基于商業(yè)云平臺植物工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

基于商業(yè)云平臺植物工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)尚志躍1， 曾 成1， 張 馨2， 鄭文剛2( 1 河北工業(yè)大學 電子信息工程學院 ， 天津 300401; 2 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心 ， 北京 100097)摘 要 : 植物工廠作為設(shè)施園藝發(fā)展的最高階段 ， 以其科技含量高 、資源利用率高 、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)等特點成為都市農(nóng)業(yè) 、垂直農(nóng)業(yè)及太空農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的研究熱點 。針對當前環(huán)境監(jiān)測技術(shù)公網(wǎng)接入復雜 、體積大及網(wǎng)絡(luò)化管理程度低的問題 ， 構(gòu)建智能 WiFi 傳感器 ， 嘗試采用商業(yè)云服務(wù)平臺實現(xiàn)植物工廠內(nèi)溫度 、濕度 、光照強度及 CO2濃度的采集并通過無線網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)平臺交互等功能 ， 利用手機 APP 及 PC 端訪問云平臺兩種方式完成植物工廠的遠程監(jiān)控 。實驗表明 : 本系統(tǒng)穩(wěn)定性好 、可靠性高 ， 利用很少的網(wǎng)絡(luò)帶寬即可實時準確地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?。通過云平臺的接入提高了數(shù)據(jù)服務(wù)的穩(wěn)定性 ， 無需重復構(gòu)建云平臺 ， 提高了開發(fā)速度并降低應(yīng)用成本 ， 很好地滿足了植物工廠環(huán)境監(jiān)測的需求 。關(guān)鍵詞 : 植物工廠 ; 無線傳感網(wǎng)絡(luò) ; 環(huán)境監(jiān)測 ; 云服務(wù) ; 物聯(lián)網(wǎng)中圖分類號 : S24; TN836 文獻標識碼 : A 文章編號 : 1003 188X( 2017) 09 0007 070 引言植物工廠的概念最早由日本提出 1 2， 其優(yōu)勢是土地利用率高 、產(chǎn)量高 、科技含量高 ， 同時能夠擺脫環(huán)境限制 ， 為植物生長提供適宜環(huán)境 ， 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展 。雖然植物工廠存在建設(shè) 、運營成本高等問題 ， 但從科學研究到商業(yè)推廣依然是當前熱點方向 ，發(fā)展非常迅速 。截止 2014 年 ， 日本已建成植物工廠304 座 ， 并形成出口產(chǎn)業(yè) ， 美國 、荷蘭 、英國等國開始示范構(gòu)建密閉式植物工廠 3 4。我國植物工廠起步較晚 ， 依靠國家的支持發(fā)展迅速 ， 在植物工廠人工光源 、水培設(shè)備 、結(jié)構(gòu)構(gòu)成及空調(diào)系統(tǒng)等方面取得了較好的成果 。據(jù) 2015 年 6 月統(tǒng)計 ， 我國總共建成植物工廠80 座 ， 包括密閉式 、家庭式及智能化數(shù)字型等多類型植物工廠 4， 發(fā)展形勢較好 。準確測量環(huán)境參數(shù)對于植物工廠環(huán)境調(diào)控至關(guān)重要 ， 目前能夠用于植物工廠的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)有線模擬傳感器 、基于現(xiàn)場總線傳感器及無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 。有線模擬傳感器與數(shù)據(jù)采集器 DTU 連接構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng) ， 技術(shù)實現(xiàn)簡單 ， 但在維護 、校對 、能耗收稿日期 : 2016 08 01基金項目 : 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 ( 863 計劃 ) 項目 ( 2013AA103005) ; 北京市農(nóng)林科學院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項 ( KJCX20140203) ; 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)北京市工程實驗室建設(shè)項目 ( KJCXPT2016 25)作者簡介 : 尚志躍 ( 1990 ) ， 男 ， 石家莊人 ， 碩士研究生 ，( E mail)752792665 qq com。通訊作者 : 張 馨 ( 1981 ) ， 男 ， 江蘇海安人 ， 副研究員 ， 博士研究生 ，( E mail) zhangx nercita org cn。等方面優(yōu)勢不大 ?；诂F(xiàn)場總線的傳感器主要采用服務(wù)器 客戶端模式的主從分布式結(jié)構(gòu) ， 包括了上位機及多個下位機采集系統(tǒng) ， 之間通過 S 485 或者CAN 總線方式進行數(shù)據(jù)通信 ， 完成溫室環(huán)境信息的實時數(shù)據(jù)采集 、存儲 、顯示等功能 。王成等 ( 2005) 、李霜等 ( 2008) 5 6研發(fā)并應(yīng)用相關(guān)測控系統(tǒng) ， 具有可靠性高 、抗干擾能力強等優(yōu)點 ; 但從實際應(yīng)用過程中來看 ，布線復雜 ， 需要預先考慮綜合布線空間 ， 維護成本相對較高 。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點是節(jié)點設(shè)置靈活 、維護成本低 、數(shù)據(jù)采集兼容性強 ， 是當前植物工廠環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用主流 ， 多種無線傳輸方式與傳感器集成形成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 。苗連強等 ( 2010) 設(shè)計了基于 ZigBee 技術(shù)的溫室環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng) 7， Mancuso 等 ( 2006) 基于GPS 設(shè)計了用于番茄溫室的監(jiān)測系統(tǒng) ， 羅小青等( 2010) 8采用藍牙模塊構(gòu)建無線環(huán)境監(jiān)測模擬系統(tǒng) 。隨著 WiFi 通信平均能耗的降低 ， 傳感器與 WiFi 通訊開始結(jié)合一體 ， Ganspain、ST、TI、慶科等都有類似的解決方案 。何鵬舉等 ( 2012) 9設(shè)計了基于 WiFi 的超低功耗溫濕度網(wǎng)絡(luò)傳感器 ， 實現(xiàn)了對溫室內(nèi)溫度和濕度的遠程監(jiān)控 。WiFi 傳感器憑借著其傳輸速率快 、抗干擾能力強 、兼容性強等優(yōu)點廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域 ， 成為了設(shè)施農(nóng)業(yè)中重要的通信方式之一 。近年來 ， 物聯(lián)網(wǎng)以及云服務(wù)技術(shù)不斷發(fā)展 ， 百度 、阿里 、騰訊 、機智云 、樂聯(lián)網(wǎng)等都推出了自己的云平臺 ， 為植物工廠環(huán)境信息監(jiān)測提提供新的方向 : 構(gòu)建云計算與物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的植物工廠信息服務(wù)模式 10，有效降低信息需求者信息獲取的成本和服務(wù)門檻 ， 打·7·2017 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2017.09.002破植物工廠生產(chǎn)信息化建設(shè)模式的瓶頸 ， 實現(xiàn)其生產(chǎn)精細和智慧化管理 。日本依靠著云平臺搭建快 、易操作 ， 智能管理 、安全可靠 、運行穩(wěn)定及節(jié)約成本等優(yōu)點 ， 由千葉大學以及一些科技公司組成的 “柏葉城市植物工廠聯(lián)盟 ”開展了植物工廠網(wǎng)絡(luò)社區(qū)項目 ， 通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各個植物工廠鏈接為一個網(wǎng)絡(luò) ， 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?， 所有的植物工廠用戶可以通過登錄云端服務(wù)器下載所需信息 。在國內(nèi) ， 新漢以及研華科技在2015 年都提出了云端植物工廠的方案 ， 旨在提高植物工廠網(wǎng)絡(luò)化管理程度及降低功耗 。本文嘗試接入的云服務(wù)平臺是機智云 ， 該平臺針對智能開發(fā)領(lǐng)域提供整套的開發(fā)工具及服務(wù) ， 當用戶設(shè)備接入機智云后 ，機智云提供免費的數(shù)據(jù)分析及運算等云端服務(wù) 9， 具有安全 、穩(wěn)定 、便捷的特點 。本文在分析閉鎖型植物工廠網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測需求的基礎(chǔ)上 ， 提出植物工廠環(huán)境檢測系統(tǒng)構(gòu)架 ， 詳細介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計 、WiFi 與 MCU 和云端的通信及 An-droid 的快速開發(fā) ， 并在植物工廠中對監(jiān)測節(jié)點和系統(tǒng)的功能 、穩(wěn)定性 、能耗及可靠性進行了測試 。1 系統(tǒng)需求與構(gòu)成閉鎖型植物工廠采用立體栽培 ， 空間狹小 ， 網(wǎng)絡(luò)條件好 ， 裝備科技含量高 。WiFi 無線傳感器設(shè)備能夠較好地適用于植物工廠網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 ， 方便網(wǎng)絡(luò)接入 11。內(nèi)部環(huán)境由于空調(diào)作用比較穩(wěn)定 ， 濕度長期處于較高水平 ， 環(huán)境采集設(shè)備封裝一般滿足 IP65 即可 。植物工廠需要對空氣溫濕度 、光照強度 、二氧化碳濃度 、營養(yǎng)液 EC/PH 等參數(shù)準確測量 ; 需要采用低功耗 、低成本 、高速的無線通信方式進行數(shù)據(jù)的實時傳輸并為用戶提供簡單 、直觀的管理平臺 ， 完成無線傳感器的管理 、環(huán)境信息的存儲以及分析處理等功能 。系統(tǒng)主要包括測量 ( 監(jiān)測節(jié)點 ) 、無線路由器 、云平臺及移動終端 4 個部分 ， 如圖 1 所示 。1) 監(jiān)測節(jié)點 : 由分布在植物工廠的一些 WiFi 傳感器節(jié)點組成 ， 主要負責采集工廠的溫濕度 、光照強度及 CO2濃度等信息 ， 并定時向云端服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)及完成對傳感器電源的管理功能 。WiFi 無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進行傳輸 ， 消除了在植物工廠內(nèi)布線的困難 ; 同時 ， WiFi 通過無線路由器連接到云平臺 ， 完成數(shù)據(jù)傳輸 ， 解決了由于架設(shè)網(wǎng)關(guān)帶來的預算成本 ， 且配置簡單 ， 提高了效率 。2) 無線路由器 : 主要完成無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的功能 ，提供 WiFi 與云端的網(wǎng)絡(luò)連接 。3) 云服務(wù)平臺 : 底層由數(shù)量龐大的服務(wù)器群及虛擬化的管理軟件組成 ， 當設(shè)備接入云平臺后首先可在線實時 24h 的連續(xù)采集和記錄監(jiān)測點位的溫濕度 、光照強度及 CO2濃度等參數(shù) ， 并且以曲線 、數(shù)字等方式進行實時顯示和記錄 。其次 ， 云平臺相對于傳統(tǒng)單機分析 、處理數(shù)據(jù) ， 速度大大提高 ; 云平臺的接入節(jié)約了企業(yè)自己搭建服務(wù)器的高額費用及服務(wù)器運行所帶來的功耗 。4) 移動終端 : 豐富環(huán)境監(jiān)測實現(xiàn)的方式 ， 手機或PAD 端的 APP， 無論何時何地均可實時查看工廠內(nèi)的環(huán)境信息 。同時 ， 管理人員可以通過登錄網(wǎng)頁直接進入到云平臺實時查看信息 ， 減少了軟件開發(fā)及軟件維護等繁瑣任務(wù) 。圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig1 Structure of the system2 硬件設(shè)計傳感器節(jié)點是植物工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中基本的組成單元 ， 需要具備環(huán)境因子的采集 、數(shù)據(jù)的處理及通信等功能 ， 同時在設(shè)計時還考慮了低成本 、低功耗 、可靠 、穩(wěn)定等因素 。WiFi 傳感器的硬件組成主要包括了STM32 處理器芯片 13、用于環(huán)境因子采集的傳感器模塊及 WiFi 無線通信模塊和供電模塊 ， 如圖 2 所示 。圖 2 WiFi 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig2 Structure of WiFi sensor·8·2017 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期21 主控芯片核心處理器采用的是意法半導體公司的STM32F103C8T6 芯片 。該芯片是基于 32 位 Cortex M3 內(nèi)核的微控制器 ， 最高支持 72MHz 工作頻率 ， 同時集成了 512kB Flash 和 64kB SAM。含有豐富的 IIC、USAT、SPI、ADC 等片上資源 ， 適合在高速大容量 、分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用 ， 可滿足本設(shè)計的要求 。22 傳感器模塊本系統(tǒng)溫濕度傳感器采用瑞士 Sensirion 公司的SHT11 溫濕度傳感器 14， 3 3V 供電時 ， 耗電為 80W濕度精度為 ±3 0%H， 溫度精度為 ±0 4。光照強度傳感器采用的美國 Intersil 公司的 ISL29013 典型功耗功耗為 82W， 測量精度為 ±50lux， 測量范圍為 0 128 000lux。CO2傳感器采用美國 Telaire 公司生產(chǎn)具有 Telaires 專利 ABC LogicTMsoftware 自校驗的功能T6713 CO2傳感器 ， 5V 供電 ， 測量精度為 ± 45 × 106，測量范圍為 0 2 000 ×106。本系統(tǒng)中采用的傳感器都支持 IIC 接口 ， 采用的是模擬 IIC 的方式將傳感器接入到單片機中 ， 且在每個傳感器的數(shù)據(jù)位都接了一個 5k 左右的上拉電阻 ，用來提高總線的驅(qū)動能力 ?？諝庵袧穸仁墉h(huán)境溫度影響較大 ， 因此在實際使用時將 SHT11 封裝在空氣防輻射罩中 ， 用來提高其測量精度 。光照強度傳感器及CO2傳感器分別采用固定在圓形的焊盤中以及焊版上的方式來最大限度地做到平面接收陽光及測量 CO2濃度 。23 WiFi 模塊WiFi 模塊 15采用上海漢楓公司的基于 802 11b/g/n 無線標準的超低功耗模塊 HF LPB100。此模塊主要特點是由漢楓自主開發(fā) MCU 平臺 ， 性價比高 ， 支持 AP + STA 兩種無線接口方式 。AP 是無線接入點 ，常用的無線路由器即 AP， 其他設(shè)備可通過 AP 相互連接 。STA 是無線終端 ， 模塊可以通過 STA 接口接入路由器 ， 且通過 TCP 與服務(wù)器相連 。HF LPB100 支持AP + STA 兩種接口模式 ， 在使用時 WiFi 作為 AP 供手機或 PC 接入 ; 而 WiFi 又可通過 STA 接口連接到路由器完成數(shù)據(jù)的上傳 ， 大大提高了效率 。HF LPB100還具有尺寸小 、功耗低 ( 3 3V 供電 ， 平均功耗為 003W) 的特點 ， 支持串口透明傳輸模式 ， 在使用時采用30pin 的直插排針與電路板相連 ， 實現(xiàn)串口通信 。WiFi 模塊的 XD 與 TXD 與 STM32 處理器的串口連接通信 。同時 ， WiFi 模塊的復位 、連接 、睡眠等功能與STM32 的 GPIO 引腳相連接 ， 即可通過 STM32 向 WiFi模塊發(fā)送控制指令來保障其工作 。24 供電單元及電源管理采用鋰電池為系統(tǒng)供電 ， DC/DC 升 壓 芯 片MAX1722 為 T6713 提供 5V 電源 ， 同時通過 TPS73633芯片輸出 3 3V 為 STM32 處理器 、SHT11 溫濕度傳感器 、ISL29013 光照強度傳感器及 HF LPB100WiFi 模塊供電 。3 嵌入式軟件設(shè)計31 軟件總體結(jié)構(gòu)WiFi 傳感器應(yīng)用程序采用 C 語 言 編 寫 ， 在MDK5 14 軟件下進行編譯 16， 主要包括主函數(shù) 、傳感器的驅(qū)動程序 ， 以及 WiFi 與 MCU 的串口通信協(xié)議等3 個方面 24。設(shè)備上電初始化完成后 ， 規(guī)定當 WiFi第一次接入網(wǎng)絡(luò)時需要選擇 Airlink 或者 Softap 接入云端 ， 配置完成后下次重新使用時自動接入云端 。Airlink 模式是機智云對 SmartConfig、SmartLink 這種UDP 廣播報入網(wǎng)方式的統(tǒng)稱 ， 兼容了多個 WiFi 廠商的通信協(xié)議 ， 機智云的 WiFi 設(shè)備中都已經(jīng)內(nèi)置此功能 ， 不支持 5G 信號 。Softap 模式為 Airlink 的補充 ， 使用此模式 ， 設(shè)備成為一個 AP， 手機可與此 WiFi 設(shè)備直接連接 ， 然后手機輸入路由器賬號 、密碼 ， 設(shè)備會自動連接該路由器 。當連接完成后進入 WiFi 模塊的循環(huán)工作狀態(tài) ， 設(shè)置 WiFi 模塊每隔 90s 向設(shè)備發(fā)送讀取MCU 狀態(tài)指令 ， 同時每隔 10minMCU 主動上傳一次數(shù)據(jù) 。軟件流程如圖 3 所示 。32 MCU 與 WiFi 的串口通信在 MCU 與 WiFi 串口通信的軟件設(shè)計中采用的是請求與應(yīng)答的方式 17， MCU 正常的循環(huán)狀態(tài)主要包括了按鍵的發(fā)生 、WiFi 發(fā)送查詢命令 、WiFi 發(fā)送控制命令 、WiFi 發(fā)送心跳命令 。軟件設(shè)計中約定當 MCU或 WiFi 模塊向?qū)Ψ桨l(fā)送命令時 ， 另一方必須返回響應(yīng)指令 ， 若發(fā)送方 200ms 內(nèi)沒有收到響應(yīng)指令 ， 發(fā)送方重新發(fā)送 。按鍵事件用來選擇入網(wǎng)模式 ， 查詢命令用來監(jiān)測 MCU 狀態(tài)值 ， 控制命令是 WiFi 模塊發(fā)送控制MCU 的指令 ; 心跳命令用來監(jiān)測 WiFi 模塊與 MCU 通信是否正常 ， 規(guī)定如果 MCU 連續(xù) 180s 未收到心跳則判定通信失敗 ， 重新啟動 WiFi。WiFi 模塊工作流程如圖 4 所示 。MCU 與 WiFi 模塊的串口通信傳輸格式如表 1 所示 ， 表 2 為 MCU 的響應(yīng) 。其中 ， Header 表示包頭 ; Len表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L度 ( 從 cmd 開始到數(shù)據(jù)包結(jié)束 ) ;cmd 是控制命令指令 ， 包括了 WiFi 向 MCU 發(fā)送查詢 、心跳 、讀取信息 、更新等 ; Sn 為消息序號 ， 由發(fā)送方發(fā)出 ， 接收方響應(yīng)時將 Sn 返回給發(fā)送方 ; Flags 為標志·9·2017 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期位 ， 默認為 0; DATA 為傳輸?shù)臄?shù)據(jù) ; checksum 為檢驗和 ， 計算從 len 到 DATA 的和 。圖 3 軟件流程圖Fig3 Flow chart of softwaret在具體的程序設(shè)計中 ， 當完成了 WiFi 與 MCU 串口初始化及入網(wǎng)方式配置后 ， 主要是 WiFi 向 MCU 發(fā)送控制指令 ， 下面是通信過程中比較重要的幾個控制指令 。圖 4 WiFi 模塊工作流程圖Fig4 Working flow chart of WiFi module表 1 WiFi 模塊發(fā)送獲取 MCU 數(shù)據(jù)傳輸格式Table 1 The transfer format of WiFi module to get the MCU dataHeader( 2B)FF FFlen( 2B)00 06cmd( 1B)03sn( 1B)02flags( 2B)00 00DATA( XB)02checksum( 1B)0D包頭數(shù)據(jù)長度 ， 從 06 后計數(shù)共有 6 個數(shù)據(jù)讀取 MCU屬性指令序列號 ， 用于MCU 返回標志位 查詢命令從 00 開始到 02 的校驗和表 2 MCU 響應(yīng) WiFi 模塊數(shù)據(jù)傳輸格式Table 2 The data transfer format of MCU response WiFi moduleHeaderFF FFlen00 09cmd04sn02flags00 00DATA2512 4013 32 896checksumF4包頭 有 8 個數(shù)據(jù) 返回數(shù)據(jù)指令 序列號 標志位 傳輸?shù)臏貪穸取⒐庹諒姸燃?CO2濃度值 校驗和2512、4013、32、896 表示溫度為 2512 ; 濕度為 4013 %H; 光照度為 0032klux; CO2濃度為 896 ×106。1) 發(fā)送獲取 MCU 信息指令 ， 此時 cmd 為 ( 0x01) ，MCU 以數(shù)據(jù)形式返回 MCU 的版本號及產(chǎn)品序列號等 ， cmd 為 ( 0x02) 。2) 發(fā)送讀取 MCU 屬性命令 ， 此時 cmd 為 ( 0x03) ，而 MCU 接收到此命令后返回傳感器采集到的數(shù)據(jù) ，cmd 為 ( 0x04) 。3) MCU 需要上報當前的最新狀態(tài) ， 此時 cmd 為( 0x05) ， WiFi 收到后響應(yīng) ， cmd 為 ( 0x06) 。4) 當 WiFi 模塊 55s 未收到 MCU 數(shù)據(jù)包時 ， WiFi向 MCU 發(fā)送心跳 ， cmd 為 ( 0x07) ， WiFi 回復心跳 ， 為·01·2017 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期( 0x08) ， 此時 WiFi 如果連續(xù) 3 次或 180s 內(nèi)未收到心跳回復 ， 則自動重啟 。5) WiFi 模 塊 向 MCU 上 報 當 前 狀 態(tài) ， cmd 為( 0x0D) ， MCU 收到后返回響應(yīng) ， cmd 為 ( 0x0E) ， WiFi模塊會定期上報一次 WiFi 的最新狀態(tài)推送到 MCU。4 云平臺接入與移動端開發(fā)41 云平臺接入部分通過無線路由器 ， WiFi 模組與云端完成了物理連接 ， 在數(shù)據(jù)通信方面 ， 在 WiFi 模組內(nèi)嵌入了 mqtt 通信協(xié)議代碼及網(wǎng)絡(luò)固件 ， 使其能夠按照既定格式完成數(shù)據(jù)傳輸 。在開發(fā)時 ， 為規(guī)范且簡化設(shè)備業(yè)務(wù)邏輯協(xié)議的制定 ， 制定了通用的數(shù)據(jù)點協(xié)議 ， 用于設(shè)備 、云端 、APP 之間的交互 。好處是云端根據(jù)定義可以解析設(shè)備數(shù)據(jù) ， 移動 APP 端可解析下發(fā) /上報的設(shè)備數(shù)據(jù) ，MCU 可根據(jù)生成的數(shù)據(jù)通信協(xié)議完成開發(fā) 。用戶只需在個人項目中編輯對應(yīng)需要的數(shù)據(jù)點 ， 定義數(shù)據(jù)類型 ， 即可在嵌入式軟件中完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫说墓δ?。圖 5 為本項目中定義的數(shù)據(jù)點 。圖 5 數(shù)據(jù)點Fig5 Data point42 APP 的快速開發(fā)機智云公司針對每個使用用戶提供了用于 An-droid 及 IOS 開發(fā)手機 APP 的 SDK 包 ， 以及一些開放的源代碼 ， SDK 包中已經(jīng)封裝了設(shè)備與云端及云端與手機之間的通信 ， 包括了入網(wǎng)的配置 、發(fā)現(xiàn) 、連接 、控制 、心跳 、狀態(tài)上報等 。因此 ， 用戶只需在 SDK 包基礎(chǔ)上進行開發(fā) ， 大大提高了 APP 開發(fā)速度 。本系統(tǒng)主要針對 Android 手機進行開發(fā) ， 主要分為以下 4 步 。1) 搭建 Android 開發(fā)環(huán)境 ， 下載 eclipse 軟件 ， 導入寵物屋公開源碼 ， 在機智云官網(wǎng)創(chuàng)建項目下將自己產(chǎn)品的 SDK 包 ( 包括 1 個 jar 包和 1 個 so 包 ) 替換工程項目 libs 文件下的 jar 包和 so 包 。2) 在機智云官網(wǎng)創(chuàng)建的項目中獲得產(chǎn)品標識碼Productkey， 同時綁定 Android 應(yīng)用 ， 得到應(yīng)用標識碼APPID。Productkey 是機智云數(shù)據(jù)庫中唯一的號碼 ， 開發(fā)者完成 MCU 端開發(fā)后 ， 機智云通過 Productkey 對設(shè)備進行識別并自動完成注冊 。APPID 作用是使開發(fā)的智能應(yīng)用與設(shè)備進行關(guān)聯(lián) 。在源碼中新建一個 APPli-cation 類用來繼承原生的 APPlication 類 ， 然后在此 AP-Plication 類中初始化設(shè)備的 APPID， 同時在 Message-Center 中初始化 Productkey。3) 在 AndroidManifest xml 中開放 SDK 所有日志打印級別 ， 從而允許 APP 與云端的通信 。同時 ， 注冊SDK 監(jiān)聽器 ， 用來回調(diào) SDK 中定義的注冊 、登錄 、配置設(shè)備 、綁定設(shè)備等回調(diào)接口 。4) 將自己在機智云官網(wǎng)建立的數(shù)據(jù)點做 UI 設(shè)計 ， 在 GokitControlActivity 的函數(shù)中添加自己項目中建立的數(shù)據(jù)點的標識名 ， 同時添加 BindingDeviceActivity用來回調(diào)綁定設(shè)備的功能 ， 完成自己項目 APP 的快速開發(fā) 。5 實驗測試51 功能實現(xiàn)測試測試地點選擇在北京農(nóng)科院小湯山精準農(nóng)業(yè)示范基地集裝箱式植物工廠中進行 ， WiFi 傳感器運行一天 ， 對工廠內(nèi)的溫濕度 、CO2濃度及光照強度進行監(jiān)測 ; 分別采取手機登錄 APP 及 PC 端登錄云平臺兩種方式來驗證 WiFi 傳感器是否可以準確 、穩(wěn)定地上傳數(shù)據(jù)到云端 。圖 6 為手機 APP 監(jiān)測到的數(shù)據(jù) ， 圖 7 中 A、B、C 分別表示溫濕度 、光照強度及 CO2濃度的云端顯示值 。在測試時 ， 設(shè)置 WiFi 傳感器每 90s 要求 MCU 上傳一次數(shù)據(jù) ， 同時每隔 10minMCU 主動上傳一次數(shù)據(jù) 。由圖 7 可以看出 : 在 15: 57min 及 16: 07 左右 ， 除了MCU 相應(yīng) WiFi 模塊上傳一次數(shù)據(jù)外 MCU 主動上傳一次數(shù)據(jù) ， 而其他時段都是每隔 90s 左右完成一次上傳 。測試結(jié)果表明 : 該系統(tǒng)能夠準確 、快速地實現(xiàn)手機端及云端實時查詢數(shù)據(jù)的功能 。·11·2017 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期圖 6 手機 APP 顯示值Fig6 APP value of mobile phone圖 7 溫濕度 、光照度 、CO2濃度云平臺顯示值Fig7 The display of environmental parameter in the cloud52 節(jié)點能耗測試節(jié)點能耗測試主要針對的是 WiFi 傳感器功耗測試 。表 3 為此傳感器在 1h 內(nèi)各個狀態(tài)的平均功耗表 。WiFi 傳感器的運行狀態(tài)主要包括了 MCU 采集數(shù)據(jù) 、WiFi 通知 MCU 上傳數(shù)據(jù) 、MCU 主動上傳數(shù)據(jù)及WiFi 發(fā)送心跳 4 種工作狀態(tài) ， 由于本系統(tǒng)主要用于測試功能的實現(xiàn) ， 因此沒有設(shè)置 WiFi 傳感器的休眠狀態(tài) 。由表 3 可以看出 : 傳感器在上傳數(shù)據(jù)及采集數(shù)據(jù)時功耗較大 ， 而處于發(fā)送心跳狀態(tài)時最小 。根據(jù)測試結(jié)果測算 ， 當 WiFi 傳感器處于休眠狀態(tài) ( 傳感器不采集 、不傳輸 ) 時功耗約為 52A， 因此在后期優(yōu)化時應(yīng)從增加休眠狀態(tài) 、延長數(shù)據(jù)采集時間間隔及減少傳輸次數(shù)等方面考慮來降低系統(tǒng)功耗 。表 3 WiFi 傳感器功耗表Table 3 Power consumption chart of WiFi sensor序號 運行狀態(tài)功耗/mA持續(xù)時間/s1 MCU 采集數(shù)據(jù)時功耗 1204 52 WiFi 通知 MCU 上傳數(shù)據(jù)平均功耗 2112 33 MCU 主動上傳平均功耗 1651 34 發(fā)送心跳時平均功耗 958 253 節(jié)點可靠性 、穩(wěn)定性測試可靠性與穩(wěn)定性的測試模擬了網(wǎng)絡(luò)堵塞的情況 ，來測試 WiFi 傳感器與云端通信的成功率 ， 在 10M 帶寬的無線環(huán)境中連接了 20 個無線用戶同時下載電影占用帶寬 ， 網(wǎng)絡(luò)占用率達到了 96% ; 而 WiFi 傳感器只占用了很少的帶寬運行了 12h， 同時利用獵豹移動公司推出的獵豹流量監(jiān)測軟件記錄 WiFi 傳感器 1h 內(nèi)每1min 消耗的流量值 。圖 8 為 WiFi 傳感器 1h 內(nèi)的流量消耗曲線圖 。圖 9 為 WiFi 傳感器與手機 APP 的通信情況 。圖 8 WiFi 傳感器流量消耗圖Fig 8 Flow consumption chart of WiFi sensor由圖 8 可以看出 : WiFi 傳感器每分鐘消耗的流量很少 ， 主要分布在 0 4 1kB 范圍內(nèi) ， 平均耗值大致為0 6kB。在上傳時設(shè)置 WiFi 每隔 90s 通知 MCU 上傳一次數(shù)據(jù)值 ， 并且 MCU 每隔 10min 會主動上傳一次數(shù)據(jù) ， 因此在 10: 07、10: 17、10: 27、10: 37、10: 47、10: 57、11: 07 左右消耗的流量值都會比均值 0 6kB 稍大一些 。WiFi 傳感器經(jīng)過長時間運行 ， 沒有出現(xiàn)離線情況 ， 每隔 90s， 設(shè)備定時向云端發(fā)送數(shù)據(jù) ， 總共發(fā)送 553次 ， 而每隔 10minMCU 主動上傳一次數(shù)據(jù) ， 12h 上傳了·21·2017 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期72 次 ， 因此 MCU 總共向云端發(fā)送了 625 次數(shù)據(jù) 。而通過手機 APP 獲取的交互信息圖中可以得出 ， APP 總共獲取到 625 次數(shù)據(jù) ， 成功率 100%。在 12: 27 兩次通信為 MCU 主動上傳及 WiFi 模塊發(fā)送查詢命令 ，MCU 響應(yīng)上傳 。圖 9 手機 APP 獲取設(shè)備與云端的交互信息圖Fig9 The chart of interaction between APP and cloud6 結(jié)論本文分析了國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題以及未來的發(fā)展趨勢 18 20， 設(shè)計并實現(xiàn)了用于植物工廠的云環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) ， 把植物工廠溫度 、濕度 、CO2濃度及光照強度傳輸?shù)綑C智云云平臺且通過手機 APP 及網(wǎng)頁登錄云平臺兩種方式實時監(jiān)控這些參數(shù) 。實地測試表明 : 本傳感器穩(wěn)定性高 、準確性高 ， 平均占用帶寬低 ( 0 6kB) 、響應(yīng)速度快 ( 5s 完成數(shù)據(jù)上傳 ) ， 很好地解決了國內(nèi)植物工廠環(huán)境監(jiān)測智能化程度低及網(wǎng)絡(luò)管理不科學等問題 。研究成果具有一定的實用性 。在實際應(yīng)用測試過程中存在以下問題 :1) 考慮到商業(yè)云平臺利益關(guān)系 ， 該云平臺對未簽約用戶開放的服務(wù)還不夠完善 ， 如沒有歷史數(shù)據(jù)導出功能 、實時上傳到云端的數(shù)據(jù)只顯示一段時間 、不提供歷史數(shù)據(jù)的曲線圖報警等基本數(shù)據(jù)監(jiān)測功能 。2) 傳感器功耗較大 ， 需要重新設(shè)計供電管理電路對每一路耗能設(shè)備進行能源管理 ， 以延長 WiFi 模塊休眠時間從而進一步降低系統(tǒng)能耗 。3) 云平臺只能提供基本數(shù)據(jù)服務(wù) ， 未能深入挖掘云計算為植物工廠生產(chǎn)帶來有效服務(wù) ， 需要在平臺開放性和可操作性上進行提升 。參考文獻 : 1 楊其長 ， 張成波 植物工廠概論 M 北京 : 中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社 ， 2005 2 楊其長 ， 魏靈玲 ， 劉文科 植物工廠系統(tǒng)與實踐 M 北京 : 化學工業(yè)出版社 ， 2012 3 He D X， C Tong， Q Yang， et al A closed plantlet produc-tion system for APPlying photoautotrophic micro propagation C / /CIG International Conference Beijing， 2004: 50 182 4 Mark Oswald， Gunnar Weiss， Frank Schnellhardt， et al Smarthome services integrated infrastructure and provided serv-ices C / /2012 9th International Multi Conference on Sys-tems， Signals and Devices， 2012: 630 634 5 王成 ， 喬曉軍 ， 焦春巖 分布式溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng) J 計算機應(yīng)用 ， 2005， 24( 1) : 54 57 6 李霜 ， 楊曉京 ， 郭志偉 基于 CAN 總線的溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 J 微計算機信息 ， 2008， 24( 10 2) : 50 52 7 苗連強 ， 胡會萍 基于 ZigBee 技術(shù)的溫室環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 J 儀表技術(shù)與傳感器 ， 2010( 10) : 108 111 8 羅小青 ， 何尚平 基于藍牙模塊的 ZIGBEE 協(xié)議在無線環(huán)境監(jiān)測模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用與實現(xiàn) J 新鄉(xiāng)學院學報 : 自然科學版 ， 2010， 24( 4) : 74， 75， 78 9 何鵬舉 ， 楊晶 ， 朱升林 ， 等 具有遠程升級功能的網(wǎng)絡(luò)化智能溫控器 J 測控技術(shù) ， 2012， 31( 11) : 6 10 10 邱兆美 ， 趙龍 ， 賈海波 植物工廠發(fā)展趨勢與存在問題分析 J 農(nóng)機化研究 ， 2013， 35( 2) : 230 233 11 艾海波 ， 魏晉宏 ， 邱權(quán) ， 等 微型植物工廠智能控制系統(tǒng) J 農(nóng)業(yè)機械學報 ， 2013， 44( 增刊 2) : 198 204 12 周曉 ， 李杰 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 J 浙江工業(yè)大學學報 ， 2013， 41( 4) : 440 443 13 曾歡 ， 劉毅 嵌入式 WiFi 技術(shù)在溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用 J 林業(yè)機械與木工設(shè)備 ， 2008， 36( 2) : 49 52 14 馮顯英 ， 葛榮雨 基于數(shù)字溫濕度傳感器 SHT11 的溫濕度測控系統(tǒng) J 自動化儀表 ， 2006， 27( 1) : 59 60 15 張興偉 基于 WSN 的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計 D 鄭州 : 鄭州大學 ， 2013 16 孫其博 ， 劉杰 ， 黎羴 ， 等 物聯(lián)網(wǎng) : 概念 、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述 J 北京郵電大學學報 ， 2010， 33( 3) : 1 9 17 王傳秒 基于 AM9 的環(huán)境監(jiān)測平臺設(shè)計 D 長沙 : 湖南大學 ， 2012 18 米海濤 ， 付立思 基于 ZIGBEE 技術(shù)的溫室環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng) J 農(nóng)機化研究 ， 2010， 32( 7) : 68 72( 下轉(zhuǎn)第 30 頁 )·31·2017 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期Topological Optimization Design for the Cutter of Sugarcane HarvesterLi Shangping1 ， 2， Chen Zengxiong1， Zhou Jinghui1 ， 3， Mo Hanning1， Zhong Jiaqin4( 1 School of Mechanical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China; 2 School of Chemistry and Chemi-cal Engineering， Guangxi University for Nationalities， Nanning 530006， China; 3 Guilin University of Technology， Nan-ning 530004， China; 4 School of Mechanical and Ship Oceaneering， Qinzhou University， Qinzhou 535099， China)Abstract: According to the problem of sugarcane harvest has lots of stress concentration region and large vibration wasmade certain after infinite element analysis， in view of the demand of decrease the rate of broken sugarcane， reduce ener-gy consumption and raise the stiffness， a topology optimization problem is built whose objective is to minimize the flexibil-ity under the condition of meeting the work requirement ， extraction and establish the new model based on the configura-tion after optimizing Finally， making the finite element analysis of the new model， and the results showed that the firstorder natural frequency of structure improved 10 05% ， the second order nature frequency improved 15 15% ， Z com-ponent displacement reduced by 55 58% ， displacement vector sum by 44 58% ， lightweight ratio reaches 3 37% ， andthe stiffness promoted obviously in stress concentration region Moreover， the present study can provide certain referencesand theoretical basis for the design and optimization of similar sugarcane harvest cutterKey words: sugarcane harvester; cutter; dynamic performance; topology optimization( 上接第 13 頁 )Abstract ID: 1003 188X( 2017) 09 0007 EAesearch and Implementation of Plant Environmental Monitoring SystemBased on Commercial Cloud PlatformShang Zhiyue1， Zeng Cheng1， Zhang Xin2， Zheng Wengang2( 1 Colledge of Electronic and Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China; 2 Bei-jing esearch Center for Information Technology in Agricultural， Beijing 100097， China)Abstract: As the highest sta