基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智慧溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

通 信 與 信 息 處 理 Communication and Information Processing 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 2020 年 第 39 卷 第 4 期 TechniquesofAutomationintelligentgreenhouse SSHframe 基 金 項(xiàng) 目 陜 西 省 科 技 計(jì) 劃 項(xiàng) 目 編 號(hào) 2019 NY 174 咸 陽(yáng) 市 科 學(xué) 技 術(shù) 研 究 計(jì) 劃 項(xiàng) 目 編 號(hào) 2017K02 70 陜 西 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 科 研 項(xiàng) 目 編 號(hào) ZK18 51 收稿日期 2018 12 21 1 引言 溫 室 大 棚 是 在 一 定 封 閉 空 間 內(nèi) 給 農(nóng) 作 物 生 長(zhǎng) 提 供 合 適 的 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 使 其 不 受 區(qū) 域 氣 候 自 然 環(huán) 境 等 因 素 的 限 制 其 各 項(xiàng) 環(huán) 境 指 標(biāo) 必 須 控 制 在 一 定 的 范 圍 內(nèi) 因 此 管 理 人 員 需 要 時(shí) 刻 關(guān) 注 各 項(xiàng) 環(huán) 境 監(jiān) 測(cè) 指 標(biāo) 是 否 正 常 傳 統(tǒng) 的 人 工 現(xiàn) 場(chǎng) 監(jiān) 測(cè) 由 于 耗 時(shí) 耗 力 監(jiān) 測(cè) 實(shí) 時(shí) 效 果 差 難 以 滿 足 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 的 需 求 智 慧 溫 室 大 棚 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) 在 傳 統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 溫 室 大 棚 的 基 礎(chǔ) 上 融 合 了 互 聯(lián) 網(wǎng) 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 移 動(dòng) 通 信 技 術(shù) 等 信 息 化 技 術(shù) 通 過(guò) 部 署 在 大 棚 內(nèi) 的 各 類 傳 感 器 實(shí) 時(shí) 采 集 土 壤 水 分 溫 度 濕 度 光 照 二 氧 化 氮 等 環(huán) 境 指 標(biāo) 信 息 1 實(shí) 現(xiàn) 無(wú) 線 采 集 無(wú) 線 傳 輸 遠(yuǎn) 程 存 儲(chǔ) 異 地 監(jiān) 控 等 功 能 為 溫 室 大 棚 內(nèi) 農(nóng) 作 物 生 長(zhǎng) 提 供 全 程 數(shù) 據(jù) 化 管控 提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率 2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 智 能 農(nóng) 業(yè) 溫 室 大 棚 環(huán) 境 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 主 要 分 三 部 分 溫 棚 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 采 集 終 端 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 管 理 系 統(tǒng) 和 移 動(dòng) 終 端 手 機(jī) 管 理 系 統(tǒng) 溫 棚 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 采 集 終 端 主 要 通 過(guò) 溫 棚 中 分 布 式 部 署 的 環(huán) 境 傳 感 器 對(duì) 溫 棚 內(nèi) 的 溫 度 濕 度 信 號(hào) 以 及 光 照 土 壤 溫 度 土 壤 含 水 量 CO 2 濃 度 等 環(huán) 境 參 數(shù) 進(jìn) 行 實(shí) 時(shí) 采 集 并 實(shí) 時(shí) 上 傳 所 采 集 到 的 數(shù) 據(jù) 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 管 理 系 統(tǒng) 主 要 對(duì) 感 知 層 傳 感 器 狀 態(tài) 初 始 化 環(huán) 境 變 化 閥 值 設(shè) 定 和 提 交 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 移 動(dòng) 終 端 手 機(jī) 管 理 系 統(tǒng) 主 要 功 能 是 用 戶 通 過(guò) 手 機(jī) APP 實(shí) 現(xiàn) 實(shí) 時(shí) 查 看 溫 棚 現(xiàn) 場(chǎng) 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 并 通 過(guò) 手機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)智能調(diào)整指定設(shè)備狀態(tài) 2 1 溫棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì) 數(shù) 據(jù) 采 集 終 端 所 要 完 成 的 任 務(wù) 是 對(duì) 溫 室 大 棚 的 數(shù) 據(jù) 采 集 數(shù) 據(jù) 顯 示 和 數(shù) 據(jù) 傳 輸 先 使 用 各 類 傳 感 器 將 溫 室 大 棚 中 的 溫 度 濕 度 信 號(hào) 光 照 CO 2 濃 度 這 些 模 擬 量 轉(zhuǎn) 換 為 單 片 機(jī) 可 以 處 理 的 數(shù) 字 量 2 然 后 通 過(guò) 控 制 器 通 過(guò) WIFI 模 塊 將 數(shù) 據(jù) 上 傳 到 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 管 理 系 統(tǒng) 該 控 制 器 芯 片 為 德 州 儀 器 生 產(chǎn) 的 CC 3200 內(nèi) 核 為 RAM Cor tex M 4 74 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 2020 年 第 39 卷 第 4 期 通 信 與 信 息 處 理 Communication and Information Processing TechniquesofAutomation Applications UART 轉(zhuǎn) WIFI 模 塊 USR C 322 系 統(tǒng) 框 架 如 圖 2 所 示 2 2 數(shù)據(jù)服務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基 于 B S 架 構(gòu) 的 智 能 農(nóng) 業(yè) 大 棚 的 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 中 心 管 理 系 統(tǒng) 軟 件 運(yùn) 行 于 監(jiān) 控 中 心 的 服 務(wù) 器 采 用 SSH 框 架 開 發(fā) 3 既 降 低 了 開 發(fā) 成 本 又 保 證 了 系 統(tǒng) 的 可 擴(kuò) 展 性 和 穩(wěn) 定 性 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 中 心 管 理 系 統(tǒng) 主 要 包 含 數(shù) 據(jù) 備 份 模 塊 實(shí) 時(shí) 數(shù) 據(jù) 檢 測(cè) 模 塊 歷 史 數(shù) 據(jù) 查 詢 模 塊 設(shè) 備 安 全 預(yù) 警 模 塊 和 系 統(tǒng)管理模塊 各個(gè)模塊的主要功能如圖 3 所示 圖3 數(shù)據(jù)服務(wù)中心端管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖 數(shù) 據(jù) 備 份 模 塊 可 將 溫 棚 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 采 集 終 端 提 交 的 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 備 份 實(shí) 時(shí) 數(shù) 據(jù) 監(jiān) 測(cè) 模 塊 可 以 查 詢 各 監(jiān) 測(cè) 點(diǎn) 的 溫 度 濕 度 光 照 CO 2 等 數(shù) 據(jù) 信 息 并 將 各 項(xiàng) 數(shù) 據(jù) 以 圖 表 的 方 式 可 視 化 歷 史 數(shù) 據(jù) 查 詢 模 塊 可 以 查 看 不 同 測(cè) 點(diǎn) 在 某 時(shí) 間 段 內(nèi) 所 采 集 的 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 與 統(tǒng) 計(jì) 信 息 支 持 Excel 數(shù) 據(jù) 的 導(dǎo) 入 導(dǎo) 出 方 便 各 項(xiàng) 數(shù) 據(jù) 的 管 理 設(shè) 備 安 全 報(bào) 警 模 塊 主 要 是 根 據(jù) 系 統(tǒng) 分 別 針 對(duì) 不 同 環(huán) 境 因 子 設(shè) 置 相 應(yīng) 的 警 戒 數(shù) 值 一 旦 各 監(jiān) 測(cè) 點(diǎn) 提 交 數(shù) 據(jù) 發(fā) 生 異 常 或 數(shù) 據(jù) 超 過(guò) 警 戒 線 閾 值 4 將 生 成 報(bào) 警 記 錄 系 統(tǒng) 管 理 模 塊 主 要 對(duì) 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 配 置 和 管 理 其 中 包 括 用 戶 權(quán) 限 管 理 數(shù) 據(jù) 信 息 維 護(hù) 管理即環(huán)境各項(xiàng)監(jiān)控因子的初始值 閾值設(shè)置等 2 3 移動(dòng)終端軟件設(shè)計(jì) 移 動(dòng) 終 端 軟 件 采 用 基 于 android 平 臺(tái) 開 發(fā) 移 動(dòng) 終 端 通 過(guò) 移 動(dòng) 互 聯(lián) 網(wǎng) 鏈 接 到 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 中 心 采 用 HTTP 協(xié) 議 實(shí) 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 傳 輸 管 理 人 員 可 以 通 過(guò) 手 機(jī) 移 動(dòng) 終 端 隨 時(shí) 查 看 大 棚 內(nèi) 各 項(xiàng) 環(huán) 境 信 息 并 設(shè) 計(jì) 消 息 推 送 功 能 當(dāng) 環(huán) 境 監(jiān) 測(cè) 數(shù) 據(jù) 超 出 預(yù) 設(shè) 值 時(shí) 由 中 心 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 端 向 手 機(jī) 發(fā) 送 報(bào) 警 信 息 推 送 同 時(shí) 管 理 人 員 可 以 通 過(guò) APP 進(jìn) 行 各 項(xiàng) 控 制設(shè)備的遠(yuǎn)程操控 其主要的功能架構(gòu)如圖 4 所示 圖4 移動(dòng)終端軟件功能結(jié)構(gòu)圖 智 能 農(nóng) 業(yè) 溫 室 大 棚 移 動(dòng) 終 端 手 機(jī) 管 理 系 統(tǒng) 是 基 于 Android 平 臺(tái) 采 用 C S 架 構(gòu) 開 發(fā) 的 移 動(dòng) 端 APP 該 軟 件 一 方 面 為 提 供 給 用 戶 良 好 的 交 互 界 面 另 一 方 面 與 服 務(wù) 圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 圖2 溫棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端框圖 75通 信 與 信 息 處 理 Communication and Information Processing 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 2020 年 第 39 卷 第 4 期 TechniquesofAutomation Applications 器 端 運(yùn) 行 的 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 中 心 管 理 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 交 換 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 中 心 管 理 系 統(tǒng) 向 客 戶 端 提 供 數(shù) 據(jù) 交 換 格 式 標(biāo) 準(zhǔn) 數(shù) 據(jù) 下 載 數(shù) 據(jù) 上 傳 移 動(dòng) 端 APP 通 過(guò) 無(wú) 限 局 域 網(wǎng) WIFI 或 移 動(dòng) 網(wǎng) 絡(luò) 2 G 3G 4 G 實(shí) 現(xiàn) 與 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 中 心 管 理 系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 通 信 5 基 于 C S 結(jié) 構(gòu) 的 Android 客 戶 端 架 構(gòu) 如 圖 5 所 示 圖5 基于C S 結(jié)構(gòu)的Android 客戶端架構(gòu)圖 3 關(guān)鍵技術(shù) 1 數(shù)據(jù)采集要滿足分布式需求 該 系 統(tǒng) 在 農(nóng) 業(yè) 溫 室 大 棚 不 同 區(qū) 域 分 布 式 部 署 溫 度 濕 度 光 照 二 氧 化 碳 濃 度 等 傳 感 器 來(lái) 精 確 測(cè) 量 環(huán) 境 參 數(shù) 數(shù) 據(jù) 實(shí) 時(shí) 刷 新 周 期 為 1 秒 傳 感 器 采 集 節(jié) 點(diǎn) 的 位 置 和 數(shù) 量 需 要 具 有 科 學(xué) 性 合 理 性 和 整 體 性 要 求 傳 感 器 采 集 結(jié) 點(diǎn) 布 置 的 位 置 要 有 區(qū) 域 合 理 性 合 理 布 置 節(jié) 點(diǎn) 數(shù) 量 采 集 的 數(shù) 據(jù) 記 錄 有 整 體 性 采 集 的 數(shù) 據(jù) 信 息 有 代 表 性 能 反映大棚內(nèi)整體環(huán)境參數(shù) 2 數(shù)據(jù)傳輸采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳輸方式 該 系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 傳 輸 可 以 分 為 三 個(gè) 部 分 進(jìn) 行 大 棚 內(nèi) 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) 采 集 的 環(huán) 境 信 息 通 過(guò) ZigBee 無(wú) 線 傳 輸 到 數(shù) 據(jù) 采 集 終 端 上 位 機(jī) 數(shù) 據(jù) 采 集 終 端 與 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 中 心 可 以 采 用 TCP TP 數(shù) 據(jù) 傳 輸 協(xié) 議 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 中 心 與 移 動(dòng) 終 端 可 以 采 用 TCP IP 或 者 4G 網(wǎng) 絡(luò) 進(jìn) 行 通 信 為 用 戶 提 供 查 詢 與 存 儲(chǔ) 功 能 同 時(shí) 用 戶 下 達(dá) 的 遠(yuǎn) 程 控 制 指 令 需 要 及 時(shí) 傳 輸 給 控 制 設(shè) 備 向 網(wǎng) 絡(luò) 發(fā) 送 請(qǐng) 求 或 者 應(yīng) 答 網(wǎng) 絡(luò) 請(qǐng) 求 并 在 Android 終端 APP 上顯示大棚的環(huán)境信息 3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)效性及數(shù)據(jù)的完整性 該 系 統(tǒng) 需 要 具 有 較 高 的 可 靠 性 并 且 能 將 ZigBee 數(shù) 據(jù)采 集和 傳輸 的數(shù) 據(jù)通 過(guò) TCP IP 傳輸 并及 時(shí)存 儲(chǔ) 最后 通 過(guò) 瀏 覽 器 及 手 機(jī) APP 轉(zhuǎn) 換 為 可 視 化 圖 表 方 便 用 戶 查 看 所 對(duì) 系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 采 集 的 時(shí) 鐘 周 期 與 數(shù) 據(jù) 傳 輸 過(guò) 程 中 的 實(shí) 效 有 較 高 的 要 求 考 慮 到 本 系 統(tǒng) 采 集 的 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 信 息 數(shù) 量 大 采 集 頻 率 高 會(huì) 在 客 戶 端 積 累 大 量 的 數(shù) 據(jù) 因 此 通 過(guò) 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 中 心 管 理 系 統(tǒng) 可 以 有 效 的 對(duì) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 有 效 的 管 理 與 存 儲(chǔ) 保 證 存 儲(chǔ) 數(shù) 據(jù) 的 安 全 性 和 時(shí) 效 性 考 慮 到 移 動(dòng) 終 端 數(shù) 據(jù) 的 可 視 化 及 監(jiān) 控 操 作 請(qǐng) 求 服 務(wù) 所 以 本 系 統(tǒng) 的 Android 終 端 使 用 SQLite 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 來(lái) 存 儲(chǔ) 這 些 數(shù) 據(jù) 4 結(jié)束語(yǔ) 移 動(dòng) 互 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 應(yīng) 用 在 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 可 以 有 效 推 進(jìn) 農(nóng) 業(yè) 信 息 化 水 平 的 提 升 6 基 于 移 動(dòng) 互 聯(lián) 網(wǎng) 的 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 可 以 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 溫 室 環(huán) 境 的 精 細(xì) 化 全 程 化 管 理 有 效 實(shí) 現(xiàn) 了 溫 室 大 棚 對(duì) 光 照 CO 2 濕 度 溫 度 等 植 物 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 的 監(jiān) 測(cè) 與 控 制 同 時(shí) 系 統(tǒng) 采 用 了 Android 開 發(fā) 中 主 流 的 技 術(shù) 力 求 做 到 用 戶 界 面 友 好 功 能 實(shí) 用 數(shù) 據(jù) 傳 輸 及 時(shí) 等 特 點(diǎn) 切 實(shí) 為 溫 室 大 棚 種 植 精 細(xì) 化 管 控 提 供 典 型 的 解 決 方 案 參考文獻(xiàn) 1 張 晨 施 佺 付 康 為 沈 樂 威 鄭 亞 平 支 持 多 平 臺(tái) 應(yīng) 用 的 智 慧 農(nóng) 業(yè) 溫 室 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) J 江 蘇 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 2018 12 197 201 2 任 碩 果 基 于 移 動(dòng) 互 聯(lián) 網(wǎng) 的 農(nóng) 業(yè) 大 棚 環(huán) 境 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 與開發(fā) J 信息與電腦 2017 2 149 150 3 宋 承 繼 陳 小 健 王 津 基 于 移 動(dòng) 互 聯(lián) 網(wǎng) 在 線 學(xué) 習(xí) 系 統(tǒng) 的 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) J 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用 2017 5 33 36 4 楊 飛 謝 濤 伍 英 蘇 維 均 基 于 WIFI 的 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 溫 室 大 棚 環(huán) 境 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) J 計(jì) 算 機(jī) 測(cè) 量 與 控 制 2017 25 2 50 53 5 齊 建 玲 田 國(guó) 強(qiáng) 蘇 行 基 于 嵌 入 式 技 術(shù) 的 無(wú) 線 智 能 溫 室 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) 2016 26 2 1 3 6 張 曉 培 梁 文 海 基 于 移 動(dòng) 端 的 溫 室 環(huán) 境 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 2018 6 215 219 作 者 簡(jiǎn) 介 宋 承 繼 1980 男 碩 士 講 師 研 究 方 向 計(jì) 算 機(jī) 應(yīng) 用 技術(shù) 軟件工程理論 76