基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用_龔琴.pdf

第 30 卷第1期 2022 年 2 月 Vol 30 No 1 Feb 2021 電腦與信息技術(shù) Computer and Information Technology 文章編號(hào) 1005 1228 2022 01 0053 04 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 龔 琴 閩南科技學(xué)院 福建 泉州 362332 摘 要 我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在向標(biāo)準(zhǔn)化 規(guī)模化 集約化 精細(xì)化轉(zhuǎn)型 并已進(jìn)入快速轉(zhuǎn)型階段 為了積極響應(yīng)國(guó)家 提出的發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策 采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 在各種功能無線傳感器應(yīng)用基礎(chǔ)上 構(gòu)建一個(gè)基于 OneNet 云平 臺(tái)的溫室大棚種植智能監(jiān)控系統(tǒng) 有關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)的工作人員與專家均可運(yùn)用遠(yuǎn)程終端登錄到云平臺(tái) 及時(shí)檢測(cè)大棚 中農(nóng)作物成長(zhǎng)狀況與場(chǎng)地周邊環(huán)境 推斷農(nóng)作物的成長(zhǎng)環(huán)境有無達(dá)到科學(xué)標(biāo)準(zhǔn) 有無越過環(huán)境數(shù)據(jù)規(guī)定的閾值后自 動(dòng)發(fā)出警報(bào) 相同對(duì)比栽種的經(jīng)驗(yàn) 通過遠(yuǎn)程控制溫室大棚里的風(fēng)機(jī) 滴灌噴灌 遮陽簾電機(jī)等器械點(diǎn)裝置實(shí)現(xiàn)操作 有利于管理人員進(jìn)行操作 關(guān)鍵詞 OneNet 云平臺(tái) 智能農(nóng)業(yè) 溫室大棚 物聯(lián)網(wǎng) 中圖分類號(hào) TP393 08 TP311 13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A Application of Greenhouse Intelligent Monitoring System Based on Internet of Things in Agriculture GONG Qin Minnan University of science and technology Quanzhou 362332 China Abstract China s traditional agriculture is transforming to standardization scale intensification and refinement and has entered a stage of rapid transformation In order to actively respond to the national industrial policy of developing modern agriculture an intelligent monitoring system for greenhouse planting based on onenet cloud platform is constructed by using Internet of things technology and various functional wireless sensor applications The staff and experts of relevant professional institutions can log in to the cloud platform by using the remote terminal to timely detect the growth status of crops in the greenhouse and the surrounding environment of the site infer whether the growth environment of crops has reached the scientific standard and automatically send out an alarm if it has crossed the threshold specified by the environmental data Compared with the same planting experience the remote control of the fan drip irrigation sprinkler sunshade motor and other equipment points in the greenhouse can help the management personnel to operate Key words OneNet cloud platform intelligent agriculture greenhouse Internet of things 收稿日期 2021 07 13 基金項(xiàng)目 2019 年福建省科技類中青年項(xiàng)目 項(xiàng)目編號(hào) JAT191042 作者簡(jiǎn)介 龔琴 1986 女 湖北監(jiān)利人 講師 碩士研究生 主要研究方向 物聯(lián)網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)安全等 福建位于亞熱帶氣候區(qū) 水果蔬菜的種類五花八 門 而且有較強(qiáng)的季節(jié)性 如果使用溫室大棚栽種具 備閩南特色的高附加值的農(nóng)作物 不僅農(nóng)民的生活水 平得到改進(jìn)還提高了農(nóng)民收益 而且現(xiàn)代化農(nóng)村建設(shè) 進(jìn)程會(huì)得到提速 但是 罕見的水果蔬菜等高附加值 農(nóng)作物的栽種需求十分嚴(yán)苛的環(huán)境 栽種時(shí)要求精耕 細(xì)作 萬分細(xì)心 過程中需消耗很多人力物力資源 在此環(huán)境的要求下 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)務(wù)必選擇現(xiàn)代器械 實(shí) 施智能化 信息化管控 才可節(jié)約生產(chǎn)栽種成本 有 助于安全監(jiān)管的提高與產(chǎn)品產(chǎn)量的增加舉措 所以 利用物聯(lián)網(wǎng) 可讓很多功能通過無線傳感器應(yīng)用的根 基 建立一個(gè)基于 OneNet 云平臺(tái)的溫室大棚種植智 能監(jiān)控系統(tǒng) 有重要價(jià)值 對(duì)該智能系統(tǒng)進(jìn)行使用并 同步測(cè)試其內(nèi)部各方面性能 多次反復(fù)進(jìn)行操作后結(jié) 果都顯示 其不僅僅反饋信號(hào)傳遞精準(zhǔn) 并且接受指 令后皆可以有效控制 除此之外 還呈現(xiàn)出了低數(shù)值 DOI 10 19414 ki 1005 1228 2022 01 023 電腦與信息技術(shù) 2022 年 2 月 54 功耗 該系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)都具備穩(wěn)定性 完全符合溫室 大棚當(dāng)中實(shí)現(xiàn)智能化的把控以及相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取方面 的要求 1 數(shù)據(jù)采集層 數(shù)據(jù)采集層重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚環(huán)境訊息的獲 取 重點(diǎn)需要傳感器對(duì)周邊光照強(qiáng)度 空氣的CO2 濃度 土壤中水分 溫室內(nèi)空氣溫濕度 以及承擔(dān)現(xiàn) 場(chǎng)勘察 監(jiān)測(cè)的無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭等的傳感器 專家?guī)?當(dāng)中包含著各項(xiàng)專業(yè)知識(shí) 例如生長(zhǎng)條件診斷 相關(guān) 農(nóng)作物有關(guān)知識(shí)了解和專家交流等等 專家?guī)焓峭ㄟ^ 對(duì)各個(gè)方面有關(guān)信息進(jìn)行整合 分析和篩選后產(chǎn)生 的 利于用戶能及時(shí)搜索有關(guān)農(nóng)作物的種植技術(shù) 及 時(shí)診斷農(nóng)作物在不同時(shí)期的各個(gè)情況與其相應(yīng)的防范 計(jì)劃 及時(shí)了解農(nóng)作物發(fā)生的情況 1 本文以光照敏感度傳感器來講解其具體的實(shí)現(xiàn) 光敏傳感器采用ML 020S O 它的一般會(huì)被使用于 處于高照度的環(huán)境中 顧名思義 我們對(duì)其的原理應(yīng) 該不難想象 其內(nèi)部存在光敏元件 視為轉(zhuǎn)變媒介 最終的電信號(hào)就是在其中有原本的光信號(hào)轉(zhuǎn)變的 該 傳感器主要任務(wù)就是對(duì)光照值進(jìn)行收集 其的量程值 為 0 150000lux 通常情況下 我們?cè)诳梢姷募t外波 長(zhǎng)的周邊就可以發(fā)現(xiàn)該傳感器的敏感波長(zhǎng) 當(dāng)然 在 紫外線波長(zhǎng)附近也是如此 遮陽板會(huì)受到直流電機(jī)的 影響開啟正常工作模式 開始進(jìn)行相關(guān)的遮光 下表 1 所呈現(xiàn)的是電機(jī)以及光敏感器相關(guān)數(shù)據(jù) 并且這兩 者的設(shè)計(jì)皆涉及到 AGCP 通信協(xié)議 溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一套非常復(fù)雜的系統(tǒng) 每個(gè)環(huán)境變量間有著互相耦合的情況 對(duì)溫室大棚內(nèi) 的某一環(huán)境變量進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制 必然會(huì)引起其他環(huán) 境變量的變化 為更好的消除各個(gè)變量參數(shù)之間的耦 合關(guān)系 需要通過算法進(jìn)行解耦計(jì)算 PID 算法控制 系統(tǒng)原理如下圖 1 所示 圖 1 PID 控制算法原理圖 整合確定算法的參數(shù)是PID 控制系統(tǒng)得以有效 實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)部分 通過本次設(shè)計(jì)的多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)滯后 這一狀況不僅存在與溫度控制當(dāng)中 在濕度進(jìn)行控制 時(shí)也同樣的出現(xiàn)了這一狀況 在對(duì)算法參數(shù)進(jìn)行整定 方法選擇時(shí) 最終確定的是工程整定法 各項(xiàng)整定法 最終目的都是為實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)能夠達(dá)到最優(yōu)化 只是 不同的方法其的過程各不相同 其中工程整定法是在 工程的實(shí)際把控當(dāng)中將目的進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的 階躍響應(yīng)函 數(shù)是在使用工程整定法是不可或缺的輔助函數(shù) 這是 由于該整定法當(dāng)中存在臨界比例法要利用該函數(shù)才能 夠有效實(shí)現(xiàn) 在溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)融合智能調(diào)控方 式 即可完成溫室內(nèi)各類環(huán)境數(shù)據(jù)的最優(yōu)化控制 進(jìn) 而加大農(nóng)作物生產(chǎn)成效 農(nóng)作產(chǎn)品質(zhì)量得到改善 2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用范圍頗廣 其 不僅在自組網(wǎng)中適用 在多點(diǎn)中繼網(wǎng)中也匹配 而網(wǎng) 絡(luò)層方面也是采用該技術(shù) 目前推出的應(yīng)用最廣泛的 是 ZigBee 協(xié)議棧 Z Stack Z Stack 協(xié)議界說了眾多 功能函數(shù) 使用這些函數(shù)則用戶的各類程序設(shè)計(jì)將得 到完成 依照函數(shù)完成的不同功能 我們一般分三類 網(wǎng)絡(luò)管理及維護(hù) 組網(wǎng) 協(xié)調(diào)器的啟動(dòng) 其有著不相 同的職責(zé) 3 Z Stack 的運(yùn)作步驟大致如下圖 2 示 圖 2 Z Stack 的主要工作流程 表 1 光照控制模塊通信協(xié)議 傳感器 屬性 參數(shù) 說明 光敏傳感器 數(shù)值 X0 恍敏數(shù)值 浮點(diǎn)型 0 1 精度 上報(bào)狀態(tài) Y1 OY1 CY1 Y1 的 BitO 表示上報(bào)狀態(tài) 上報(bào)間隔 TO 修改主動(dòng)上報(bào)的時(shí)間間隔 電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài) Y1 OY1 CY1 Y1 的 BitO 表示轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài) Bitl 表示正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)速 VO 表示轉(zhuǎn)速 第 30 卷第1期 55 龔 琴 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 組成一個(gè)Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)需要三種邏輯設(shè)備即 協(xié)調(diào)器 路由器以及終端設(shè)備 協(xié)調(diào)器運(yùn)行后將選取 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符還有某個(gè)信道 此刻網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)運(yùn)行 協(xié)調(diào) 器啟用允許綁定的狀態(tài) 系統(tǒng)會(huì)在Zigbee無線網(wǎng)絡(luò) 建立后開始運(yùn)行 終端節(jié)點(diǎn)會(huì)將傳感器采集的數(shù)據(jù)逐 級(jí)上傳 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在獲取到由采集節(jié)點(diǎn)上傳輸來的 多種溫室數(shù)據(jù)時(shí) 他會(huì)將數(shù)據(jù)上傳至主控制器 主控 制器會(huì)根據(jù)已有的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行智能分析來進(jìn)行對(duì)溫室 的控制 如判斷王壤水分含量是否充足 然后做出是 否進(jìn)行灌概的控制命令 在Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)中 路由器處于總監(jiān)部分 它承擔(dān)了承上啟下的中轉(zhuǎn)站作用 終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)值通 過路由器下發(fā)到協(xié)調(diào)器 協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)命令通過相應(yīng)的 路由器發(fā)到對(duì)應(yīng)的終端設(shè)備得到支配 路由器節(jié)點(diǎn)的 運(yùn)行流程如下圖 3 所示 當(dāng)設(shè)備開啟時(shí)調(diào)用路由啟動(dòng) 函數(shù) NLME Start Router Request 路由節(jié)點(diǎn)作為中 轉(zhuǎn)接點(diǎn) 增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性 4 圖 3 路由器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行流程圖 終端節(jié)點(diǎn)是整個(gè)Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)最底層的節(jié)點(diǎn) 能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)的信息進(jìn)行采集 在一個(gè) Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)中 終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)目一般很多 可以通過選 擇睡眠和喚醒來控制終端的控制設(shè)備采集信息 osal start timer Ex 函數(shù)相當(dāng)于是一個(gè)中介 它是在指令 成功被ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)所收到后進(jìn)行觸動(dòng)下一步 的介質(zhì) 簡(jiǎn)單來說 要想對(duì) SEND DATA EVT 事件 進(jìn)行觸動(dòng) 那么一定要通過 osal start timer Ex 函 數(shù) 當(dāng)定時(shí)時(shí)間到后該事件就會(huì)被觸發(fā) Serial App Process Event 函數(shù)調(diào)用傳感器采集程序并將采集到 的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 終端節(jié)點(diǎn)的 工作流程圖如下圖 4 所示 圖 4 終端節(jié)點(diǎn)工作流程圖 ZigBee 的三類網(wǎng)絡(luò)中 網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)是三種網(wǎng)絡(luò)中 抗干擾性最好 最靈敏 構(gòu)造最復(fù)雜的一個(gè) 數(shù)據(jù)傳 輸時(shí) 其可選取最佳路徑 而且若傳輸時(shí)有個(gè)節(jié)點(diǎn)失 敗 還可選取其他可用路徑進(jìn)行通信 對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信造 成影響基本可忽略 可完成自我修復(fù) 進(jìn)而增加網(wǎng)絡(luò) 的穩(wěn)定性與可靠性 不好的是因?yàn)镕FD節(jié)點(diǎn)分散較 多 致使其有較高的網(wǎng)絡(luò)成本 且網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造繁雜 但 網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò)安全性較高 在遭到外界侵?jǐn)_時(shí) 數(shù)據(jù)會(huì) 自選更可靠的路徑傳遞數(shù)據(jù) 以此抗擾 依據(jù)解析 網(wǎng)絡(luò)型適合使用在大范圍的網(wǎng)絡(luò)中 3 終端應(yīng)用層 終端應(yīng)用層位于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的頂層 它涵蓋 了多樣不同的服務(wù)需要 它重點(diǎn)是采用專家系統(tǒng) 云 計(jì)算平臺(tái)等對(duì)感知層獲取到的數(shù)值展開處理與解析 由此達(dá)到各類的業(yè)務(wù)需要 把整理后的信息傳達(dá)到控 制設(shè)備 進(jìn)而完成對(duì)獲取到的物理世界的數(shù)值展開控 制 處理 科學(xué)決策與精準(zhǔn)計(jì)算 本系統(tǒng)選取的為中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)公司推薦的一 個(gè)基于 IOT 的開放平臺(tái) OneNet 設(shè)備云平臺(tái)其允許 通過 GPRS WiFi 太網(wǎng)口三類的數(shù)據(jù)通信方法 本 文遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要終端設(shè)備經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)與 One NET云平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接 平臺(tái)的接入首先需要用戶進(jìn) 行云平臺(tái)的用戶注冊(cè) 來創(chuàng)建自己的 開發(fā)者中心 5 平臺(tái)可以有企業(yè)以及個(gè)人兩類用戶注冊(cè)方法 用戶注 冊(cè)可按照自身的應(yīng)用進(jìn)行注冊(cè) 本文運(yùn)用的為EDP 協(xié)議實(shí)行設(shè)備接入 一類數(shù)據(jù)可解釋為一個(gè)數(shù)據(jù)流 例如空氣的濕度 傳感器的溫度 方位的經(jīng)緯度等 電腦與信息技術(shù) 2022 年 2 月 56 允許用戶建立自身的應(yīng)用 在應(yīng)用內(nèi)允許實(shí)行圖形界 面的設(shè)計(jì)有 觸發(fā)器的設(shè)置 數(shù)據(jù)流的圖形展示等 如下圖 5 所示是云平臺(tái)設(shè)備的接入流程 圖 5 云平臺(tái)設(shè)備接入流程 EDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議屬于云平臺(tái) 并且其也是本次系 統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面進(jìn)行抉擇的最優(yōu)選 相關(guān)數(shù)據(jù)由傳 感器進(jìn)行收集后再利用 POST 進(jìn)行整合打包 系統(tǒng)中 的控制指令由云平臺(tái)傳達(dá)出的 而對(duì)指令進(jìn)行分析理 解方面利用到的方法是GET 主控器一般存在于主 現(xiàn)場(chǎng) 而對(duì)于受控制終端處于距離遠(yuǎn)的地方需要利用 到傳通媒介 即 Wifi 網(wǎng)絡(luò) 1 對(duì)所擬定產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)建 首先在One Net 要填入有關(guān)信息進(jìn)行賬號(hào)的申請(qǐng)注冊(cè) 接著對(duì)所擬定 產(chǎn)品進(jìn)行添加 2 對(duì)匹配設(shè)備進(jìn)行建立 設(shè)備是加入于所擬 定已創(chuàng)建的產(chǎn)品之下 對(duì)設(shè)備的關(guān)鍵信息等進(jìn)行設(shè) 置 3 構(gòu)建連接 首要進(jìn)行連接的 EDP 接著其 成為主控器與云平臺(tái)聯(lián)系的介質(zhì) 這些操作皆是服務(wù) 于 TCP 連接 最后又是通過 EDP 協(xié)議進(jìn)行各項(xiàng)組合 通信 TCP客戶端是該文系統(tǒng)中首要達(dá)到的基本實(shí)現(xiàn) 目標(biāo) 這其中的過程如下 明確要建立的對(duì)象為 socket 利用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行創(chuàng)建 緊接著為了能夠其 可以和 TCP 服務(wù)器端進(jìn)行連接 利用 connect 函數(shù) 進(jìn)行實(shí)現(xiàn) 最后 再信息相互交換的環(huán)節(jié)采用了兩 個(gè)不同的函數(shù)進(jìn)行 分別是 Read 和 Write 函數(shù) OneNET 云平臺(tái)允許在任意網(wǎng)頁上實(shí)施嵌入 可以自 己設(shè)計(jì)需想要的界面 還允許自定義程序界面的大小 尺寸 使開發(fā)加倍方便 用戶不僅可以使用 WEB 登 錄本人的 OneNET 程序界面實(shí)行環(huán)境的監(jiān)測(cè) 還可以 使用手機(jī)APP客戶端實(shí)行環(huán)境的監(jiān)測(cè) 用戶界面友 善 操作便利 4 結(jié)束語 文章主要研究主體是溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè) 中的應(yīng)用 形成其輔助的是互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中的智能化 及 時(shí)搜集溫室大棚的環(huán)境訊息 后控制大棚環(huán)境依據(jù)設(shè) 計(jì)的專家?guī)?及時(shí)會(huì)診農(nóng)作物在不同生長(zhǎng)的每個(gè)情況 與相應(yīng)的防患措施 特殊情況也包括在內(nèi) 例如農(nóng)作 物某種呈現(xiàn)突發(fā)異常狀態(tài) 這些都對(duì)如何對(duì)農(nóng)作物的 生產(chǎn)數(shù)量進(jìn)行提高和對(duì)其利潤(rùn)進(jìn)行提升產(chǎn)生息息相關(guān) 的聯(lián)系 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有關(guān)產(chǎn)品成本的減少與系統(tǒng) 繁瑣性的簡(jiǎn)化 以軟件與信息為主的智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模 式將收獲愈來愈多農(nóng)民的肯定 但是大規(guī)模擴(kuò)張應(yīng)用 依舊有許多難題仍待解決 例如系統(tǒng)維護(hù) 數(shù)據(jù)安全 偏遠(yuǎn)嚴(yán)苛環(huán)境下的供電問題等 要使我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)邁向成熟唯有把難題均解決 參考文獻(xiàn) 1 黃桑 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚種植監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) D 濟(jì)南 山東大學(xué)軟件學(xué)院 2016 2 彭炫 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大棚環(huán)境變量解耦控制系統(tǒng)的研究 與開發(fā) D 烏魯木齊 新疆大學(xué)機(jī)械學(xué)院 2018 3 宋曉萌 草莓溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā) D 泰安 山 東農(nóng)業(yè)大學(xué) 2018 4 包漢斌 基于單片機(jī)的日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) D 沈 陽 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 2017 5 崔憲偉 一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究 D 青島 青島科技大學(xué) 2018