基于云平臺的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究

孟祥蓮，王嘉鵬，張世龍

(哈爾濱華德學(xué)院，哈爾濱 150025)

基于云平臺的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究

孟祥蓮，王嘉鵬，張世龍

(哈爾濱華德學(xué)院，哈爾濱 150025)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，Hadoop云平臺架構(gòu)技術(shù)設(shè)計和開發(fā)了一種農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)。利用STM32F103、ZigBee協(xié)調(diào)器，云平臺，傳感器技術(shù)等實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚的土壤溫濕度、光線強(qiáng)度、空氣溫濕度等環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)控及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動控制，以達(dá)到農(nóng)業(yè)大棚自動化、智能化的生產(chǎn)目標(biāo)，Hadoop云平臺架構(gòu)技術(shù)對于提升我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，提高農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn)代化技術(shù)水平具有重要的意義。

云平臺；物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)業(yè)大棚；監(jiān)控系統(tǒng)

通過對農(nóng)業(yè)大棚農(nóng)作物采取科學(xué)的方法實施監(jiān)控，能夠有效促進(jìn)農(nóng)業(yè)大棚的種植現(xiàn)代化、產(chǎn)業(yè)化與信息化。目前，國內(nèi)的普遍做法是使用ZigBee無線設(shè)備形成一個局域網(wǎng)絡(luò)，再通過智能網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)通信，終端的節(jié)點數(shù)據(jù)要通過局域網(wǎng)，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)之后才能到達(dá)外網(wǎng)，這個過程比較復(fù)雜，而且開發(fā)周期相對較長。因此，設(shè)計一個簡單的智能控制系統(tǒng)，既具備信息采集控制功能，又具備網(wǎng)絡(luò)通信功能，成了物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。

根據(jù)農(nóng)作物的生長特點，本研究系統(tǒng)針對云平臺、農(nóng)業(yè)大棚的信息采集、采集數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出一套適合農(nóng)業(yè)發(fā)展的Hadoop云平臺架構(gòu)技術(shù)，其作用為：將溫度濕度、土壤等信息數(shù)據(jù)經(jīng)檢測后上傳到物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)，通過對農(nóng)業(yè)大棚的信息采集、存儲、處理，有效控制檢測后的農(nóng)作物、土壤等信息，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息采集中的作用，云服務(wù)器將采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時統(tǒng)計分析，提出合理控制農(nóng)業(yè)大棚的建議，以促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用模塊方式設(shè)計，主要分為主機(jī)模塊、傳感器節(jié)點模塊、無線通信模塊和控制設(shè)備模塊。主機(jī)模塊分為：主控制器(STM32F103)、ZigBee協(xié)調(diào)器。傳感器節(jié)點模塊采用多個子模塊，分別為空氣溫濕度采集(DHT11)、土壤溫濕度采集(DS18B20、LY-69型號器件)、光線強(qiáng)度采集模塊(光敏電阻器)以及灌水、通風(fēng)、照明、取暖控制模塊等；無線通信模塊主要是ZigBee CC2530建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。無線通信模塊利用CC2530作為各節(jié)點CPU，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 System hardware block diagram

目前的STM32系列處理器分為多個系列。系統(tǒng)選用STM32F103型號，是STM32F101的增強(qiáng)型系列，處理器本身帶有多個串口，在數(shù)據(jù)采集時可以向多臺PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

本次設(shè)計把無線通信分為發(fā)送端和接收端兩部分。CC2530與CPUSTM32F101接線方式是CC2530的TXD端連接STM32的GPIOA10口、RXD接GPIO9口、GDN與VCC引腳分別與STM32對應(yīng)引腳相連。嚴(yán)格按照ZigBee802.15.4協(xié)議的配置方式接收數(shù)據(jù)，發(fā)射模式與接收模式互相配合，實現(xiàn)無線通信。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

利用Hadoop云平臺架構(gòu)實現(xiàn)一個智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)。在本設(shè)計研究中，傳感器節(jié)點模塊負(fù)責(zé)采集空氣溫濕度、土壤溫濕度、光線強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，定期發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點；主機(jī)模塊負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果直接發(fā)送到云服務(wù)器終端，主機(jī)根據(jù)各節(jié)點采集的信息，智能控制照明、灌溉、加熱等操作，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制。

圖2 主程序流程圖Fig.2 Main program flow chart

3 云服務(wù)器

本系統(tǒng)在配置環(huán)境設(shè)計時，要存儲每個傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，由于要進(jìn)行實時采集，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量非常大，系統(tǒng)采用Hadoop云平臺解決對海量數(shù)據(jù)的處理。Hadoop平臺以可靠、高效、可伸縮的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以維護(hù)多個工作數(shù)據(jù)副本，確保針對失敗的節(jié)點重新分布處理，通過并行處理，加快處理數(shù)據(jù)的速度，加大其伸縮性。

服務(wù)器操作系統(tǒng)選用Linux系統(tǒng)，配置通信I/O口，通過vi編輯器切換到Hadoop中etc下面配置環(huán)境變量。在hadoop目錄配置環(huán)境core-site.xml中指定HDFS的namenode的通信地址；在配置備份時切換到hdfs-site.xml文件中進(jìn)行編輯，配置HDFS副本的數(shù)量，保留備份；在配置環(huán)境中需要進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計，在Hadoop中將mapred-site.xml指定yarn上運行。架構(gòu)配置如圖3所示。

圖3 架構(gòu)配置環(huán)境圖Fig.3 Schematic diagram of the architecture configuration

server端和client端文件的傳輸使用Python實現(xiàn)，利用Python中的SocketServer模塊解決文件的傳輸。

建立Socket連接的核心代碼為:

socket=serverSocket.accept();

socketstart=true;

socket.setSoTimeout(50000);

系統(tǒng)采用云存儲模塊，對最終處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、備份。使用云存儲服務(wù)，可使系統(tǒng)節(jié)省成本費用，簡化復(fù)雜的設(shè)置和管理任務(wù)，把數(shù)據(jù)放在云服務(wù)器中便于從多處訪問數(shù)據(jù)。云存儲框架如圖4所示。

圖4 云存儲框架圖Fig.4 Cloud storage frame diagram

4 結(jié)語

本系統(tǒng)通過STM32負(fù)責(zé)接收ZigBee傳感器節(jié)點采集到的農(nóng)業(yè)大棚的土壤濕度、光照強(qiáng)度、空氣溫濕度等數(shù)據(jù),并把數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器上。考慮到目前采集的信息量過大，采用Hadoop云架構(gòu)技術(shù)來搭建服務(wù)器，及時對信息存儲和數(shù)據(jù)分析，對采集到的農(nóng)業(yè)大棚信息進(jìn)行實時顯示。

[1] 謝桂蘭，羅省賢.基于Hadoop MapReduce模型的應(yīng)用研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010，(08)：4-7.

[2] 張尼，姚海鵬.物聯(lián)網(wǎng)嵌入式智能卡遠(yuǎn)程管理技術(shù)[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，2012，25(06)：16-20.

[3] 何勇，聶鵬程，劉飛.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與傳感儀器研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2013，44(10)：216-226.

[4] 許丞，劉洪，譚良，等.Hadoop云平臺的一種新的任務(wù)調(diào)度和監(jiān)控機(jī)制[J].計算機(jī)科學(xué)，2013，40(01)：112-117.

[5] 楊萌,趙亮.基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015，(01)：34.

Researchonmonitoringsystemofagriculturalgreenhousebasedoncloudplatform

MENG Xiang-lian, WANG Jia-peng, ZHANG Shi-long

(Harbin Huade College, Harbin 150025, China)

Based on the Internet of Things technology, Hadoop cloud platform architecture technology has been designed and developed an intelligent control system for agricultural greenhouses. The use of STM32F103, ZigBee coordinator, cloud platform, sensor technology can achieve the agricultural greenhouses soil temperature and humidity, light intensity, air temperature and humidity and other environmental parameters of the real-time monitoring and implementation of automatic control agencies so as to achieve the automation and intelligence of agricultural greenhouses. Hadoop cloud platform architecture technology is of great significance to enhance China’s agricultural productivity and improve the modernization level of agricultural greenhouses.

Cloud platform; Internet of things; Agricultural greenhouses; Monitoring system

TP27

： A

： 1674-8646(2017)15-0072-02

2017-05-25

黑龍江省教育廳科技研究項目資助(12543033)；黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃課題資助(GJB1316029)。

孟祥蓮(1980-)，女，碩士，副教授； 王嘉鵬(1983-)，男，碩士，副教授； 張世龍(1976-)，男，碩士，教授。