基于物聯網的微型植物工廠智能監控系統設計

左志宇，譚 潔，毛罕平，卓敏敏，胡勝堯，唐學平，張文忠，趙 常

(1.江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇白雪電器股份有限公司，江蘇 蘇州 215500)

0 引言

近年來，由于我國可耕地面積減少、自然災害頻發的現狀，使得傳統農業已經不符合我國農業發展需求，需要向現代化農業轉型，設施農業是我國現代農業發展的一個趨勢[1]。

植物工廠作為設施農業發展最高階段的產物，具有受自然條件影響小、無污染、自動化程度高及作物生長周期可調控等優點，指引著未來世界農業的發展方向[2-4]。密閉的植物工廠使用人工合成光替代自然日光，同時可以通過對其內部環境的合理精確控制，為作物提供理想的生長環境[5-7]。隨著人們生活品質的不斷提高，綠色、便捷的家庭用微型植物工廠應運而生。微型植物工廠與大型植物工廠相比，縮小了空間，簡化了結構，便于家庭使用，具有微型化、智能化的特點。

本文將物聯網技術同互聯網、移動終端和智能控制結合起來[8-12]，基于Android和J2EE平臺，設計了一種基于物聯網的微型植物工廠智能監控系統，實現用戶不在家時依然可以通過手機、電腦，或將其托管給服務器，遠程管理微型植物工廠，很大程度上緩解了城市居民缺乏時間或經驗管理微型植物工廠的問題。

1 整體方案設計

基于物聯網的微型植物工廠智能監控系統總體架構分為感知層、傳輸層和網絡層等3層，如圖1所示。工作原理：感知層實現對本地微型植物工廠的信息獲取，主要通過相應的傳感器采集微型植物工廠內的環境參數信息及作物生長信息；獲取到的數據經由網絡層(Internet)傳輸至云服務器平臺集中處理,基于應用層的具體功能設計各類終端應用軟件，便于用戶、專家、系統管理員等不同身份的使用者遠程管理微型植物工廠。

圖1 系統整體方案示意圖Fig.1 System overall scheme diagram

系統整體設計分為數據采集模塊、執行機構模塊、主控制器、云服務器、Web端智能監控管理系統(以下簡稱Web端應用軟件)和Android端應用軟件等6個部分，如圖2所示。數據采集模塊包括溫濕度傳感器、液位傳感器和圖像傳感器。溫濕度傳感器選用AM2302數字溫濕度傳感器，液位傳感器采用側裝式浮球開關，圖像傳感器采用OV2640芯片對微型植物工廠內部的植株生長情況進行記錄；執行機構模塊包括降溫設備、加熱設備、內空氣循環設備、營養液循環設備以及補光設備等；主控制器選用STM32F407VGT6單片機；服務器選用可以彈性配置的阿里云服務器；Web智能監控管理系統基于J2EE平臺開發，主要完成同服務器間的數據交互，提供友好的界面供專家和用戶進行相應操作，以及便于系統操作員管理系統內的所有微型植物工廠和不同角色使用者之間的信息共享；手機端應用軟件基于Android系統開發，完成同服務器之間的數據交互。

圖2 系統總體設計圖Fig.2 Functional design diagram of the system

2 Android客戶端應用軟件設計

2.1 軟件架構

Android是Google開發的基于Linux平臺的開源手機操作系統，包括操作系統、用戶界面和應用程序，在Eclipse集成開發環境下進行應用軟件的開發。Android應用軟件分為實時監控、參數設置、歷史數據查看、服務器托管和專家托管5個模塊。采用Android Java開發，利用自身數據庫SQLite實現數據存儲，并結合SOCKET通信方式完成網絡通信，最終編譯運行生成APK文件，在使用Android操作系統的手機上直接安裝運行。

2.2 軟件開發環境

Android手機客戶端開發系統采用Android SDK+JAVA JDK6 + Eclipse搭建，云服務器可同時與多個手機移動端通信，并為每個移動端配置通信參數，包括1個IP地址和端口號，用戶登錄系統后通過獲取當前微型植物工廠的通信參數，并連接至云服務器。

2.3 界面設計

Android客戶端應用軟件采用xml語言完成界面設計，本系統主要包含登錄界面，主功能界面，參數設置界面以及微型植物工廠的主控制界面等。1號微型植物工廠的Android客戶端應用軟件界面如圖3所示。該控制界面通過與服務器連接將微信植物工廠的實時工作狀態顯示在該界面上，如顯示實時溫度、濕度、生長燈亮滅情況、當前批次的種植蔬菜名稱，以及微型植物工廠的托管狀態等信息。

圖3 Android客戶端應用軟件界面Fig.3 Interface of Android client software

Android客戶端應用軟件主要包含6個Activity，不同Activity之間通過Intent中間件進行通信以及變量的數據傳遞。界面屬性以及界面上控件的屬性、權限在配置文件manifest.xml中定義。

3 Web端智能監控管理系統設計

考慮到B/S架構用戶體驗良好且適用于廣域網的特點，本系統采用B/S架構將服務端與客戶端分離，客戶端僅需借助瀏覽器，便可以通過網絡直接訪問數據。

3.1 系統架構

根據微型植物工廠Web端應用軟件的實際需求，采用3層架構，架構的各部分組成如圖4所示。第1層：人機接口層，作為用戶、專家、管理員及不同角色人員進入軟件的功能接口，接收系統訪問者的輸入輸出請求，在網站前端顯示Web服務器的執行結果。第2層：各功能部件內部接口層，是連接數據訪問層和表示層的橋梁，將軟件組件化實現不同的業務。第3層：數據庫訪問層，為人機接口層和各功能部件內部接口層提供數據服務，主要實現對后臺數據庫的管理功能。

圖4 智能監控管理系統功能圖Fig.4 Functional diagram of the intelligent micro plant factory system

3.1.1 人機接口層界面設計

人機接口層為3層架構中的第1層，提供人機交互界面。Web端界面使用HTML5+CSS3+JavaScript開發，使用Node.js作為JavaScript運行環境。微型植物工廠智能化監控與管理系統主要包括以下幾個重要界面：用戶注冊與登錄、設備查看、手動控制、參數設置、歷史數據查看及托管服務器等。由于本系統功能界面多且各功能界面中的表單子元素較多，采用Vue.js漸進式框架的自頂向上增量開發的設計，通過簡單的API實現響應的數據綁定和組合，并采用其組件功能來制作各功能界面的表單，擴展HTML元素，封裝可重用的代碼。

3.1.2 功能部件接口層設計

接口層的設計需要結合微型植物工廠Web端應用軟件各部分的主要功能，從而建立不同業務邏輯對應的組件，主要包括用戶管理組件、設備管理組件、批次管理組件、實時監控組件、參數設置組件、手動控制組件、托管服務器內嵌組件，以及歷史數據查詢組件等。

3.1.3 數據庫中關鍵數據表設計

本文采用關系型數據庫MySQL建立服務器端數據庫，并選擇可視化軟件MySQL-Front管理數據庫。微型植物工廠Web端智能監控管理系統具有數據量多、類型豐富、數據相互之間關系復雜的特點，因此設計合理的數據庫是本系統開發的關鍵。根據對系統實際應用的需求分析，創建名為weifactory的數據庫，共含有57張數據表。其中，涉及主要功能實現的數據表包括t-user表、t-device表、t-hand-control表、t-param-set表、t-batch表和s-param-set表。

在t-user表中存放用戶的基本信息，如用戶名、密碼、手機號及微信賬號等；在t-device表中存放所有在線的微型植物工廠的基本信息，如序列號、用戶及型號等；在t-hand-control表中存儲手動操作指令的相關信息，如換新風、施營養液、開營養液消毒燈管、開空氣消毒燈管、排營養液及開生長燈等；在t-param-set表中存放自動運行模式下的參數設置信息，如白天開始時間、白天結束時間、晚上開始時間、晚上結束時間、白天光照時長、白天光照間隔、白天溫度及晚上溫度等；在t-batch表中存儲具體某一臺微型植物工廠的種植批次信息，如作物類型、批次生成時間、溫度、濕度及生長燈亮滅情況等；在s-param-set表中存儲微型植物工廠在托管給服務器管理狀態下的默認參數設置信息，數據表中的具體字段同t-param-set表。

3.2 通信協議制定

Web端應用軟件實現對系統內微型植物工廠環境參數的遠程采集及控制功能。為了確保數據傳輸功能的有效實現，通過標記的方式對傳輸信息加以區分。數據通信協議采用如下格式：ZWGC#數據長長度#功能標識碼#指令編號#數據#時間戳$，數據協議中通過“#”對不同字段進行分隔，沒有數據的字段補0，并且協議以“$”結尾。功能模塊和指令碼對應關系如表1所示。如ZWGC#00000001#0001#101#1#20170315080856$的含義為對目標微型植物工廠執行手動控制功能，并打開其第1層的空氣循環開關，服務器執行當前操作的時間為2017年3月15日8點8分56秒。

表1 功能模塊和指令碼對應關系Table1 Functional module and command code correspondence

3.3 軟件整體開發與部署

3.3.1 軟件開發環境

Web端應用軟件是運用Eclipse使用Java語言開發的，在完成軟件開發以后，需要將網站發送到Tomcat服務器。網站的發布過程：

1)下載Tomcat到服務器硬盤的某具體路徑下，再在Eclipse中配置好Server運行環境，添加Tomcat服務器的本地安裝路徑；

2)在Eclipse中啟動Tomcat服務器，并運行Web端應用軟件的系統程序；

3)用戶使用瀏覽器訪問微型植物工廠Web端智能監控管理系統運行發布的網頁鏈接，直接訪問系統。

3.3.2 軟件部署環境

采用阿里云端服務器實現Web端智能監控管理系統軟件的部署。根據系統訪問量需求，CPU選擇2核4GB內存配置，操作系統為64位CentOS V6.8，系統盤為40GB，通過付費方式購買彈性的云端服務器配置。

3.3.3 軟件部署流程

軟件部分部署在CentOS V6.8 Linux服務器上。在操作系統上同時運行Web服務、反向代理服務和數據庫服務，分別使用Tomcat服務器和MySQL數據庫服務器。在完成基礎通信組件的部署后，再依次完成Web前端組件的部署和圖片傳輸功能組件的部署，最后完成核心Web項目的部署。

4 系統應用試驗

4.1 試驗目的

為了驗證基于物聯網的微型植物工廠智能監控系統的功能，在江蘇大學和江蘇白雪電器股份有限公司聯合研制的微型植物工廠中進行生菜種植試驗。

4.2 試驗設計

試驗于2018年3-5月進行，種植作物為生菜，生菜種子經低溫催芽后在育苗室中育苗。待生菜苗長至4葉1心時，移入微型植物工廠栽培架上。營養液采用霍格蘭改進配方，調整pH值在6.0±0.5范圍內，循環方式采取定時供應營養液。試驗中溫度設置為白天25℃、夜間18℃；每栽培層光照條件相同，均為紅藍光配比為5∶1的LED生長燈，光周期設置為12h。試驗中的微型植物工廠如圖5所示。

4.3 Web端應用軟件實現效果

基于物聯網的微型植物工廠智能監控系統Web端實現了登錄與注冊、實時數據顯示、歷史數據查看、遠程及時干預控制、自動運行參數設置、在線付費，以及將微型植物工廠托管給云服務器管理等功能。

試驗結果表明：用戶成功登錄系統以后，可以遠程查看對應的微型植物工廠的運行情況(見圖6)，用戶還可以實現對微型植物工廠進行及時干預控制的功能(見圖7)，系統還可以實現用戶查看具體某一臺微型植物工廠的歷史數據的功能，對某段時間歷史溫度數據查看，如圖8所示。

圖5 試驗中的微型植物工廠Fig.5 The micro plant factory in experiment

圖6 實時狀態查看界面Fig.6 Real time state view interface for equipment

圖7 手動控制界面Fig.7 Manual control interface

圖8 歷史溫度查看界面Fig.8 Historical temperature view interface

5 結論

基于物聯網技術，將本地傳感器信息采集、無線傳輸網絡、手機端應用軟件和Web端應用軟件相結合，開發出了一套應用于微型植物工廠的遠程智能監控系統。通過該系統用戶可以遠程實時查看微型植物工廠狀態信息，即時干預控制；查看微型植物工廠的歷史環境信息，分析作物的長勢與環境信息的關系，為下一批次作物種植的環境優化調控提供參考；用戶缺乏時間或經驗管理微型植物工廠時，可以將其托管給專家或服務器代為管理。試驗結果表明：在應用試驗中各功能模塊工作正常，作物長勢良好，系統運行穩定，操作簡單方便，便于家庭使用。