(yè)，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的潮流和趨勢。由于我國設(shè)施農(nóng)業(yè)起步較晚，技術(shù)相對落后，農(nóng)作物環(huán)境參數(shù)的控制還依賴于人工操作，工作效率低，并且環(huán)境參數(shù)的控制很難做到自動(dòng)、精準(zhǔn)控制。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)一套智能監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)和管理。該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)檢測溫室內(nèi)土壤和空氣溫、濕度、光照強(qiáng)度，CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，并結(jié)合模糊神經(jīng)控制算法來優(yōu)化控制過程；監(jiān)控系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、動(dòng)態(tài)顯示和分析處理[1]；根據(jù)作物種植需求提供聲光報(bào)警和短信報(bào)警信息并以曲線的形式顯示給用戶[2]。最終使溫室中調(diào)控符合標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的特征，從而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的[3]。

1 系統(tǒng)的體系架構(gòu)

智能監(jiān)控系統(tǒng)主要有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控和監(jiān)控終端3部分構(gòu)成。系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)承擔(dān)感知數(shù)據(jù)的任務(wù)，采集到目標(biāo)數(shù)據(jù)后立刻通過無線的方式將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和后臺PC的匯聚節(jié)點(diǎn)通過GPRS/3G等無線傳輸手段發(fā)送給監(jiān)測終端，終端用戶通過回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析，從而作出決策[4-5]。另外，為了保證溫室大棚內(nèi)的環(huán)境適合作物的生長，控制器中加載預(yù)先設(shè)計(jì)好的控制策略程序。通過對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，保證作物生長的最佳環(huán)境以及出現(xiàn)故障及時(shí)報(bào)警，通知監(jiān)控中心操作人員。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控現(xiàn)場攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像的采集，并把采集的圖像信息傳送給嵌入式視頻服務(wù)器。服務(wù)器采集到的圖像進(jìn)行壓縮編碼，并通過3G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?？蛻舳酥饕瓿蓤D像的接收和解碼，用戶可以通過瀏覽器訪問嵌入式視頻服務(wù)器來觀看攝像頭采集到的圖像，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控 。

1.3 監(jiān)控終端

監(jiān)控終端采用上、下位機(jī)控制方案，下位機(jī)以Tiny6410開發(fā)板為核心，綜合利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)，對環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)采集，通過GPRS/3G等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)上，上位機(jī)客戶端實(shí)時(shí)從網(wǎng)絡(luò)提取數(shù)據(jù)，時(shí)刻保持對設(shè)施農(nóng)業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由無線傳感節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、無線路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控中心等6大部分組成。圖2所示為本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，圖中，每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)自動(dòng)采集墑情信息，并結(jié)合預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)上下限進(jìn)行分析，判斷是否需要執(zhí)行動(dòng)作及何時(shí)停止。傳感器網(wǎng)絡(luò)分布于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給就近的無線路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由算法選擇最佳路由，建立相應(yīng)的路由列表，其中列表中包括自身的信息和鄰居網(wǎng)關(guān)的信息。無線網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的管理。通過網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，監(jiān)測中心可以通過 PC、智能手機(jī)或者任何具有瀏覽器功能的設(shè)備可對 Web 服務(wù)器發(fā)布的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 傳感器模塊

DS18B20是種新型數(shù)字溫度傳感器，僅占一根I/O數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)。其測量范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃之間精度為±0.5 ℃，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。HS1101是電容式濕度傳感器，精度為2%，具有良好的線性輸出，LX1970是一種可見光亮度傳感器，該傳感器外圍電路簡單，具有微功耗、低壓供電的特性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)上結(jié)構(gòu)基本相同。他們之間通信采用基于ZigBee技術(shù)的CC2530實(shí)現(xiàn)。CC2530是 TI公司推出的最新一代ZigBee標(biāo)準(zhǔn)芯片，它集 8051處理器和射頻收發(fā)模塊于一體，同時(shí)還具有豐富的 GPIO 以及 7 路 12 位 A/D，使得系統(tǒng)可在最少外圍、最低成本的設(shè)計(jì)中進(jìn)行[6]。

2.3 網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)

考慮到網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)較大，網(wǎng)關(guān)選用友善之臂公司生產(chǎn)的 Tiny6410 開發(fā)板為硬件平臺，該開發(fā)板內(nèi)部集成了強(qiáng)大的多媒體處理單元，能對其中設(shè)備進(jìn)行控制管理。該嵌入式網(wǎng)關(guān)連接內(nèi)、外信息傳輸通道皆采用無線的方式，外部網(wǎng)絡(luò)以基于IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、提供通用分組無線業(yè)務(wù)的GPRS通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)[7]。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用短距離、低功率ZigBee 無線通信技術(shù)，結(jié)合農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)Ｓ孟盗袀鞲衅鲗r(nóng)產(chǎn)品生長環(huán)境中的溫濕度、光照以及CO2等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括下、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、智能控制等模塊。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括智能管理系統(tǒng)和通信管理等功能模塊。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要由傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集控制器構(gòu)成，負(fù)責(zé)對環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)檢測和調(diào)節(jié)。并通過GPRS/3G通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。

3.1.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、無線收發(fā)、電源控制等模塊。其流程圖如圖3所示。

圖3 下位機(jī)主程序流程圖

主程序由C語言編程，主要是實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議的移植，數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)通信以及實(shí)現(xiàn)控制命令的發(fā)送、接收和執(zhí)行等功能。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)/控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

各傳感器節(jié)點(diǎn)/控制節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)入信道偵聽模式，而數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式[8]。當(dāng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)收到采集命令，傳感器開啟采集的工作模式，延時(shí)等待發(fā)送命令，并根據(jù)相關(guān)命令把采集到數(shù)據(jù)發(fā)送給父節(jié)點(diǎn)，發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后，傳感器節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入休眠模式。如果延時(shí)結(jié)束仍未收到發(fā)送命令，那么說明通信出現(xiàn)了故障[6]。而控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)與傳感器節(jié)點(diǎn)類似。只是它收到父節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的控制命令后，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)而已。其程序圖如圖4所示。

3.1.3 數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)

研究表明，決定作物生長是一個(gè)時(shí)間段內(nèi)平均水平，不是某一個(gè)固定的時(shí)間點(diǎn)。為此，系統(tǒng)并不是設(shè)定一個(gè)固定值，而是在最高和最低范圍內(nèi)變化，以求在一個(gè)較長時(shí)間內(nèi)達(dá)到理想的平均值[1]。

另外，控制策略的選擇也和不同時(shí)間段有密切關(guān)系，比如，白天和夜晚就選擇不同的控制策略。數(shù)據(jù)處理程序圖如圖5所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)/控制節(jié)點(diǎn)子程序圖

3.1.4 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制決策子程序

由于溫室系統(tǒng)是一個(gè)非線性、多變量的復(fù)雜系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論很難到達(dá)滿意的控制效果，因此，模糊控制算法成為了我們的首選[7]。設(shè)計(jì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器主要包括確定模型的輸入/輸出個(gè)數(shù)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)、神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)和去模糊化的方法等?？紤]到影響作物生長主要因素為溫度和濕度。那么，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器輸入個(gè)數(shù)為2 ，采用4輸入量， 即溫、濕度誤差和溫濕度誤差變化率[9]。其程序流程圖如圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理子程序圖

圖6 控制決策子程序圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要由基于云技術(shù)通信管理模塊和智能管理系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。采用Java編譯上位機(jī)程序，數(shù)據(jù)管理采用SQL Server 2005。

3.2. 1 基于云服務(wù)器的通信管理模塊

云服務(wù)器是一種基于Web服務(wù)，提供彈性云技術(shù)，整合了計(jì)算、存儲與網(wǎng)絡(luò)資源的IAAS服務(wù)[10]。云服務(wù)器中運(yùn)行著多個(gè)服務(wù)性軟件。例如，使用Java寫的Web Service。Java編寫的服務(wù)端，專門處理并發(fā)請求數(shù)據(jù)的軟件以及并發(fā)性處理嵌入式終端發(fā)過來的數(shù)據(jù)，并儲存到數(shù)據(jù)庫中等常見的服務(wù)性軟件。 在開發(fā)板上完成Socket編程流程、完成綁定、監(jiān)聽、等待連接請求操作之后，一旦有客戶機(jī)連接請求，馬上又創(chuàng)建一個(gè)新的線程，用來專門處理該連接請求，從而構(gòu)成了并發(fā)服務(wù)器。

本系統(tǒng)中服務(wù)器要不斷向?yàn)g覽器發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，采用了Server Push（服務(wù)器推送技術(shù)）。實(shí)現(xiàn)Server Push技術(shù)只需要在服務(wù)器的CGI腳本聲明HTML文檔類型時(shí)，把content-type： text/html改為content-type： multipart/x-mixed-replace； boundary=BOUNDARY這樣的文檔類型即可，這樣就可以將CGI腳本中指定的數(shù)據(jù)強(qiáng)行推給客戶機(jī)，客戶機(jī)的瀏覽器上會(huì)不斷產(chǎn)生新的內(nèi)容，從而用戶在瀏覽器上看到的是動(dòng)態(tài)的視頻。

3.2.2 基于Java的智能管理系統(tǒng)

智能管理系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，用Java編程。包括用戶管理模塊、控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、查詢分析模塊、專家決策系統(tǒng)模塊以及參數(shù)設(shè)置模塊。系統(tǒng)構(gòu)架如圖7所示。

圖7 智能管理系統(tǒng)構(gòu)架

用戶管理模塊是為不同的用戶賦予不同的權(quán)限，包括密碼修改、增刪用戶等功能。控制模塊控制溫室設(shè)備的開啟及停止時(shí)間和監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊控制網(wǎng)絡(luò)的鏈接狀態(tài)。查詢分析模塊數(shù)據(jù)查詢用于查詢室外、歷史、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過圖表方式展現(xiàn)給管理人員分析，診斷分析出作物不同生長周期，不同季節(jié)的最佳環(huán)境參數(shù)。專家決策模塊根據(jù)查詢分析所得數(shù)據(jù)結(jié)合農(nóng)作物生長發(fā)育函數(shù)，實(shí)現(xiàn)作物的長勢預(yù)測、病蟲害預(yù)測及各種控制決策提供依據(jù)。參數(shù)設(shè)置模塊是根據(jù)農(nóng)作物不同種類、不同季節(jié)等信息設(shè)置報(bào)警參數(shù)，當(dāng)某數(shù)據(jù)超越報(bào)警參數(shù)，及時(shí)給管理人員、專家發(fā)送報(bào)警信息，已達(dá)到及時(shí)調(diào)節(jié)，避免外界環(huán)境的變化給農(nóng)作物帶來不利影響等效果。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)在廣東石油化工學(xué)院創(chuàng)新溫室大棚中投入使用，設(shè)置了5個(gè)節(jié)點(diǎn)（1個(gè)主節(jié)點(diǎn)，4個(gè)從節(jié)點(diǎn)）。經(jīng)過一年測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能準(zhǔn)確地采集設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)采集參數(shù)指標(biāo)如下：

空氣溫度：16.8～26.08 ℃，誤差為±0.5 ℃；

空氣濕度：52.3%～75%RH， 誤差為±2%；

土壤溫度：21.6～23.7℃ ， 誤差為±0.5 ℃；

土壤濕度：72.9%～75.6%RH ，誤差為±3%；

光照強(qiáng)度：1 800～20 000 Lux， 誤差為±20%；

二氧化碳濃度：700 ～1 200 ppm，偏差為30 ppm。

結(jié)合上位機(jī)，本系統(tǒng)的客戶端能設(shè)置作物信息和報(bào)警參數(shù)，能根據(jù)查詢分析數(shù)據(jù)診斷出作物生長狀態(tài)，并能遠(yuǎn)程智能控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)的使用為植物提供一個(gè)適宜的生長環(huán)境，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]馬增煒，馬錦儒，李亞敏.基于WIFI的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011（2）：154-157+162.

[2]宣傳忠. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能管理系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程，2013，3（2）：22-26.

[3]侯加林. 基于作物生長模型的溫室智能控制系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009（2）：71-73+103.

[4] 華晶，何火嬌，殷華. 基 于WSN的農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013（11）：135-139.

[5] 常超，鮮曉東，胡穎.基于程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24（6）：879-883.

[6]張青春.基于CC2530農(nóng)作物生長參數(shù)監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（1）：44-47.

[7] 丁欣， 孫智卿， 郭鵬舉. 基于ARM 的智能溫室控制系統(tǒng)[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（1）：56-60.

[8]張水保，徐守志，李豐杰.智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（2），76-79.

[9] 張素， 劉宇， 謝云芳. 基于遺傳算法的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫室溫度控制器[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2009（10）：165-168.

[10] 劉坤 .基于云服務(wù)器的信息安全虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)安全，2013（3）：70-73.

Online monitoring system for facility agriculture based on IOT

ZHANG Feng， HUANG Shu-zhou， LIN Ji-liang

（College of Computer and Electronic information， Guangdong University of Petrochemical Technology， Maoming 525000， China）

Abstract： A facility agriculture online monitoring system based on IOT has been designed with IOT technology， embedded technology and cloud server technology. The system can real-time monitor the agricultural environment parameters and growth condition of crops， and realize the monitoring of the scattered greenhouse environment condition， intelligent remote control of the device， query and information services of image video and data online. Thus the greenhouse environment is suitable for crop growth and resources utilization is improved.

Keywords： IOT； facility agriculture； wireless sensor network； monitoring system

[5] 常超，鮮曉東，胡穎.基于程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24（6）：879-883.

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Online monitoring system for facility agriculture based on IOT

ZHANG Feng， HUANG Shu-zhou， LIN Ji-liang

（College of Computer and Electronic information， Guangdong University of Petrochemical Technology， Maoming 525000， China）

Abstract： A facility agriculture online monitoring system based on IOT has been designed with IOT technology， embedded technology and cloud server technology. The system can real-time monitor the agricultural environment parameters and growth condition of crops， and realize the monitoring of the scattered greenhouse environment condition， intelligent remote control of the device， query and information services of image video and data online. Thus the greenhouse environment is suitable for crop growth and resources utilization is improved.

Keywords： IOT； facility agriculture； wireless sensor network； monitoring system

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Online monitoring system for facility agriculture based on IOT

ZHANG Feng， HUANG Shu-zhou， LIN Ji-liang

（College of Computer and Electronic information， Guangdong University of Petrochemical Technology， Maoming 525000， China）

Abstract： A facility agriculture online monitoring system based on IOT has been designed with IOT technology， embedded technology and cloud server technology. The system can real-time monitor the agricultural environment parameters and growth condition of crops， and realize the monitoring of the scattered greenhouse environment condition， intelligent remote control of the device， query and information services of image video and data online. Thus the greenhouse environment is suitable for crop growth and resources utilization is improved.

Keywords： IOT； facility agriculture； wireless sensor network； monitoring system