基于大數據及物聯網的家庭菜園智慧管家系統

高 路 羅 恒 傅啟明 馬媛媛 季王強 李文心

基于大數據及物聯網的家庭菜園智慧管家系統

高 路 羅 恒 傅啟明 馬媛媛 季王強 李文心

食品安全隱患的增加和室內環境的污染使得家庭菜園進入了快速發展階段。但是，當前的家庭菜園存在品種單一、智慧程度低等問題。本文提出了一種家庭菜園智慧系統，綜合大數據理論以及物聯網技術，通過傳感器網絡獲取植物生長環境，通過大數據分析，實現了植物的智慧管理。結果表明，本系統能夠實現家庭菜園的無人化智能管理，且系統成本較低，具有較好的應用前景。

相關調查結果表明，人類在室內滯留時間超過90％，因此室內環境質量對人員的身體健康和工作效率等都會產生巨大影響。同時，一系列流行病學研究已經證明惡劣的室內空氣狀況和疾病之間的密切關系-。但是，《美國空氣質量標準》報告指出，當前的室內空氣存在500多種揮發性有機物，致癌物高達20種，致病病毒200多種。據相關報告指出，綠色植蔬能吸收和過濾空氣中有害物質，增強人體免疫能力，是家庭天然的空氣凈化器，也是對人心理和情緒的良性刺激。

家庭菜園是指在家庭室內進行的蔬菜種植，這種方式能夠有效改善室內空氣環境，且具有良好的實用性和便利性，因此一經推出就收到廣泛關注，如日本企業推出的Plants Care Mon植物管家，國內企業推出的植物管家Niwa。

雖然國內外在家庭菜園的研究與應用方面取得了一定成果，但是目前推出的系統仍存在一定的優化空間，如目前系統對植物生長環境的測量參數有限，且缺乏充分的數據分析，同時，控制系統的自適應性也不足。基于上述問題，本文提出了一種基于大數據及物聯網的家庭菜園智慧管家系統，通過深度整合植物生長環境數據采集、處理、反饋控制以及遠程訪問與控制等4個主要部分，實現系統對家庭菜園的智能化管理。

系統總體介紹

圖1所示為家庭菜園智慧管家的整體結構，如圖所示，系統主要由環境參量采集系統、無線通信系統和大數據處理系統以及控制系統組成，其中，環境參量采集系統主要負責植物生長環境參量的獲取，無線通信系統實現參量的無線傳輸，大數據系統主要負責數據處理，獲取植物最佳生長條件，控制系統主要實現植物生長環境的反饋控制，使其在最優化環境中生長。

硬件系統

圖2所示為植物生長環境的多參數采集及反饋控制系統。系統主要以ESP8266為主控芯片，負責數據的采集時序控制、信號傳輸及反饋控制，通過I2C協議與DHT11溫濕度傳感器和BH1750FVI光強度傳感器通信。傳感器電路由DHT11溫濕度傳感器、BH1750FVI光強傳感器組成，反饋控制主要由灌溉控制和補光控制子系統組成。用戶通過遠程APP或WEB頁面訪問的形式進行植物生長環境各參數的獲取，也可對系統進行人為反饋控制。

圖1　系統總體結構圖

軟件系統

圖3所示為服務器處理流程。服務端使用Python編寫，其中網絡處理部分使用gevent框架，從而支持高并發處理。

ESP8266與服務器建立連接后，需通過身份驗證系統。合法用戶認證完成后，可讀取該設備所屬的用戶，并載入相關配置，進入數據處理階段。服務端解析采集到的數據，對于正確的數據格式，根據用戶的相關配置，返回命令，接收到客戶端執行成功的響應后記錄相關的數據及操作。

軟件系統可以主要負責設備控制命令的發送以及改變服務端的返回規則。對于控制硬件的命令，當用戶點擊相應按鈕，實際上建立了一個與該服務端的一個TCP連接。發送到服務端的是認證信息、目標設備、命令。其中，目標設備為用戶所綁定的設備。服務端對數據檢查通過后使用轉發模塊將命令轉發到相應設備。

圖2　硬件系統

圖3　軟件流程圖

圖4　Web顯示圖

圖5　手機APP管理系統

Web顯示與控制系統

Web顯示與控制系統如圖4所示，界面由六個頁面組成，包括主頁面、硬件控制頁面、數據查詢頁面、操作日志查詢頁面、圖像監控頁面和設置頁面。其中，“主頁面”顯示用戶設備運行狀態，“硬件控制頁面”為用戶人工控制提供接口，可通過操作完成滴灌和補光，“數據查詢頁面”向用戶提供歷史數據查詢服務，查詢內容包括溫濕度變化曲線、光照強度曲線，“操作日志查詢頁面”為用戶提供系統操作日志，用戶在此可以查詢到系統自動進行的滴灌以及補光操作記錄，也可以獲取手動控制的相關記錄，“圖像監控頁面”可以實時顯示當前植物的生長狀態，“設置頁面”包含用戶必須向系統提供的必要信息，如植物的品種，種植時間以及種植地點。

手機APP控制子系統

移動網絡的發展使得手機APP的應用無論從廣度還是深度均得到了長足發展，考慮到用戶遠程控制的需要，本系統設計了如圖5所示的家庭菜園智慧管家系統手機APP顯示及控制子系統，其功能基本與Web顯示與控制系統類似。

數據分析

生長環境控制分析

圖6　植物生長參數圖

圖7 效果對比圖

圖6所示為植物生長環境溫濕度變化曲線，由圖可見，家庭菜園智慧關鍵系統為植物的生長提高了較為恒定的溫度和濕度，降低了外界的溫濕度等環境的劇烈變化對植物生長的影響。

植物生長狀態分析

圖7所示為未使用和使用了家庭菜園智慧管家系統的對比圖，圖7（a）、（b）為現場生長情況對比圖，由圖可見，使用了本系統后，植物生長情況明顯優于自然狀態下植物生長情況。對植物觀察一個月后的統計結果表明，使用了本系統后，植物的成活率提高了24％。

小結

隨著經濟、社會的發展，家庭菜園已經開始被家庭所接受，各種系統不斷涌現。基于大數據及物聯網家庭菜園智慧管家系統，有效整合了植物生長環境數據采集、處理、反饋控制以及遠程訪問與控制等4個主要部分，為城市用戶的家庭菜園提供了一套經濟可靠、高度智能化以及便捷的智能管理系統，實現了現實與虛擬的有機結合。家庭菜園智慧管家為市民提供蔬菜的同時，也可以有效改善家庭室內環境，同時，也為城市孩子提供了一個親近自然、了解自然的機會。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.029