基于云平臺的物聯網農業大棚監控系統研究

孟祥蓮，王嘉鵬，張世龍

(哈爾濱華德學院，哈爾濱 150025)

基于云平臺的物聯網農業大棚監控系統研究

孟祥蓮，王嘉鵬，張世龍

(哈爾濱華德學院，哈爾濱 150025)

基于物聯網技術，Hadoop云平臺架構技術設計和開發了一種農業大棚智能控制系統。利用STM32F103、ZigBee協調器，云平臺，傳感器技術等實現農業大棚的土壤溫濕度、光線強度、空氣溫濕度等環境參數的實時監控及執行機構的自動控制，以達到農業大棚自動化、智能化的生產目標，Hadoop云平臺架構技術對于提升我國農業生產力，提高農業大棚現代化技術水平具有重要的意義。

云平臺；物聯網；農業大棚；監控系統

通過對農業大棚農作物采取科學的方法實施監控，能夠有效促進農業大棚的種植現代化、產業化與信息化。目前，國內的普遍做法是使用ZigBee無線設備形成一個局域網絡，再通過智能網關與互聯網通信，終端的節點數據要通過局域網，經過網關之后才能到達外網，這個過程比較復雜，而且開發周期相對較長。因此，設計一個簡單的智能控制系統，既具備信息采集控制功能，又具備網絡通信功能，成了物聯網農業發展的重要方向。

根據農作物的生長特點，本研究系統針對云平臺、農業大棚的信息采集、采集數據無線傳輸等關鍵技術，開發出一套適合農業發展的Hadoop云平臺架構技術，其作用為：將溫度濕度、土壤等信息數據經檢測后上傳到物聯網農業大棚監控系統，通過對農業大棚的信息采集、存儲、處理，有效控制檢測后的農作物、土壤等信息，發揮物聯網技術、傳感器技術在農業信息采集中的作用，云服務器將采集的大量數據進行實時統計分析，提出合理控制農業大棚的建議，以促進現代化農業的快速發展。

1 系統的硬件設計

本系統采用模塊方式設計，主要分為主機模塊、傳感器節點模塊、無線通信模塊和控制設備模塊。主機模塊分為：主控制器(STM32F103)、ZigBee協調器。傳感器節點模塊采用多個子模塊，分別為空氣溫濕度采集(DHT11)、土壤溫濕度采集(DS18B20、LY-69型號器件)、光線強度采集模塊(光敏電阻器)以及灌水、通風、照明、取暖控制模塊等；無線通信模塊主要是ZigBee CC2530建立網絡協議。無線通信模塊利用CC2530作為各節點CPU，負責數據的接收與發送。系統硬件的總體設計如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖Fig.1 System hardware block diagram

目前的STM32系列處理器分為多個系列。系統選用STM32F103型號，是STM32F101的增強型系列，處理器本身帶有多個串口，在數據采集時可以向多臺PC機發送數據。

本次設計把無線通信分為發送端和接收端兩部分。CC2530與CPUSTM32F101接線方式是CC2530的TXD端連接STM32的GPIOA10口、RXD接GPIO9口、GDN與VCC引腳分別與STM32對應引腳相連。嚴格按照ZigBee802.15.4協議的配置方式接收數據，發射模式與接收模式互相配合，實現無線通信。

2 系統的軟件設計

利用Hadoop云平臺架構實現一個智能大棚監控系統。在本設計研究中，傳感器節點模塊負責采集空氣溫濕度、土壤溫濕度、光線強度等環境參數，定期發送給協調器節點；主機模塊負責接收傳感器節點采集的數據并進行處理，處理后的結果直接發送到云服務器終端，主機根據各節點采集的信息，智能控制照明、灌溉、加熱等操作，實現系統的自動化控制。

圖2 主程序流程圖Fig.2 Main program flow chart

3 云服務器

本系統在配置環境設計時，要存儲每個傳感器節點采集的數據，由于要進行實時采集，導致數據量非常大，系統采用Hadoop云平臺解決對海量數據的處理。Hadoop平臺以可靠、高效、可伸縮的方式進行數據處理，可以維護多個工作數據副本，確保針對失敗的節點重新分布處理，通過并行處理，加快處理數據的速度，加大其伸縮性。

服務器操作系統選用Linux系統，配置通信I/O口，通過vi編輯器切換到Hadoop中etc下面配置環境變量。在hadoop目錄配置環境core-site.xml中指定HDFS的namenode的通信地址；在配置備份時切換到hdfs-site.xml文件中進行編輯，配置HDFS副本的數量，保留備份；在配置環境中需要進行架構設計，在Hadoop中將mapred-site.xml指定yarn上運行。架構配置如圖3所示。

圖3 架構配置環境圖Fig.3 Schematic diagram of the architecture configuration

server端和client端文件的傳輸使用Python實現，利用Python中的SocketServer模塊解決文件的傳輸。

建立Socket連接的核心代碼為:

socket=serverSocket.accept();

socketstart=true;

socket.setSoTimeout(50000);

系統采用云存儲模塊，對最終處理的數據進行存儲、備份。使用云存儲服務，可使系統節省成本費用，簡化復雜的設置和管理任務，把數據放在云服務器中便于從多處訪問數據。云存儲框架如圖4所示。

圖4 云存儲框架圖Fig.4 Cloud storage frame diagram

4 結語

本系統通過STM32負責接收ZigBee傳感器節點采集到的農業大棚的土壤濕度、光照強度、空氣溫濕度等數據,并把數據存儲到服務器上。考慮到目前采集的信息量過大，采用Hadoop云架構技術來搭建服務器，及時對信息存儲和數據分析，對采集到的農業大棚信息進行實時顯示。

[1] 謝桂蘭，羅省賢.基于Hadoop MapReduce模型的應用研究[J].微型機與應用，2010，(08)：4-7.

[2] 張尼，姚海鵬.物聯網嵌入式智能卡遠程管理技術[J].電信工程技術與標準，2012，25(06)：16-20.

[3] 何勇，聶鵬程，劉飛.農業物聯網與傳感儀器研究進展[J].農業機械學報，2013，44(10)：216-226.

[4] 許丞，劉洪，譚良，等.Hadoop云平臺的一種新的任務調度和監控機制[J].計算機科學，2013，40(01)：112-117.

[5] 楊萌,趙亮.基于Zigbee技術的無線傳感器網絡研究[J].電子技術與軟件工程,2015，(01)：34.

Researchonmonitoringsystemofagriculturalgreenhousebasedoncloudplatform

MENG Xiang-lian, WANG Jia-peng, ZHANG Shi-long

(Harbin Huade College, Harbin 150025, China)

Based on the Internet of Things technology, Hadoop cloud platform architecture technology has been designed and developed an intelligent control system for agricultural greenhouses. The use of STM32F103, ZigBee coordinator, cloud platform, sensor technology can achieve the agricultural greenhouses soil temperature and humidity, light intensity, air temperature and humidity and other environmental parameters of the real-time monitoring and implementation of automatic control agencies so as to achieve the automation and intelligence of agricultural greenhouses. Hadoop cloud platform architecture technology is of great significance to enhance China’s agricultural productivity and improve the modernization level of agricultural greenhouses.

Cloud platform; Internet of things; Agricultural greenhouses; Monitoring system

TP27

： A

： 1674-8646(2017)15-0072-02

2017-05-25

黑龍江省教育廳科技研究項目資助(12543033)；黑龍江省教育科學規劃課題資助(GJB1316029)。

孟祥蓮(1980-)，女，碩士，副教授； 王嘉鵬(1983-)，男，碩士，副教授； 張世龍(1976-)，男，碩士，教授。