多功能可視聯網監控裝置應用

孫蓉蓉

關鍵字：物聯網、可視化監控、精細化管理

農產品是社會主義國民經濟發展的基石，是人類賴以生存的重要基礎。在現代產業文明引領下，農業智能化、信息化的新時代已然來臨。遼寧、山東、河北共占有全國農業大棚面積的20.1%，2014 農業大棚總量（ 塑料溫室大棚占主要部分） 已經超過了1000 公頃。雖然智能化種植業目前也處在高速發展時期，但尚未廣泛投入生產使用，不少地方仍然使用中國傳統的栽培方式。中國的農作物大棚生長點主要面臨著這樣的一些困難。

①由于主要靠太陽和煤爐供暖，極易遭受雨雪的自然影響，而且工作人員長期在封閉的大棚生長點里工作很容易引起CO 中毒現象。

②主要依靠個人的生活經驗確定了農作物的生長發育狀態，給農作物的生長發育造成了極大風險。

③所有生產的過程全靠人力，機械化程度不高，生產效率低下。

④由于農民的個體經營不能形成規模化，所以生產工藝比較落后，規模也較小，所以產出質量和土地效益都不高[1]。

根據上述情況，我們利用嵌入式技術研發了一個多功能可視化平臺，通過移動監測設備無死角地監測整個溫室大棚，從而及時掌握溫室大棚內的不同地方農作物生長發育的情況，便于管理混合栽培的農作物。本系統通過集成機器學習技術對糧食作物品種進行識別，以適合于各種經濟作物的綜合種植；嚴格控制了阻礙糧食作物正常生長發育的環境因素，為糧食作物的正常成長和發育提供了優越的生長發育環境，對糧食作物生長狀況進行了精細化控制。本系統還能夠提升生產效益，節約家庭勞作力量，從而大大降低了成本，提高了農民收入。

一、監控系統的硬件設計

（一）硬件結構

可視化的農業監測管理系統按控制模塊大小可分五大塊，依次為集中控制管理模塊、移動監控模組、設備管理模組、數據庫系統模組和網站模組，系統的基本結構設計如圖1 所示。

移動監控模塊主要包含收集環境信號的各類感應器和移動監控，移動監控主要是在溫室上設置軌道用移動車輛，帶動監控儀實現在溫室大棚內的無死角監測，將參數直接傳送給集中控制模塊進行數據分析管理，并把收集到的環境監測信號連同感應器所收集的數據，透過WIFI 傳給客戶端系統。

（二）供電電路

供電回路相當于整個系統的基礎回路，它影響著整個控制系統是否啟動工作，所以供電電源必須保持穩定狀態[3]。本控制系統是把12V 的鎳氫電池放置在可動小車中，給步進式電機的系統供電，在電路系統中設置時有所不同的支路通常要求有所不同的電力。

（三）復位電路

復位維持裝置內的電路穩定工作，主要作用是對線路實施“清零操作”，還原到初始狀態。在線路供電中，線路發現異常導致系統出現問題中，系統中程序運行時需要及時進行復位動作。

（四）存儲器電路設計

整個Flash 器件存儲過程都是在空單元或是已被擦出的模塊中完成，因此Nand Flash 的擦除頻率是普通Nor Flash 的十倍，并且由于Nand Flash 具有SDRAM 接口，所以尋址也非常細節化[4]。我們將采用目前最有利于信息存儲的Nand Flash 存儲設備技術。

（五） SDRAM 接口電路

SDRAM 也是屬于DRAM，是一個內存數組中始終都在刷新的同步動態隨機存儲器，能夠避免線路延時的危害。

（六）WIFI 模塊的設計

本文的集中控制單元大部分集中在可移動小車中，因此必須通過無線方式把收集到的信息傳輸給服務器系統。而WIFI 和Zigbee 也都可以用于短距離無線數據傳輸，但是因為該網絡的視頻控制功能需要大容量高效率的傳輸，而且同時影響了監控的即時性，所以必須選用WIFI 模塊才能實現傳輸。

我們將使用樂鑫的ESP8266WIFI 模組，并采用了透明數據的方式傳輸，在系統中通過UART 口把數據給了ESP8266。傳輸長度大約二十公里，當遇到規模較大的如暖房大棚等時，可使用WIFI 中繼器來擴大網絡的覆蓋面積。

二、傳感器設計與選擇

（一）溫度傳感器

溫室大棚內的溫度主要與光照條件和供暖方式相關，通常植株的生長期溫度范圍為16℃ ～28℃，成熟期的溫度范圍為21℃ ～27℃左右。由于溫室大棚內的相對濕度主要與植物生長和土壤中的蒸騰作用相關，大棚內相對濕度太大很容易引起病蟲害防治，因此一般的最大相對濕度范圍可掌握在34% 左右。該裝置通過奧松電子公司的AM2305 感應器，對大棚內的氣溫、相對濕度等進行了數據收集。

（二）光強傳感器

光照強度主要影響作物生長的質量和口感，根據不同的植株反射光的需求量不同，以及針對的品種不同，還可以控制系統做出適當的遮光和補光處理。該控制系統使用功率很小的MAX44009 環境光感應器，最大精度±6%，具備高靈敏性、高精度、安裝簡單的優勢。MAX44009 整合了光電的二極體和ADC 的環境感應器，將光照強度轉換為電流密度進行處理和存儲。同時使用光傳感器的SCL 和SDL 線分別從集中式監控模塊的GPE14 和GPE15 接口中讀出數據信息。在INTE 位置為一，若發光強度高于所設定的閾值，則在INTS 的位置位，由于INT 引腳為低電壓，因此集中式監控模塊讀出時復位為零。

（三）二氧化碳濃度傳感器

光合作用是綠化植被賴以生存的物質，它可以使二氧化碳和水分在光的參與下轉變為供綠化植物生長的有機物。由于溫室大棚的高度密閉性，在白天植株內開展光配合用的氧氣就會造成二氧化碳含量減少，進而直接抑制植株的光配合用，嚴重影響了植株生長發展。所以適當地減少二氧化碳含量，是植株健壯發育的重要基礎。該裝置使用了MG8111.1 超臨界二氧化碳傳感器，測試范圍為0～5000 ppm。每次輸出8 個數據位和1 個停止位。

（四）攝像頭選型

該芯片的移動控制功能使用了CMOS 技術制作的圖像傳感器OV5640，選擇了QSXGAOV5640 攝像機頭，數據信息清晰度為2592*1944。工作電壓：3.0V～5.5V，物理分辨率較高，并具有自動對焦、手動白平衡等功能、自動逆光補償等功能。

三、軟件平臺設計

（一）攝像頭外設驅動

V4L2（Video4 for Linux2） 是基于Linux 核心中的一種基于視頻設備的核心驅動器。主要是透過利用一些回調函數來使程式找到并利用裝置。在Linux 操作系統中，每個外接設備都被視為設備文件提供存取管理，可以透過內存映射的方法實現連續視頻采集[5]。

視頻信號的收集必須遵循V4L2 規則，通過系統的調用函數ioctl（） 實現。視頻拍攝流程：

①首先要指定程序幀采集保存路徑；

②打開攝像頭在Linux 下的設備名字，設置為可讀可寫不堵塞；

③利用ioctl 獲取驅動信息；

④選擇視頻的格式；

⑤申請幀緩存；

⑥獲取地址長度；

⑦映射到用戶空間；

⑧將緩沖加入隊列；

⑨利用采集命令符采集圖像；

⑩出隊數據獲取；

?訪問幀緩沖；

?將幀緩沖重新入隊。

（二）Apache Tomcat 服務器的構建

WEB 服務器指的是存在于網絡的一個被動類型的程序，必須發送大量數據請求，才能夠允許人們自由訪問下載存儲的網絡檔案或信息資料。ApacheHTTPServer（Apache） 是目前效率最快的Web Sever，但是必須通過插件才能夠支撐動態網頁，所以我們通過Apache 擴展的Apache Tomcat 應用服務器，即可執行Servlet（Server Applet）/JSP（Java Server Page）。

（三）網頁客戶端的設計

可視化農業監控就是Eclipse 為主要研發環境并利用Java Web 動態頁面技術設計的門戶網站，利用JSP 和CSS（Cascading Style Sheets，層疊樣式表）為開發的網絡頁面布局方式展示網絡數據分析信息。JSP 能夠設定為實時監控、歷史數據等，功能界面要求實時更新動態網站界面。可視化農業監測管理系統的網站界面一共設計了七個JSP 主頁，依次是登錄主頁、首頁（如圖2）、實時監視、溯源界面、遠程控制（如圖3）和用戶管理。

實時監控管理系統包括有實時的監控圖像、真實的環境參數和植物識別，操作系統可以對檢測得到的圖像加以鑒別，并分類保存在系統的數據庫中，因此監控管理系統可以直接提供給用戶較為直接的監控接口。而環境參數則主要是當前氣溫的平均值和百分比，表示的是當前氣溫與處于溫度區域之間的比例，溫室大棚中的二氧化碳含量在28%～50%比較適宜。大棚中二氧化碳含量在35%～60% 比較適宜。溫室大棚內最適宜的相對濕度范圍是28%～58%。最低光照強度0lx～100000lx。

四、結束語

該系統結合了當前智能農產品大棚的研發成果，并根據目前智能農產品設備中遇到的部分難題進行了分析研究，而設計出的一套農業可視化系統。該系統利用嵌入式產品和圖像處理技術，實現了種植者對農產品的精細化管理，大大提高了農作物產量與效益。同時，消費者借助該系統能對農作物生產過程進行追溯，打消了食品安全方面的顧慮，能幫助消費者更好地選擇商品。