基于數字孿生的溫室大棚可視化監控系統研究

賴祿安，陳婷，常杰，王浩

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院）

0 引言

農業是社會穩定與發展的基礎。隨著我國城市化發展和全球氣候變暖，農業面臨諸如土地資源緊缺、生態環境壓力大等突出問題，農產品的產量和品質成為農民和政府關注的焦點。越來越多的種植戶使用溫室大棚種植農作物，以提高農產品的產量和品質，但大部分還是依靠種植人員的經驗進行粗放式管理，沒有發揮溫室大棚最大的作用。

互聯網等現代信息技術的發展推動了傳統農業的轉型升級，溫室大棚中安裝監控系統已隨處可見。基于物聯網的溫室大棚監控系統具有環境參數精準采集、實時監控、減少勞動力和成本投入的特點[1-4]。孫陽等[5]基于物聯網技術，設計了對農產品生長環境監控和溯源的物聯網植物工廠監管系統。韓毅等[6]基于物聯網技術開發了日光溫室智能監控系統。ZigBee 無線通信技術被應用到溫室大棚的監控系統中，提高了系統的精度、穩定性[7-10]。

數字孿生技術的概念被Grieves 提出后，經過十幾年的發展，數字孿生技術已被廣泛應用于各行各業。陶飛等[11]提出數字孿生五維模型，探討了其在衛星/空間通信網絡等10 個領域的應用思路與方案，同時也指出了在農業領域的應用。雖然數字孿生的應用熱點在制造業，但是還是有學者將數字孿生技術應用到農業領域。毛雨晗[12]研究了溫室自動化多層栽培裝備數字孿生監控方法，實現了環境數據的監測與溫室場景的可視化；梁晨光[13]基于數字孿生技術理論搭建了稻田環境監測系統，解決了農業上因環境因素不確定性帶來的數據誤差問題；王志強等[14]將數字孿生與區塊鏈技術結合，以金銀花采摘應用場景對該系統進行了設計；顧生浩[15]等探討了數字孿生系統在農業生產中的應用，為推進我國農業生產智能化提供了參考。

綜上所述，基于數字孿生的溫室大棚可視化監控系統目前還沒有得到較多應用，數字孿生溫室大棚的應用可以實時監測溫室大棚環境信息，查詢歷史環境信息，提高管理效率，為種植戶提供種植參考依據，同時場景漫游查看農作物信息，比傳統的監控系統更具優勢。

1 分析與設計

1.1 需求分析

目前，市面上的溫室大棚監控系統雖然實現了環境監控、數據展示、故障預警等功能，但是還未實現虛實映射，用戶使用體驗感較低，基于數字孿生的溫室大棚可視化監控系統恰好解決了這一問題。數字孿生溫室大棚是溫室大棚物理實體、虛擬實體、孿生數據、服務和連接的集成融合，溫室大棚物理實體和溫室大棚虛擬實體通過連接進行孿生數據傳輸，服務連接孿生數據實現了數據的實時交互和真實映射。本文通過可視化監控從幾何維度展現數字孿生溫室大棚，并從監控需求出發，建立了溫室大棚可視化監控系統五維模型，如圖1 所示。

圖1 溫室大棚可視化監控系統五維模型Fig.1 Five dimensional model of visual monitoring system for greenhouse

溫室大棚數字孿生可視化監控系統，要求能對溫室大棚的環境參數進行狀態監控并通過界面展示實時、歷史環境數據信息、溫室大棚三維環境、警報信息和場景漫游。

1.2 系統功能設計

基于數字孿生的溫室大棚可視化監控系統分為2 部分：數字孿生可視化展示和場景漫游功能，功能框圖如圖2 所示。

圖2 系統功能框圖Fig.2 System function block diagram

數字孿生可視化展示包含實時環境參數可視化、歷史環境參數可視化、溫室大棚三維環境可視化和警報信息。實時環境參數可視化功能實時展示傳感器獲取得到的環境數據參數；歷史環境參數展示功能對存儲在數據庫中的環境數據參數進行展示；溫室大棚三維環境展示是根據實際溫室大棚的建筑結構、布局建立的虛擬溫室大棚三維模型場景，包含了各類農作物，以三維模型的形式進行1∶1的展示，以及溫室大棚環境參數不適合農作物生長則在界面上顯示警報信息。

數字孿生場景漫游包含場景漫游功能，用戶可使用鼠標在主界面和歷史數據界面進行場景漫游，查看溫室大棚的農作物信息，使用戶如同身臨其境。

1.3 平臺架構設計

針對溫室大棚可視化監控系統的功能需求，對溫室大棚可視化監控系統進行了總體設計。本文采用Uinty3D 引擎的C/S 兩層架構，服務端采用MySQL 數據庫存儲數據，數據庫中存儲了溫室大棚的環境參數信息，通過編輯C#腳本連接MySQL數據庫實現Unity3D 與數據的交互和顯示。

2 系統的實現

2.1 硬件設備

本系統使用Arduino UNO 開發板讀取傳感器的數據，采集溫室大棚的空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度等環境參數數據。Arduino UNO 開發板如圖3 所示，選用的傳感器如圖4 所示。

圖3 Arduino 開發板Fig.3 Arduino development board

圖4 傳感器Fig.4 Sensor

（1）空氣溫濕度傳感器的選擇。本文選用AM2301A 型溫濕度傳感器，其溫度測量范圍為-40～+80 ℃，精度為±0.5 ℃；濕度測量范圍為0～99.9% RH，精度為±3% RH。

（2）光照傳感器的選擇。選用GY-302 光強度光照度模塊傳感器，測量范圍為0～65 535 Lux。

（3）土壤濕度傳感器的選擇。選用土壤濕度傳感器模塊4 線制，其輸出值有2 種類型。當土壤濕度低于設定的閾值時，DO 輸出高電平，同時其模塊的提示燈會變亮；當濕度高于設定的閾值時，DO 輸出低電平，同時其模塊的提示燈會變亮。該型號傳感器的工作電壓為3.3～5.0 V，其測量范圍也有所不同。當接通3 V 電壓，空氣中AO 讀取的值最大為695，浸泡在水里的最小值245；當接通5 V 電壓時，空氣中AO 讀取的值最大為1 023，浸泡在水里的最小值245。

2.2 虛擬溫室大棚場景建模

數字孿生完美實現了現實世界與虛擬世界的虛實交互，而三維模型是對現實世界對象進行忠實映射的載體，是數字孿生的骨骼，因此模型的逼真程度決定了溫室大棚數字孿生系統的使用體驗。本文使用Unity 3D 中Asset Store 的溫室大棚模型，并結合實際研究內容對模型進行適當修改，使物理實體與虛擬實體盡可能保持一致，提高數字孿生的溫室大棚可視化監控系統的逼真程度，增加用戶的體驗感。溫室大棚模型如圖5 所示。

圖5 溫室大棚模型Fig.5 Greenhouse model

2.3 數據獲取及存儲

在Arduino IDE 上編寫代碼，驗證無誤后將代碼上傳（燒錄）到Arduino UNO 開發板，通過Arduino IDE串口監視器即可查看實時的環境數據，如圖6 所示。編寫的核心代碼如下：

圖6 串口監視器信息Fig.6 Serial monitor information

由于采集到的溫室大棚環境數據需要和Unity3D 游戲引擎實時交互、傳輸數據，而Arduino IDE 串口監視器只能查看實時的環境數據并不能存儲數據，因此需要將采集得到的環境數據進行存儲，小型關系型的MySQL 數據庫是最好的選擇。在Python 文件中導入serial、pymysql 庫配置環境信息，編寫代碼實時讀取串口數據，最后將串口數據保存在MySQL數據庫中。數據結構表如圖7所示。

圖7 數據結構表Fig.7 Data structure table

2.4 功能模塊開發

監控系統使用Unity3D 游戲引擎對UI 界面布局。在場景中創建UI 組件后，該組件自動放置在Canvas 組件中，系統也會自動創建一個EventSystem 組件。Unity3D 的常見組件類型有Image 組件、Text 組件、Button 組件、Toggle 組件、Slider 組件、Input Field 組件等，根據UI 界面的要求，將各組件組合使用、設置UI 組件的參數完成UI 界面的開發工作。本文的系統UI 界面包含開始界面、主界面和歷史數據界面。

UI 界面開發完成后，創建編輯C#腳本使Unity3D 獲取MySQL 數據庫的數據，通過自帶的Update 函數將溫室大棚的環境參數實時顯示到UI主界面上，進而實現在主界面上實時查看溫室大棚的環境參數信息和警報信息；通過C#腳本獲取鼠標的輸入，使得在主界面和歷史數據界面都具有場景漫游功能，實現溫室大棚三維環境的可視化，查看溫室大棚的農作物信息。查閱文獻資料設定警報信息的預警界限范圍：溫度18～37℃，空氣濕度50～85 RH，光照2 000～10 000 Lux，超出此范圍均有警報信息。

3 系統測試和驗證

系統設計完成后對系統進行測試，以驗證其穩定性、可靠性。設置每秒獲取一次傳感器數據。將傳感器置于溫室大棚適當位置，打開系統運行測試。為了檢驗測試性能，在試驗中人為調節溫度、濕度和光照強度，以檢驗環境參數變化時系統的靈敏度。測試結果表明，系統能夠實現對溫室大棚的溫濕度、光照強度等參數實時監測，超出預警范圍發出警報信息，能在系統內實現漫游功能，系統性能、數據存儲占用也符合要求。系統主界面如圖8所示，歷史界面數據如圖9 所示。

圖8 系統主界面Fig.8 System main interface

圖9 歷史數據界面Fig.9 Historical data interface

4 結語

本文結合數字孿生技術設計實現了溫室大棚可視化監控系統，通過傳感器采集溫室大棚環境數據并保存到MySQL 數據庫，在Unity 3D 引擎中編輯C#腳本連接MySQL 數據庫實現數據的交互顯示。系統可方便種植戶實時監控溫室大棚環境，查看歷史數據，發出警報信息，讓種植戶及時決策調節環境參數，促進作物在最佳環境中健康生長。種植戶可將溫室大棚的環境數據發送給專業機構分析、整理，進一步提高溫室大棚農作物的產量和品質。本文只是實現了溫室大棚的可視化監控，并沒有與大棚的灌溉控制系統等進行連接，不能實現“以虛控實”，此外數據的傳輸還是采用傳統的纜線連接。下一步研究將采用藍牙傳輸數據，同時接入溫室大棚的控制系統，實現真正的以虛控實。