毛曉娟 劉家祥 任妮 荀廣連 劉楊

摘要：針對(duì)目前數(shù)字溫室環(huán)境遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，如缺少控制策略的制定或無(wú)法修改設(shè)備控制過(guò)程中的參數(shù)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字溫室環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)交互層、服務(wù)層和應(yīng)用層?；A(chǔ)設(shè)施層包含傳感器感知設(shè)備、控制終端設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器等硬件設(shè)備。數(shù)據(jù)交互層實(shí)現(xiàn)傳感器和終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分發(fā)等功能。服務(wù)層作為系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的集成中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、分析、策略規(guī)則和報(bào)警機(jī)制等功能。應(yīng)用層提供溫室環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)查詢、遠(yuǎn)程控制、控制計(jì)劃和策略的設(shè)置，以及報(bào)警等功能。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)功能全面，界面友好，操作簡(jiǎn)單，能夠滿足溫室環(huán)境遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的基本需求。

關(guān)鍵詞：數(shù)字溫室;物聯(lián)網(wǎng);環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng);環(huán)境管控

中圖分類號(hào)：S625.5?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：1002-1302（2020）21-0229-04

隨著傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、通信以及智能控制等技術(shù)的飛速發(fā)展[1-2]，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理深度融合，對(duì)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力、推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義[3-5]。數(shù)字溫室作為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一種重要形式，因其具有可感知、可調(diào)控等特點(diǎn)，能夠?qū)囟?、濕度、光照等環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)外基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)比較成熟[6-9]，自動(dòng)化、智能化程度較高，但價(jià)格昂貴，后期維護(hù)成本高，以及存在本地化適用障礙等，難以在我國(guó)溫室種植中大規(guī)模推廣。當(dāng)前我國(guó)基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)大多以環(huán)境監(jiān)測(cè)為主[10]，部分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能，但無(wú)法制定控制計(jì)劃或策略[11]，還有部分系統(tǒng)無(wú)法修改設(shè)備控制過(guò)程中的參數(shù)等，導(dǎo)致其可用性、易用性問(wèn)題明顯。

針對(duì)目前溫室環(huán)境遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種數(shù)字溫室環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，充分利用溫室大棚中空氣溫濕度、光照度、二氧化碳濃度等檢測(cè)值，通過(guò)自定義控制規(guī)則實(shí)施控溫、通風(fēng)、補(bǔ)光等自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字溫室的自動(dòng)化、便捷化管控，實(shí)踐表明，該系統(tǒng)功能全面、界面友好、操作簡(jiǎn)單，能夠滿足溫室環(huán)境遠(yuǎn)程等測(cè)控系統(tǒng)的基本需求。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字溫室環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)為瀏覽器/服務(wù)器（B/S）架構(gòu)，主要由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)交互層、服務(wù)層、應(yīng)用層組成（圖1）。

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是該系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)層，主要包含傳感器感知設(shè)備、控制終端設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器等。利用傳感器等感知設(shè)備能夠采集溫室中空氣溫度、空氣濕度、光照度和二氧化碳濃度等環(huán)境因子。控制終端設(shè)備包括鈉燈、風(fēng)機(jī)、濕簾、天窗等環(huán)境調(diào)控裝置，它們?cè)诮邮者h(yuǎn)程用戶的控制指令后，經(jīng)由服務(wù)器處理，發(fā)送給可編程邏輯控制器（PLC），PLC通過(guò)控制電磁繼電器和接觸器的通斷來(lái)控制溫室內(nèi)設(shè)備運(yùn)行。視頻監(jiān)控設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)了解溫室內(nèi)部的作物生長(zhǎng)情況和設(shè)備運(yùn)行狀況。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要采用ZigBee（紫蜂協(xié)議）網(wǎng)關(guān)，服務(wù)器設(shè)備采用Linux嵌入式系統(tǒng)。

1.2 數(shù)據(jù)交互層

數(shù)據(jù)交互層作為通信的橋梁，介于基礎(chǔ)設(shè)施層和服務(wù)層之間。本系統(tǒng)中涉及的傳感器種類繁多，通信方式有ZigBee、Z-wave、 藍(lán)牙、 Wi-Fi等多種方式，協(xié)議適配模塊能夠?qū)崿F(xiàn)不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一。設(shè)備連接管理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程配置和管理，主要用于設(shè)備之間的連接管理，監(jiān)測(cè)設(shè)備的上線、下線和連接異常。數(shù)據(jù)分發(fā)管理將傳感器數(shù)據(jù)分發(fā)給存儲(chǔ)、處理、分析和報(bào)警等模塊，可以提高數(shù)據(jù)感知的實(shí)時(shí)性。

1.3 服務(wù)層

服務(wù)層是系統(tǒng)的核心，主要包括數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析、計(jì)劃管理、策略規(guī)則和控制設(shè)備的報(bào)警機(jī)制等服務(wù)機(jī)制。利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)統(tǒng)一處理來(lái)自多傳感器和不同系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)空氣溫濕度、光照度和二氧化碳濃度等環(huán)境因子數(shù)據(jù)的分析挖掘來(lái)制定控制終端設(shè)備運(yùn)行規(guī)則。通過(guò)規(guī)則條件約束來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)劃管理。根據(jù)環(huán)境因子閾值的設(shè)定和信息推送技術(shù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警機(jī)制。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層是基于瀏覽器的網(wǎng)頁(yè)可視化，采用HTML5和CSS3標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。本層實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示、終端設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制、控制計(jì)劃設(shè)置、控制策略的自定義、報(bào)警和歷史查詢等功能。根據(jù)用戶的身份采取不同的用戶權(quán)限管理。管理員不僅能查詢現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀況等運(yùn)行信息，還具有遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等權(quán)限。普通用戶僅可以查詢溫室現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀況。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多源數(shù)據(jù)融合

本系統(tǒng)涉及的感知終端來(lái)自不同廠家，存在傳感器類型多樣化、傳輸協(xié)議（FTP、REST、MQTT、SOCKET等）和數(shù)據(jù)格式（結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）差異性特點(diǎn)明顯、數(shù)據(jù)傳輸周期互不相同等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。本系統(tǒng)通過(guò)文本解析、單位換算、統(tǒng)一時(shí)間間隔等程序，在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作，形成規(guī)范化數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)，從而確保系統(tǒng)能夠?yàn)閿?shù)據(jù)交互共享提供統(tǒng)一的接口。

2.2 控制邏輯設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)支持以手動(dòng)和自動(dòng)2種模式實(shí)現(xiàn)數(shù)字溫室中設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。大多數(shù)溫室調(diào)控系統(tǒng)的自動(dòng)模式會(huì)以隱式的方式存在，不利于用戶直接調(diào)試。本系統(tǒng)針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，以空氣溫度和光照為主要因素，空氣濕度為輔助因素，制定基礎(chǔ)調(diào)控規(guī)則模板;以策略自定義的頁(yè)面顯示方式，方便用戶基于調(diào)控規(guī)則模板靈活設(shè)置個(gè)性化策略。當(dāng)前溫室存在多種控制設(shè)備，規(guī)則定義模式復(fù)雜多樣，本系統(tǒng)利用規(guī)則引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)控規(guī)則的執(zhí)行，從而降低技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和運(yùn)維成本。另外，本系統(tǒng)還通過(guò)預(yù)定義語(yǔ)義模塊編寫(xiě)調(diào)控規(guī)則，并將調(diào)控規(guī)則從應(yīng)用程序代碼中分離出來(lái)，減少程序的耦合性。

2.3 跨系統(tǒng)接口調(diào)用

溫室中控制模塊使用PLC獲取和控制設(shè)備，環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊使用ZigBee網(wǎng)關(guān)獲取傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。溫室現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)來(lái)源于不同的硬件系統(tǒng)，為了不依賴于語(yǔ)言和平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同的語(yǔ)言間的相互調(diào)用，本研究采用web service接口，通過(guò)Internet（因特網(wǎng)）進(jìn)行基于http（超文本傳輸協(xié)議）的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用間的交互。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊采用RESTful（一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)風(fēng)格和開(kāi)發(fā)方式）的接口調(diào)用方式，設(shè)備控制模塊采用SOAP（簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議）的接口調(diào)用方式。

2.4 頁(yè)面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

該系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫室中來(lái)自傳感器的環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息，并且涉及大量的設(shè)備狀態(tài)歷史查詢、計(jì)劃設(shè)置、報(bào)警查詢、設(shè)備控制等操作。本研究采用Ajax（異步 JavaScript 和 XML）技術(shù)實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)交互，能夠減輕服務(wù)器負(fù)擔(dān)，增加頁(yè)面反應(yīng)速度，提高用戶體驗(yàn)。遠(yuǎn)程客戶端調(diào)用SetInterval函數(shù)定時(shí)向web服務(wù)器發(fā)出http請(qǐng)求，web服務(wù)器接到請(qǐng)求調(diào)用web service接口，獲取到實(shí)時(shí)的傳感器環(huán)境數(shù)據(jù)或者現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信息，以json（JavaScript 對(duì)象簡(jiǎn)譜）數(shù)據(jù)格式傳給Ajax引擎，返回客戶端，瀏覽器根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，頁(yè)面刷新，通過(guò)圖2的請(qǐng)求過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新的功能。

3 系統(tǒng)部署與運(yùn)行

本系統(tǒng)在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地的智能溫室中部署并調(diào)試。該智能溫室為文洛式玻璃溫室，為6塊區(qū)域，分別種植不同品種的番茄。該溫室內(nèi)部署有視頻、土壤環(huán)境、空氣環(huán)境、植物本體等多類型感知終端，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境和植物生長(zhǎng)指標(biāo)。溫室的環(huán)境調(diào)控設(shè)備包括6組鈉燈、2組頂天窗、2組濕簾風(fēng)機(jī)、外遮陽(yáng)、內(nèi)遮陰、內(nèi)保溫等，均已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

本系統(tǒng)部署后能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境因子實(shí)時(shí)監(jiān)看、遠(yuǎn)程控制、實(shí)施計(jì)劃、報(bào)警、歷史查詢等功能（圖3）。實(shí)時(shí)監(jiān)看功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室當(dāng)前環(huán)境信息（空氣溫度、濕度、光照度等）以及當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息（天窗，鈉燈，風(fēng)機(jī)等設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)）的查詢。遠(yuǎn)程控制功能支持提供15種設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，在該功能中用戶可以切換模式為自動(dòng)模式或者手動(dòng)模式（圖4）。其中，當(dāng)前狀態(tài)為手動(dòng)模式時(shí)，用戶可以遠(yuǎn)程控制設(shè)備的運(yùn)行方式，如開(kāi)啟鈉燈組等操作。實(shí)施計(jì)劃功能可以新建、編輯、查詢和刪除硬件控制實(shí)施計(jì)劃。報(bào)警功能可以對(duì)當(dāng)前溫室環(huán)境指標(biāo)異常發(fā)出警報(bào)，更好地管理溫室的作物生態(tài)環(huán)境。歷史查詢功能可以對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和操作歷史信息進(jìn)行查詢。

4 結(jié)論

本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了數(shù)字溫室的環(huán)境自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)交互層、服務(wù)層和應(yīng)用層。設(shè)計(jì)中各部分相對(duì)獨(dú)立，各部分之間的交互利用web service接口形式，實(shí)現(xiàn)了去耦合功能，具有較高的可擴(kuò)展性和實(shí)用性?？刂葡到y(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)。根據(jù)溫室的實(shí)際管理情況，設(shè)計(jì)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制2種模式，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況自由切換;提供基礎(chǔ)調(diào)控規(guī)則模板，設(shè)計(jì)自定義策略設(shè)置功能，實(shí)現(xiàn)用戶的個(gè)性化需求。本系統(tǒng)中涉及的環(huán)境因子閾值基于專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，沒(méi)有基于當(dāng)前溫室的實(shí)際情況，未來(lái)將基于當(dāng)前數(shù)字溫室中作物生長(zhǎng)建立環(huán)境智能調(diào)控模型，獲取實(shí)際溫室中最優(yōu)環(huán)境閾值和環(huán)境調(diào)控規(guī)則。

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