物聯網和云計算技術在溫室大棚控制系統中的應用

孫潔，李廣林

(華北理工大學 電氣工程學院，河北 唐山063009)

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物聯網和云計算技術在溫室大棚控制系統中的應用

孫潔，李廣林

(華北理工大學 電氣工程學院，河北 唐山063009)

溫室大棚；控制系統；物聯網；云計算

由于溫室大棚企業需要監測的數據種類較多，相應的硬件和軟件購買及維護費用支出比較大，這對大棚種植用戶來說也是一項不小的開支。針對上述問題提出了一種基于物聯網和云計算的溫室大棚控制系統。物聯網是通過互聯網使監測終端進行通信實現物物相連。大棚用戶可以把軟件安到云計算平臺，將用物聯網技術采集到的數據傳到云計算平臺中，并在云平臺進行數據存儲和統計分析，以此來指導大棚的種植。只需租賃廉價的服務器不僅節省了購買軟硬件的費用支出，而且也提高了系統的穩定性和創新性。

0 引言

自20 世紀以來，物聯網和云計算技術發展迅速，云計算技術作為物聯網關鍵核心技術對數據處理方面起到不可或缺的作用。對于規模龐大的溫室大棚企業來說，傳統存儲技術無法將訪問壓力平均分配到多個存儲節點而造成多種后續問題；而且需要為硬件服務器和軟件系統支付昂貴的費用。云計算技術是把軟件安到云計算平臺，不需要在本地PC 上安裝[1]，并將采集到數據儲存到租賃的云計算平臺中。企業可以通過互聯網登陸平臺查詢數據，平臺采用并行計算等高級算法對數據進行統計分析以更好地指導大棚種植。在云計算集中化數據中心資源池環境中，由于GE 以太網絡延伸作用，遠端RAM/SSD 的容量與本地存儲相差不超過1 個數量級，數據訪問延時則比本地HHD 減少30 倍，帶寬降低1 倍。

1 系統總體方案

基于物聯網和云計算的溫室大棚控制系統由以下三部分組成：監控設備部分(感知部分)、網絡傳輸部分和應用部分。應用部分就是數據和服務的總和。控制系統結構圖如圖1所示。

圖1　溫室大棚控制系統結構圖

(1)監控設備部分

監控設備部分也就是感知部分，通過在溫室大棚內放置大量的采集節點，包括監測大棚參數的主要傳感器，如溫濕度傳感器、CO2傳感器、光照傳感器等，對蔬菜生長的環境信息進行感知和數據采集。

(2)網絡傳輸部分

通過ZigBee 無線傳感網絡將采集到的數據快速準確地傳輸到云平臺，將各種傳感器和監測設備通過互聯網傳輸和通訊，進行數據交換實現物物相連和對環境參數的高速數據傳輸。

(3)應用接口部分

應用接口包括數據管理和云服務[2]。數據管理也就是云計算平臺，在平臺上可以對數據進行并行計算處理等高級計算方法，統一管理大棚的數據信息。云服務就是通過Web 服務訪問云平臺，用戶可以利用網絡實時觀測大棚的數據和生長情況，有問題還可以對在線監測設備進行遠程控制。在上述3層結構中，大棚產生的海量數據，需要云計算平臺優化存儲和管理。

2 系統硬件設計

2.1ZigBee 無線通信模塊

要進行ZigBee 的無線傳感網絡開發，需要有對應的硬件支撐，尤其是支持ZigBee協議棧的硬件，對于不同的傳感器來說還需要不同的傳感器信號調理電路。不過ZigBee 無線網絡通信部分的硬件電路是不變的。還需要下載器把程序下載到相應的硬件當中[3]。本方案采CC2530-EB 核心板。主要包括CC2530 單片機、天線接口、I/O 擴展接口以及晶振。CC2530 單片機是支持IEEE 802.15.4 協議的無線射頻單片機，同時完全兼容8051 內核。具有非易失性存儲器，允許應用程序保存必要的數據，保證這些數據在設備重啟后繼續可用。

2.2數據采集

傳感器是將被測量的物理或化學信號轉換為電信號的裝置，是系統中比較重要的部件，關系到采集數據的精確度、系統的價位和功耗，所以選擇傳感器型號至關重要。

2.2.1 空氣溫濕度傳感器

本設計采用美國Humier 公司產品Humier-15。此傳感器功能強大，具有極好的動態特性和靜態特性，測量范圍廣，將空氣溫度濕度數據上傳至終端節點，記錄的數據可以導出“EXECL”報表。

2.2.2 土壤濕度傳感器

本設計采集的濕度信號為土壤濕度，選用KTR-100 濕度傳感器，模擬式傳感器，此傳感器具有優良的線性，如高性價比高、能耗低、測量范圍寬、響應迅速、抗污染能力強、性能穩定等特點。

2.2.3 CO2濃度傳感器

本設計采用KTR-CO2-NDIR 濃度傳感器，模擬式傳感器，485接口或4～20 mA 輸出，量程可選為0～2 000 ppm、0～5 000 ppm、0～10 000 ppm 。該傳感器功能強大，能夠實時監測大棚內CO2濃度，提供準確的指標讀數。

2.2.4 光照強度傳感器

NHZD10 無線光照強度變送器支持多種終端訪問，具有多種無線、有線數據傳輸多樣化的解決方案，可將光照強度數據上報，并具有安裝簡單、人機界面友好的特點[4]。

2.3云計算硬件平臺

大棚企業不需要自己搭建云計算硬件平臺，只需租賃Amazon 公司廉價的平臺即可。因為自己搭建不僅要考慮硬件資源問題，還有系統維護與管理人員成本開銷問題。下面簡單介紹硬件平臺。

所謂硬件平臺其實就是云計算的數據中心，包括網絡設備、存儲設備、服務器等在內的所有硬件設施。硬件平臺具有可擴展性，根據使用量來支付服務費。在平臺上可以實現大棚數據和存儲管理一體化。在數據中心，統一管理如下大棚數據：辦公數據(日常辦公的文檔、表格等文件)、視頻監控數據(各個監控點攝像頭采集的視頻監控信息)、歷史數據(各監控中心收集的蔬菜生長環境數據)、實時數據(自動監控設備瞬時采集的現場數據)、統計分析數據[5](對以上幾種數據的匯總和分析后所得到的數據)。

云計算Hadoop 平臺的硬件配置非常簡單，將所有的計算機通過交換機連接上網線，將其部署到一個局域網里，并且為各臺計算機分配一個IP 地址，Hadoop 平臺的硬件部分就可配置完成。

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括ZigBee 無線通信節點的程序設計和云平臺程序設計。

3.1ZigBee 節點程序設計

IAR 的開發環境用于軟件的編寫。一般情況下，協調器代碼需要單獨編寫，路由器和終端節點可以使用同一個源文件，只要在編譯時選用不同的選項即可[6]。協調器需要跟用戶PC機進行交互，因此可以使用串口來實現，協調器代碼需要包含串口初始化以及串口接受數據處理部分，有已知代碼可實現任務初始化函數。協議棧提供的數據發送函數代碼內容如下：

aFStatus_t AF_DataRequest(afAddrType_t *dstAddr,

endPointDesc_t *srcEP,

uint16 cID,

uint16 len,

uint8 *trants ID,

uint8 options,

uint8 radius)

該函數即可實現數據的無線發送，當需要執行數據采集任務時，可以設置一個事件，在事件處理函數中實現傳感器數據的采集以及數據的發送等工作。圖2 為協調器和終端節點的流程圖。

圖2　協調器和終端節點流程圖

3.2云平臺軟件設計

云平臺軟件中心包括辦公中心、服務中心、數據中心、云存儲中心、控制中心和數據源管理器幾部分。云平臺軟件中心內部結構圖如圖3 所示。數據源管理器是數據中心和各個監控設備和現有系統的接口，能完成數據包解碼并按照數據模型存放到數據中心。服務中心對大量實時和歷史大棚數據進行高性能計算和數據挖掘，對環境狀況和變化趨勢作出準確判斷[7]。辦公中心為平臺的大棚用戶提供個性化的界面和服務。控制中心是整個平臺的控制平臺，控制著數據源管理器、數據中心和服務中心。

圖3　云計算平臺內部結構圖

另外，云服務客戶通過瀏覽器來訪問這些云服務。在瀏覽器上，可以基于JavaScript等技術提供動態的網頁。云服務層次圖如圖4 所示。

圖4　云服務層次圖

數據庫訪問層也叫信息集成層,用于屏蔽所有的數據庫操作。該層完成對象在數據庫服務器上的保存、更新、查詢和刪除操作。可以通過Java 持久化API 等技術實現這個層次。對象層提供了一套API，在細粒度上描述各個對象。一般而言，一個對象對應著一個數據庫的表。服務層只是調用對象層的對象來進行相關操作。服務接口提供了服務的接口和具體實現，可以通過EJB 來實現。Web 層用戶通過門戶層訪問云服務。可以使用Web2.0 技術提供動態交互功能來實現客戶層[8]。

使用J2EE 平臺開發云服務，將所有的JSP、EJB、HTML、部署信息等組合成一個EAR 文件。EAR 是一個以.ear 為后綴的JAR 文件。該EAR 文件可以被部署到任何與J2EE 平臺兼容的系統上。通過EAR 文件，可以將一個云服務集合組成不同的子集，來為系統提供不同的云服務。

4 結論

(1)將終端檢測設備與ZigBee 相連組成無線傳感網絡，不僅能準確、有效地檢測環境參數，還能輕松實現對作物各個生長環境階段的監控。在數據傳輸方面也具有很高的安全性和高效性。數據在云數據中心進行存儲與分析，節省了用戶大規模的硬件投資，使收益獲得較大的提高。云計算采用并行計算和分布式計算等高級計算方法完成數據分析、數據整合和數據共享。

(2)云計算平臺通過創建虛擬設備和虛擬容器來統一各類存儲設備和文件系統的接口，從而實現存儲空間的統一管理、數據并行訪問、數據分類存儲，并保證了性能和空間動態擴展。

[1]葛文杰,趙春江.農業物聯網研究與應用現狀及發展對策研究[J].農業機械學報,2014,(07):222-230.

[2]丁治明,高需.面向物聯網海量傳感器采樣數據管理的數據庫集群系統框架[J].計算機學 報,2012,(06):1175-1191.

[3]錢志鴻,王義君.面向物聯網的無線傳感器網絡綜述[J].電子與信息學報,2013,(01):215-227.

[4]顏波,石平,丁德龍.物聯網環境下的農產品供應鏈風險評估與控制[J].管理工程學報,2014,(03):196-202.

[5]張懷南,楊成.我國云計算教育應用的研究綜述[J].中國遠程教育,2013,(01):20-26.

[6]羅軍舟,金嘉暉,宋愛波等.云計算:體系架構與關鍵技術[J].通信學報,2011,(07):3-21.

[7]畢玉革,麻碩士.我國現代溫室環境控制硬件系統的應用現狀及發展[J].農機化研究，2009,(3)：226-227.

[8]李翠然,吳昊.物聯網無線通信技術[J].中興通訊技術,2012,12(4):21-22.

Application of Internet of Things and Cloud Computing Technology in Control System of Greenhouses

SUN Jie, LI Guang-lin

(College of Electrical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063000, China)

greenhouse; control system; Internet of things; cloud computing

Because there are many types of data to monitor the greenhouse enterprises, the corresponding hardware and software to purchase and maintenance costs are relatively large, which is not a small greenhouse for the user's spending. A greenhouse control system based on Internet of things and cloud computing is proposed for the above problems. Internet of things is through the Internet to monitor the terminal for communication to achieve physical objects. Greenhouse users can use the software to the cloud computingplatform, using network technology to collect the data is transmitted to the cloud computing platform, and the data storage and statistical analysis on the cloud platform, in order to guide the greenhouse planting. Only renting cheap servers not only saves the cost of hardware and software, but also improves the stability and innovation of the system.

2095-2716(2016)03-0103-05

TP393.03

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