引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)是具有一定設(shè)施，能在局部范圍內(nèi)影響和改變環(huán)境氣象因素，為農(nóng)作物生長(zhǎng)提供良好環(huán)境條件的農(nóng)業(yè)，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的潮流和趨勢(shì)。由于我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，農(nóng)作物環(huán)境參數(shù)的控制還依賴(lài)于人工操作，工作效率低，并且環(huán)境參數(shù)的控制很難做到自動(dòng)、精準(zhǔn)控制。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)一套智能監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)和管理。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)溫室內(nèi)土壤和空氣溫、濕度、光照強(qiáng)度，CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，并結(jié)合模糊神經(jīng)控制算法來(lái)優(yōu)化控制過(guò)程；監(jiān)控系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、動(dòng)態(tài)顯示和分析處理;根據(jù)作物種植需求提供聲光報(bào)警和短信報(bào)警信息并以曲線(xiàn)的形式顯示給用戶(hù)。最終使溫室中調(diào)控符合標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的特征,從而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的叫

1系統(tǒng)的體系架構(gòu)

智能監(jiān)控系統(tǒng)主要有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控和監(jiān)控終端3部分構(gòu)成。系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.1無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)承擔(dān)感知數(shù)據(jù)的任務(wù)，采集到目標(biāo)數(shù)據(jù)后立刻通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)PC的匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS/3G等無(wú)線(xiàn)傳輸手段發(fā)送給監(jiān)測(cè)終端，終端用戶(hù)通過(guò)回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析，從而作出決策［4-5］。另外，為了保證溫室大棚內(nèi)的環(huán)境適合作物的生長(zhǎng),控制器中加載預(yù)先設(shè)計(jì)好的控制策略程序。通過(guò)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，保證作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境以及出現(xiàn)故障及時(shí)報(bào)警，通知監(jiān)控中心操作人員。

1.2視頻監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像的采集，并把采集的圖像信息傳送給嵌入式視頻服務(wù)器。服務(wù)器采集到的圖像進(jìn)行壓縮編碼，并通過(guò)3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?？蛻?hù)端主要完成圖像的接收和解碼，用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)嵌入式視頻服務(wù)器來(lái)觀(guān)看攝像頭采集到的圖像，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。

1.3監(jiān)控終端

監(jiān)控終端采用上、下位機(jī)控制方案，下位機(jī)以Tiny6410開(kāi)發(fā)板為核心，綜合利用GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)，對(duì)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)采集，通過(guò)GPRS/3G等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)上，上位機(jī)客戶(hù)端實(shí)時(shí)從網(wǎng)絡(luò)提取數(shù)據(jù)，時(shí)刻保持對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2系統(tǒng)硬件關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控中心等6大部分組成。圖2所示為本

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，圖中，每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)自動(dòng)采集墑情信息,并結(jié)合預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)上下限進(jìn)行分析，判斷是否需要執(zhí)行動(dòng)作及何時(shí)停止。傳感器網(wǎng)絡(luò)分布于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給就近的無(wú)線(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由算法選擇最佳路由，建立相應(yīng)的路由列表，其中列表中包括自身的信息和鄰居網(wǎng)關(guān)的信息。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的管理。通過(guò)網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，監(jiān)測(cè)中心可以通過(guò)PC、智能手機(jī)或者任何具有瀏覽器功能的設(shè)備可對(duì)Web服務(wù)器發(fā)布的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1傳感器模塊

DS18B20是種新型數(shù)字溫度傳感器，僅占一根I/O數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)。其測(cè)量范圍為一55?125C在一10?85°C之間精度為±0.5C，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。HS1101是電容式濕度傳感器，精度為2%，具有良好的線(xiàn)性輸出，LX1970是一種可見(jiàn)光亮度傳感器，該傳感器外圍電路簡(jiǎn)單，具有微功耗、低壓供電的特性。

2.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)上結(jié)構(gòu)基本相同。他們之間通信采用基于ZigBee技術(shù)的CC2530實(shí)現(xiàn)。CC2530是TI公司推出的最新一代ZigBee標(biāo)準(zhǔn)芯片，它集8051處理器和射頻收發(fā)模塊于一體，同時(shí)還具有豐富的GPIO以及7路12位A/D，使得系統(tǒng)可在最少外圍、最低成本的設(shè)計(jì)中進(jìn)行。

2.3網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)

考慮到網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)較大，網(wǎng)關(guān)選用友善之臂公司生產(chǎn)的Tiny6410開(kāi)發(fā)板為硬件平臺(tái)，該開(kāi)發(fā)板內(nèi)部集成了強(qiáng)大的多媒體處理單元，能對(duì)其中設(shè)備進(jìn)行控制管理。該嵌入式網(wǎng)關(guān)連接內(nèi)、外信息傳輸通道皆采用無(wú)線(xiàn)的方式，外部網(wǎng)絡(luò)以基于IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、提供通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的GPRS通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用短距離、低功率ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),結(jié)合農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)Ｓ孟盗袀鞲衅鲗?duì)農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)環(huán)境中的溫濕度、光照以及CO2等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括下、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、智能控制等模塊。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括智能管理系統(tǒng)和通信管理等功能模塊。

3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)主要由傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集控制器構(gòu)成，

負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)節(jié)。并通過(guò)GPRS/3G通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。

3.1.1系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線(xiàn)收發(fā)、電源控制等模塊。其流程圖如圖3所示。

圖3下位機(jī)主程序流程圖

主程序由C語(yǔ)言編程，主要是實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議的移植，數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)通信以及實(shí)現(xiàn)控制命令的發(fā)送、接收和執(zhí)行等功能。

3.1.2數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)/控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

各傳感器節(jié)點(diǎn)/控制節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)入信道偵聽(tīng)模式，而數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式。當(dāng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)收到采集命令，傳感器開(kāi)啟采集的工作模式，延時(shí)等待發(fā)送命令，并根據(jù)相關(guān)命令把采集到數(shù)據(jù)發(fā)送給父節(jié)點(diǎn)，發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后，傳感器節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入休眠模式。如果延時(shí)結(jié)束仍未收到發(fā)送命令，那么說(shuō)明通信出現(xiàn)了故障。而控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)與傳感器節(jié)點(diǎn)類(lèi)似。只是它收到父節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令后，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)而已。其程序圖如圖4所示。

3.1.3數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)

研究表明，決定作物生長(zhǎng)是一個(gè)時(shí)間段內(nèi)平均水平，不是某一個(gè)固定的時(shí)間點(diǎn)。為此，系統(tǒng)并不是設(shè)定一個(gè)固定值，而是在最高和最低范圍內(nèi)變化，以求在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)達(dá)到理想的平均值。

另外，控制策略的選擇也和不同時(shí)間段有密切關(guān)系，比如，白天和夜晚就選擇不同的控制策略。數(shù)據(jù)處理程序圖如圖5所示。

3.1.4基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制決策子程序

由于溫室系統(tǒng)是一個(gè)非線(xiàn)性、多變量的復(fù)雜系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論很難到達(dá)滿(mǎn)意的控制效果，因此，模糊控制算法成為了我們的首選。設(shè)計(jì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器主要包括確定模型的輸入/輸出個(gè)數(shù)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)、神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)和去模糊化的方法等?？紤]到影響作物生長(zhǎng)主要因素為溫度和濕度。那么，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器輸入個(gè)數(shù)為2，采用4輸入量，即溫、濕度誤差和溫濕度誤差變化率［9］。其程序流程圖如圖6所示。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要由基于云技術(shù)通信管理模塊和智能管理系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。釆用Java編譯上位機(jī)程序，數(shù)據(jù)管理釆用SQLServer2005。

3.2.1基于云服務(wù)器的通信管理模塊

云服務(wù)器是一種基于Web服務(wù)，提供彈性云技術(shù)，整合了計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)資源的IAAS服務(wù)［10］。云服務(wù)器中運(yùn)行著多個(gè)服務(wù)性軟件。例如，使用Java寫(xiě)的WebService。Java編寫(xiě)的服務(wù)端，專(zhuān)門(mén)處理并發(fā)請(qǐng)求數(shù)據(jù)的軟件以及并發(fā)性處理嵌入式終端發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中等常見(jiàn)的服務(wù)性軟件。在開(kāi)發(fā)板上完成Socket編程流程、完成綁定、監(jiān)聽(tīng)、等待連接請(qǐng)求操作之后，一旦有客戶(hù)機(jī)連接請(qǐng)求，馬上又創(chuàng)建一個(gè)新的線(xiàn)程，用來(lái)專(zhuān)門(mén)處理該連接請(qǐng)求，從而構(gòu)成了并發(fā)服務(wù)器。

本系統(tǒng)中服務(wù)器要不斷向?yàn)g覽器發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，采用了ServerPush（服務(wù)器推送技術(shù)）。實(shí)現(xiàn)ServerPush技術(shù)只需要在服務(wù)器的CGI腳本聲明HTML文檔類(lèi)型時(shí)，把contenttype:text/html改為content-type:multipart/x-mixed-replace；boundary=BOUNDARY這樣的文檔類(lèi)型即可，這樣就可以將CGI腳本中指定的數(shù)據(jù)強(qiáng)行推給客戶(hù)機(jī)，客戶(hù)機(jī)的瀏覽器上會(huì)不斷產(chǎn)生新的內(nèi)容，從而用戶(hù)在瀏覽器上看到的是動(dòng)態(tài)的視頻。

3.2.2基于Java的智能管理系統(tǒng)

智能管理系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，用Java編程。包括用戶(hù)管理模塊、控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、查詢(xún)分析模塊、專(zhuān)家決策系統(tǒng)模塊以及參數(shù)設(shè)置模塊。系統(tǒng)構(gòu)架如圖7所示。

用戶(hù)管理模塊是為不同的用戶(hù)賦予不同的權(quán)限，包括密碼修改、增刪用戶(hù)等功能?？刂颇K控制溫室設(shè)備的開(kāi)啟及停止時(shí)間和監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊控制網(wǎng)絡(luò)的鏈接狀態(tài)。查詢(xún)分析模塊數(shù)據(jù)查詢(xún)用于查詢(xún)室外、歷史、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),通過(guò)圖表方式展現(xiàn)給管理人員分析，診斷分析出作物不同生長(zhǎng)周期，不同季節(jié)的最佳環(huán)境參數(shù)。專(zhuān)家決策模塊根據(jù)查詢(xún)分析所得數(shù)據(jù)結(jié)合農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育函數(shù)，實(shí)現(xiàn)作物的長(zhǎng)勢(shì)預(yù)測(cè)、病蟲(chóng)害預(yù)測(cè)及各種控制決策提供依據(jù)。參數(shù)設(shè)置模塊是根據(jù)農(nóng)作物不同種類(lèi)、不同季節(jié)等信息設(shè)置報(bào)警參數(shù)，當(dāng)某數(shù)據(jù)超越報(bào)警參數(shù)，及時(shí)給管理人員、專(zhuān)家發(fā)送報(bào)警信息，已達(dá)到及時(shí)調(diào)節(jié)，避免外界環(huán)境的變化給農(nóng)作物帶來(lái)不利影響等效果。

4結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)在廣東石油化工學(xué)院創(chuàng)新溫室大棚中投入使用，設(shè)置了5個(gè)節(jié)點(diǎn)(1個(gè)主節(jié)點(diǎn)，4個(gè)從節(jié)點(diǎn))。經(jīng)過(guò)一年測(cè)試,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能準(zhǔn)確地采集設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)采集參數(shù)指標(biāo)如下：

空氣溫度：16.8?26.08°C,誤差為±0.5°C；

空氣濕度：52.3%?75%RH,誤差為±2%；

土壤溫度：21.6?23.7C,誤差為±0.5C；

土壤濕度：72.9%?75.6%RH,誤差為±3%；

光照強(qiáng)度：1800?20000Lux,誤差為±20%；二氧化碳濃度:700?1200ppm,偏差為30ppm。

結(jié)合上位機(jī)，本系統(tǒng)的客戶(hù)端能設(shè)置作物信息和報(bào)警參數(shù)，能根據(jù)查詢(xún)分析數(shù)據(jù)診斷出作物生長(zhǎng)狀態(tài)，并能遠(yuǎn)程智能控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)的使用為植物提供一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

20211118_61964c847f899__基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)