基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚蔬果智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究

張莉 湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院

這種在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建立的大棚果蔬智能監(jiān)控技術(shù)，不僅效率高，而且能夠節(jié)約環(huán)境，節(jié)約資源，和普通的大棚相比，它結(jié)合了無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等高科技手段發(fā)展。我們是根據(jù)具體的管理需求，以及環(huán)境控制設(shè)計出的果蔬智能監(jiān)控系統(tǒng)對大棚內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，包括空氣溫度、土壤水分、空氣濕度、土壤溫度、二氧化碳濃度、太陽輻射等，根據(jù)實時采集的環(huán)境參數(shù)值對大棚內(nèi)的控制設(shè)備進(jìn)行控制，包括內(nèi)遮陽、外遮陽、水泵、濕簾、風(fēng)機(jī)、電磁閥等。

一、物聯(lián)網(wǎng)的大棚蔬果智能監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的蔬果大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵性的技術(shù)：結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)、以及無線射頻技術(shù)，都能在任何時間地點進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，也就是綜合利用了，感知技術(shù)。具有跨學(xué)科的交叉、多技術(shù)的融合。其硬件技術(shù)包括射頻識別技術(shù)、智能嵌入技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、納米技術(shù)；軟件處理技術(shù)是由多個部分組成的，例如信息處理技術(shù)，安全技術(shù)等等[1]。

二、物聯(lián)網(wǎng)的大棚蔬果智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，進(jìn)而對大棚果蔬進(jìn)行監(jiān)控，首先進(jìn)行智能的分析之后進(jìn)行框架設(shè)計，這過程中包括多個方面，例如文化感知層的數(shù)據(jù)采集以及無線通訊傳輸，最終的移動終端分析設(shè)計。

(一)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)按照應(yīng)用模式主要分成兩個部分，一個是數(shù)據(jù)的采集與管理部分，另一個是系統(tǒng)終端的訪問管理部分，進(jìn)行系統(tǒng)整體的框架設(shè)計。

信息采集與控制依賴于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境參數(shù)，棚內(nèi)現(xiàn)場采集控制終端的二氧化碳濃度、溫度、光照葉面濕度等環(huán)境參數(shù)通過標(biāo)準(zhǔn)的232/485標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，內(nèi)部設(shè)置了一張能夠連接通信GPRS 數(shù)據(jù)庫和互聯(lián)網(wǎng)的卡。采集到的數(shù)據(jù)能在第一時間傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心，這種F2103具有很強(qiáng)的通用性，而且體積小，攜帶便捷，不需要專業(yè)技能進(jìn)行安裝，面對不同的工程情況，也可以選用不同的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)中間對實時采集到的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，輸出統(tǒng)計報表，較直觀的以曲線和圖標(biāo)形式預(yù)測分析圖，依據(jù)植物的生長環(huán)境需求提供報警信息，當(dāng)環(huán)境參數(shù)值超過或低于設(shè)定值時就自動開啟或關(guān)閉指定的控制設(shè)備。

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計和軟硬件設(shè)計要求分別進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計，系統(tǒng)軟硬件設(shè)計完成后進(jìn)行一系列的聯(lián)調(diào)和測試，直至形成一個完整可行實用的系統(tǒng)。系統(tǒng)總體技術(shù)設(shè)計路線圖如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)設(shè)計路線圖

系統(tǒng)設(shè)計中，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中嵌入環(huán)境參數(shù)采集傳感器，采集數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)從分節(jié)點上送給總節(jié)點。在傳輸距離遠(yuǎn)而直接引入的GPRS模塊中，總節(jié)點將匯總的數(shù)據(jù)傳輸給GPRS模塊，再經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)傳送給指定的上位CP機(jī)。上位機(jī)所數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中供定時獲取，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，將由控制模塊生成的解決方案控制相應(yīng)控制設(shè)備。

(二)感知層數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

大棚內(nèi)的傳感器，將采集到的數(shù)據(jù)匯總傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，根據(jù)其功能需求，其節(jié)點必須有數(shù)據(jù)的采集、處理及傳遞的功能[2]。數(shù)據(jù)采集模塊是整個物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，故數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器構(gòu)建也要遵循系統(tǒng)總體設(shè)計的原則，實時、穩(wěn)定、適用、抗干擾、安全。

傳感器包括：二氧化碳變送器、土壤水分傳感器、光照強(qiáng)度傳感器，A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計：A/D轉(zhuǎn)換器又叫模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter)，也就是將模擬的電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成可以讓計算機(jī)接口、儀表、微處理機(jī)來操作的數(shù)字信號[3]。本系統(tǒng)使用ADC0809型號的A/D轉(zhuǎn)換器，用戶可以編程控制監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，具有高精度、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢。

(三)網(wǎng)絡(luò)傳輸層無線通信模塊設(shè)計

無線通信技術(shù)的選擇：短距離無線通信是指通信的雙方在比較近的距離范圍內(nèi)通過無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，在實際應(yīng)用中使用非常廣泛。無線通信的發(fā)射功率在幾微瓦到十幾微瓦之間，平時只需要電池供電即可。

因為農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)周圍的環(huán)境比較復(fù)雜，而且會連接多個節(jié)點，所以我們要考慮到成本以及網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，快速性。以前的情況來看ZigBee這種通信技術(shù)應(yīng)用的比較廣泛，也是最適合的。

大棚內(nèi)部有很多微型的傳感器，節(jié)點能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)通過自組織實現(xiàn)；通過節(jié)點獲得的大量數(shù)據(jù)運用逐級跳到匯聚節(jié)點，再通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到管理節(jié)點；最后通過管理節(jié)點用戶對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和管理。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分別由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、管理節(jié)點組成，傳感器節(jié)點主要包括處理模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、能量供應(yīng)模塊。

匯聚節(jié)點主要包括處理模塊、存儲模塊、通信模塊、能源供應(yīng)模塊，把監(jiān)測和收集到的數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換傳導(dǎo)到外面的網(wǎng)絡(luò)同時也能對自身節(jié)點進(jìn)行監(jiān)測管理，管理節(jié)點主要是對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。

(四)應(yīng)用層終端模塊設(shè)計

(1)應(yīng)用層終端模塊總體設(shè)計方案

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該具有大棚數(shù)據(jù)采集、服務(wù)通信、GPRS報警、自動灌溉、服務(wù)器界面顯示等功能。系統(tǒng)應(yīng)用層的終端模塊可以劃分為前端數(shù)據(jù)采集、控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、決策管理六個模塊，再可以分為三個模塊，分別為：前端管理模塊、服務(wù)器模塊、后端管理模塊。

系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)控制，以及瀏覽的過程中，記住了，管理模塊。管理模塊是由多個子模塊組合而成的，例如用戶的登錄，用戶的信息，以及實施顯示模塊遠(yuǎn)程控制模塊等等，前端的管理模塊能夠直接，針對用戶登錄模塊進(jìn)行系統(tǒng)的增刪改以及個人信息的瀏覽查詢；實現(xiàn)對大棚各環(huán)境參數(shù)實時采集和歷史數(shù)據(jù)的查詢；以圖表的方式統(tǒng)計采集參數(shù)數(shù)據(jù)匯總，在地圖上查找大棚所在位置。

服務(wù)器模塊能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)以及終端的連接，其中包括多個部分，終端管理的模塊，數(shù)據(jù)接收的模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的模塊傳輸?shù)哪K等等。在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的過程中，可以直接用智能手機(jī)的客戶端。數(shù)據(jù)分析能夠?qū)κ占降臄?shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，并通過傳輸模塊，把信息轉(zhuǎn)發(fā)或者是傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶端里。其中還有一個命令，防干擾模塊，也就是說在執(zhí)行命令或者是控制命令的過程中不會受到其他信號的干擾，也就不會出現(xiàn)錯誤處理。

在這過程中，擁有最大權(quán)限的就是系統(tǒng)后端的管理模塊，這也是系統(tǒng)，必不可少的一部分。其中包括了系統(tǒng)管理監(jiān)控設(shè)備的管理，以及系統(tǒng)分析等等。系統(tǒng)管理模塊，主要是接收用戶的管理，之后再進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，或者是配置。能夠管控監(jiān)測點，實現(xiàn)監(jiān)控的目的。在統(tǒng)計分析的過程中，能夠根據(jù)參數(shù)的變化提前進(jìn)行預(yù)警分析，決策支持模塊，也就是把得到的信息分析的結(jié)果總結(jié)下來，進(jìn)行智能決策。

(2)總體數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

(3)終端用戶數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)使用MySQL建成dpgs.mdb數(shù)據(jù)庫，dpgs.mdb數(shù)據(jù)庫主要包含了四個數(shù)據(jù)表，分為為tb_user (用戶表)、tb_collect(數(shù)據(jù)參數(shù)采集表)、tb_connect (關(guān)聯(lián)表)、tb_management(管理表)。

(4)SSH組合開發(fā)框架構(gòu)建

當(dāng)今最為流行的開發(fā)框架是SSH2框架。使用的SSH2框架的版本為：struts-2.2.2+spring-2.5.4+hibernate-3.6.8

SSH組合框架：集成的SSH框架主要分為四個層面：WEB層、業(yè)務(wù)層、DAO層、持久層。

(5)終端應(yīng)用

系統(tǒng)的一部分使用了 web 技術(shù)，采用的是瀏覽器的構(gòu)架模式，和終端用戶形成了一個三層的模式結(jié)構(gòu)。在這個結(jié)構(gòu)里，用戶端只需要安裝一個火狐瀏覽器就可以了，服務(wù)器使用的數(shù)據(jù)庫是 oracle。項目在開發(fā)的過程中可以安裝安卓手機(jī)的客戶端，直接下載，客戶要想了解大棚內(nèi)果蔬的生長情況，以及參數(shù)值，直接用手機(jī)查看就可以了，還可以直接用手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

(五)最優(yōu)環(huán)境參數(shù)控制模塊設(shè)計

由于，大棚內(nèi)部的果蔬生長環(huán)境比較復(fù)雜，我們?yōu)榱烁玫目刂票O(jiān)控，利用了PID 控制以及模糊控制，這兩種控制方法，能夠嚴(yán)密的監(jiān)控各項環(huán)境的參數(shù)。分析濕度、溫度，以及光照探究其中的耦合關(guān)系，在這個基礎(chǔ)上設(shè)計出補(bǔ)償模糊 PID控制器。

三、總結(jié)

當(dāng)前有很多人都在關(guān)注智能農(nóng)業(yè)，這也是非常熱點的話題，因為關(guān)系到人們的生活。而且農(nóng)業(yè)增產(chǎn)在一定程度上能夠提高國民的生活水平。所以我們在這過程中，首先要改進(jìn)的就是環(huán)境監(jiān)控以及數(shù)據(jù)傳輸，能夠精確的控制大棚內(nèi)部的環(huán)境，確保環(huán)境能夠更適合作物的生長。系統(tǒng)能夠在第一時間向用戶反饋信息，這樣就能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)。要根據(jù)實際情況不斷完善內(nèi)部的系統(tǒng)功能，引入一些新技術(shù)。最終實現(xiàn)智能化的管理，在大棚果蔬產(chǎn)前產(chǎn)中以及產(chǎn)后都要進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控。