基于WebGIS和物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)

陳建美　湯軍

摘要：該文在介紹物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的平臺(tái)功能，包括物聯(lián)網(wǎng)前端和管理端兩個(gè)子系統(tǒng)，運(yùn)用WebGIS對(duì)空間信息的強(qiáng)大處理能力與可視化表達(dá)功能和物聯(lián)網(wǎng)物物相連的特性[1]，以“Google地圖”為WebGIS平臺(tái)交互服務(wù)性界面，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集的農(nóng)業(yè)大棚傳感器數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于WebGIS和物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于地理位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便身處異地的農(nóng)戶或科研人員隨時(shí)隨地掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；WebGIS；Openlayers

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）36-0233-04

Abstract： On the basis of introducing the system architecture of IOT， this paper analyzes the platform functions of agricultural greenhouse monitoring system， including two subsystems of front end and management end of IoT. The application of WebGIS has powerful ability of processing spatial information and visualization function and the properties of the Internet of Things ，Based on WebGIS platform interactive service interface of "Google Maps" and agricultural shelter sensor data collected by Internet of Things technology， an agricultural greenhouse monitoring system Based on WebGIS and Internet of Things is established to realize Real-time monitoring Based on geographic location ， so that remote farmers or researchers grasp the status of crop growth at any time.

Key words： IOT； WebGIS； Openlayers

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的命脈。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，我國逐步由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，不僅要依靠?jī)?yōu)良的農(nóng)產(chǎn)品種資源，還需要精確的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境控制技術(shù)。[2-4]物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，在設(shè)施農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展具有重要意義。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種傳感器、射頻識(shí)別（RFID）、視覺采集終端和識(shí)別設(shè)備，廣泛采集農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中動(dòng)植物生命體、環(huán)境要素、生產(chǎn)工具等物理部件和各種虛擬”物件”的相關(guān)信息，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，按照約定協(xié)議進(jìn)行信息交換和通訊，把農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、控制設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連接，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的智能化識(shí)別、定位、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5]。

1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為一個(gè)整體，分為感知互動(dòng)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層。

感知互動(dòng)層：用于識(shí)別物體，采集信息，相當(dāng)于人的皮膚和五官，是物聯(lián)網(wǎng)賴以發(fā)展的重要基礎(chǔ)。主要包括視頻采集設(shè)備、環(huán)境參數(shù)檢測(cè)設(shè)備等[6]。視頻采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)前端視頻流的采集和編碼，主要功能是視頻信息的采集、壓縮及通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備包括空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤酸堿度、光照等傳感器以及相關(guān)配套設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層：將從感知層獲取的信息進(jìn)行傳遞和處理，相當(dāng)于人體神經(jīng)中樞和大腦。主要指視頻流、傳感器采集數(shù)據(jù)、控制信息流傳輸通道，傳輸網(wǎng)絡(luò)包括傳感網(wǎng)、運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營商數(shù)據(jù)專線、VPN專網(wǎng)、3G網(wǎng)絡(luò)及前端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)[7]。

應(yīng)用服務(wù)層：應(yīng)用層的作用是將感知層捕獲的，通過網(wǎng)絡(luò)層傳遞過來的信息得到更好的應(yīng)用。該系統(tǒng)包括物聯(lián)網(wǎng)前端和管理端兩個(gè)子系統(tǒng)。

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)功能

2.1 物聯(lián)網(wǎng)前端系統(tǒng)功能

前端系統(tǒng)為B＼S架構(gòu)，由數(shù)據(jù)獲取層、邏輯應(yīng)用層和交互表現(xiàn)層構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)大棚信息的獲取、控制命令的下達(dá)，并提供快捷友好的用戶交互邏輯，具有實(shí)時(shí)環(huán)境信息預(yù)覽、數(shù)據(jù)位置地圖顯示、歷史統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控等功能，使身處異地的科研和管理人員可以方便地獲取溫室環(huán)境信息，提供監(jiān)控手段，增強(qiáng)其能動(dòng)性與干預(yù)能力[8]。

2.1.1 地圖模式

1） 數(shù)據(jù)位置地圖顯示

主要包括場(chǎng)地和設(shè)備（傳感器控制器等設(shè)備）位置的地圖定位和顯示（如圖1），系統(tǒng)用戶可以進(jìn)行相關(guān)的地圖瀏覽操作（包括地圖放大、縮小、平移）以查看場(chǎng)地和設(shè)備的位置信息，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和分布情況等。其中設(shè)備點(diǎn)即可以顯示，也可以隱藏。

2） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示包括基于地圖位置的動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示，基于地圖位置的動(dòng)態(tài)顯示是指系統(tǒng)用戶通過鼠標(biāo)移入某個(gè)場(chǎng)地就可以彈出該場(chǎng)地實(shí)時(shí)獲取的傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的窗口；靜態(tài)顯示是右側(cè)環(huán)境信息欄中只顯示當(dāng)前場(chǎng)地的實(shí)時(shí)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及該場(chǎng)地的控制設(shè)備狀態(tài)，例如風(fēng)機(jī)、遮陽卷簾的開與關(guān)。

3） 統(tǒng)計(jì)分析

利用echarts生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，包括當(dāng)前各品種生長(zhǎng)模型統(tǒng)計(jì)、全年各品種總產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、全年各品種總種植面積統(tǒng)計(jì)、每月各品種總產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、每月各品種總種植面積統(tǒng)計(jì)、上月各品種產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、上月各品種種植面積統(tǒng)計(jì)、近3年各品種產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)比較、近3年各品種種植面積比較。endprint

2.1.2 監(jiān)控模式

監(jiān)控模式由5部分構(gòu)成，即監(jiān)控視頻、生長(zhǎng)模型、環(huán)境信息、設(shè)備信息、分析圖表，可通過顯示選項(xiàng)設(shè)置各個(gè)模塊的顯示與隱藏。

1） 監(jiān)控視頻

從左側(cè)菜單欄選擇具體的場(chǎng)地位置進(jìn)入監(jiān)控模式，可顯示該場(chǎng)地的監(jiān)控視頻。圖中顯示“全部播放”、“全部暫停”按鈕，可控制該場(chǎng)地的多個(gè)攝像頭的視頻。視頻右上角顯示攝像頭的名稱及場(chǎng)地，控制按鈕可調(diào)整攝像頭的方向，可上下左右移動(dòng)，有利于農(nóng)戶更好的觀察作物的生長(zhǎng)狀況。

2） 生長(zhǎng)模型

生長(zhǎng)模型包括三個(gè)方面，即天氣狀況、管理員信息、以及控制模型。控制模型是指預(yù)先設(shè)定作物的生長(zhǎng)階段，并在不同階段設(shè)置相應(yīng)的事件，即適合生長(zhǎng)條件的上下限值，設(shè)定值可根據(jù)農(nóng)作物種類、生長(zhǎng)周期和季節(jié)變化進(jìn)行修改，例如小麥在播種期的適宜溫度是16°C～18°C，在管理端設(shè)置小麥播種期為10月2日-10月10日，當(dāng)傳感器溫度超過18°C時(shí)，若設(shè)置模式為自動(dòng)控制則自動(dòng)打開風(fēng)機(jī)，若設(shè)置模式手動(dòng)控制，則需手動(dòng)控制打開風(fēng)機(jī)。

3） 環(huán)境信息

將傳感設(shè)備實(shí)時(shí)采集溫室（大棚）內(nèi)的空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、土壤水分、土壤溫濕度、棚外溫度與風(fēng)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，包括設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備名稱、場(chǎng)地名稱和閾值，點(diǎn)擊圖標(biāo)下的統(tǒng)計(jì)曲線，可查詢過去半小時(shí)內(nèi)的數(shù)據(jù)變化情況。

4） 設(shè)備信息

將該場(chǎng)地的所有設(shè)備如風(fēng)機(jī)、水泵、內(nèi)外遮陽卷簾、頂卷膜窗等控制器的狀態(tài)進(jìn)行顯示，包括設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備名稱、場(chǎng)地名稱和基站名稱，并可查詢每個(gè)設(shè)備的操作日志，包括操作者、操作時(shí)間、操作內(nèi)容等。用戶可手動(dòng)控制設(shè)備的狀態(tài)，并通過socket服務(wù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)前端與管理端設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)同步，確保控制指令的正確性與安全性。

5） 分析圖表

將該場(chǎng)地的傳感器讀數(shù)，如空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等，控制器的狀態(tài)，如風(fēng)機(jī)的開關(guān)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可查看操作控制設(shè)備與大棚環(huán)境變化的關(guān)系。

2.1.3 警告信息

管理端通過modbas-tcp協(xié)議連接云基站，每隔10秒向其發(fā)送一條讀取傳感器讀數(shù)的指令，云基站通過modbas-rtu協(xié)議連接設(shè)備，并將獲取到的傳感器讀數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過socket服務(wù)推送至管理端，當(dāng)發(fā)現(xiàn)傳感器讀數(shù)異常時(shí)，即超出設(shè)定的閾值時(shí)，管理端通過socket服務(wù)將警告信息推送至前端。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)管理端系統(tǒng)功能

2.2.1 系統(tǒng)管理

1） 角色管理

是指為某個(gè)特定角色分配權(quán)限，權(quán)限包括模塊權(quán)限和場(chǎng)地權(quán)限。其中模塊權(quán)限包括語音命令定義查看、語音命令定義編輯、用戶編輯等權(quán)限；場(chǎng)地權(quán)限包括場(chǎng)地監(jiān)控控制、場(chǎng)地監(jiān)控查看、場(chǎng)地設(shè)備查看、接收?qǐng)龅卦O(shè)備通知，可選擇某個(gè)場(chǎng)地，接收該場(chǎng)地設(shè)備的通知。并可對(duì)角色進(jìn)行修改、新增、查詢、刪除等。

2） 用戶管理

對(duì)系統(tǒng)用戶進(jìn)行管理，包括增、刪、改、查用戶、修改密碼以及用戶的啟用與禁用，并可根據(jù)業(yè)務(wù)流程設(shè)置用戶的各種權(quán)限。

3） 日志管理

對(duì)日志進(jìn)行管理，可根據(jù)過濾條件如操作類型進(jìn)行日志查詢，包括操作時(shí)間、操作者類型、操作用戶、日志對(duì)象類型、日志對(duì)象、對(duì)象名稱、內(nèi)容等。

4） 場(chǎng)地管理

包括場(chǎng)地的新增與刪除，具體包括名稱、面積、中心坐標(biāo)、視圖層次、視圖級(jí)別、頂點(diǎn)坐標(biāo)、管理員、覆蓋樣式設(shè)置，用戶通過封裝的openlayers繪圖組件繪制場(chǎng)地的同時(shí)可獲取場(chǎng)地頂點(diǎn)坐標(biāo)組、場(chǎng)地面積，并可對(duì)多邊形及其樣式如邊框顏色、填充色進(jìn)行編輯。

5） 通知管理

對(duì)系統(tǒng)的通知進(jìn)行管理，包括新增、查看、修改、刪除、發(fā)布、撤銷發(fā)布通知，并可通過狀態(tài)、通知類型等過濾條件對(duì)通知進(jìn)行查詢。

6） 設(shè)備管理

2.2.2 設(shè)備管理

設(shè)備管理包括設(shè)備地圖位置的顯示以及設(shè)備列表兩個(gè)模塊，對(duì)各個(gè)場(chǎng)地或云基站上的設(shè)備進(jìn)行管理，可查看設(shè)備編號(hào)、型號(hào)、場(chǎng)地、場(chǎng)地位置、坐標(biāo)等設(shè)備信息，也可以新增、查詢?cè)O(shè)備、啟用禁用設(shè)備，并可對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行修改。

2.2.3 傳感器組管理

對(duì)各個(gè)場(chǎng)地的傳感器組進(jìn)行管理，可設(shè)置傳感器組的名稱、計(jì)算公式、場(chǎng)地、坐標(biāo)、傳感器類型、閾值，為保證傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可選擇多個(gè)傳感器作為一組，取其讀數(shù)的平均值。

2.4 業(yè)務(wù)模型管理

2.4.1 事件管理

對(duì)各個(gè)場(chǎng)地事件進(jìn)行管理，第一步設(shè)置事件參數(shù)即事件參數(shù)新增與修改，包括參數(shù)類別、名稱、數(shù)據(jù)類型、默認(rèn)參數(shù)、參數(shù)范圍、單位等內(nèi)容；第二步設(shè)置事件判斷條件，如變量類型設(shè)置為傳感器組-[B1大棚]空氣溫度大于等于30°C；第三步設(shè)置事件操作，新增一個(gè)溫度控制，操作類別為控制器操作-[B1大棚]-1#風(fēng)機(jī)，操作參數(shù)為開，描述為當(dāng)B1大棚溫度傳感器組讀數(shù)大于30°C時(shí)，1號(hào)風(fēng)機(jī)自動(dòng)打開。

2.4.2 自動(dòng)控制模型管理

對(duì)自動(dòng)控制模型進(jìn)行管理，控制模型包括場(chǎng)地、場(chǎng)地類型、階段格式、名稱、開始時(shí)間、品種、控制模式、種植面積、狀態(tài)、坐標(biāo)等內(nèi)容，模型階段列表如第一階段為小麥播種期，階段事件列表為在事件管理中設(shè)置的溫度控制事件，當(dāng)傳感器溫度超過小麥生長(zhǎng)的適宜溫度時(shí)將會(huì)自動(dòng)打開風(fēng)機(jī)。

2.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.5.1 設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)同步

由于前端和管理端都可以進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的切換，因此保證兩個(gè)子系統(tǒng)中設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)同步才能確保操作的正確性。實(shí)現(xiàn)兩個(gè)子系統(tǒng)中設(shè)備狀態(tài)同步的主要方法有：Web客戶端不斷向服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，查詢是否有設(shè)備狀態(tài)改變，即輪詢法[9]。ajax輪詢的方式實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但是比較浪費(fèi)服務(wù)器的資源，服務(wù)器大多時(shí)間處理的是無用的請(qǐng)求。socket.io是一個(gè)開源的webSocket庫，實(shí)現(xiàn)了瀏覽器與服務(wù)器的全雙工通信，可以很好地節(jié)省服務(wù)器資源。它用過Node.js實(shí)現(xiàn)websocket服務(wù)端，同時(shí)也提供客戶端JS庫。Socket.IO支持以事件為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)雙向通訊，它可以工作在任何平臺(tái)、瀏覽器或移動(dòng)設(shè)備。Socket.IO支持4種協(xié)議：WebSocket、htmlfile、xhr-polling、jsonp-polling，它會(huì)自動(dòng)根據(jù)瀏覽器選擇適合的通訊方式。endprint

2.5.2 視頻的實(shí)時(shí)監(jiān)控

1） 視頻監(jiān)視

采用海康威視的攝像頭，支持rtsp實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議，RTSP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議體系中的一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，定義了一對(duì)多應(yīng)用程序如何有效地通過IP網(wǎng)絡(luò)傳送多媒體數(shù)據(jù)，它主要實(shí)現(xiàn)的功能是傳輸并控制具有實(shí)時(shí)特性的媒體流。在該系統(tǒng)中，我們需要把視頻的RTSP協(xié)議轉(zhuǎn)碼成HTTP HLS直播協(xié)議，這樣可以支持在不同的終端（pc，iphone，ipad等等）播放。FFmpeg提供了一套完整的錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的跨平臺(tái)解決方案。

然后啟動(dòng)nginx服務(wù)把索引文件play100.m3u8發(fā)布，這樣就可以通過http：//localhost/hls/play100.m3u8來訪問視頻播放文件， 把這個(gè)鏈接配置在監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)管理，即可在前臺(tái)的播放器中播放視頻。

2） 視頻控制

海康威視攝像頭支持Onvif協(xié)議，Onvif協(xié)議主要定義了網(wǎng)絡(luò)發(fā)送設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)視頻客戶端之間的標(biāo)準(zhǔn)通信接口。根據(jù)客戶端Onvif協(xié)議請(qǐng)求命令，調(diào)整鏡頭焦距拉近拉遠(yuǎn)，或者調(diào)整攝像頭的旋轉(zhuǎn)方向從而改變鏡頭的視角。

2.5.3 openlayers地圖渲染

1） openlayers加載在線的瓦片地圖

瓦片地圖金字塔模型是一種多分辨率層次模型，從瓦片金字塔的底層到頂層，分辨率越來越低，但表示的地理范圍不變。OpenLayers 提供了ol.source.XYZ這種通用的Source來適應(yīng)廣大的在線瓦片地圖數(shù)據(jù)源，當(dāng)我們使用XYZ方法來加載瓦片地圖時(shí)，首先要查看該地圖的瓦片坐標(biāo)系是否與openlayers默認(rèn)的瓦片坐標(biāo)系一致，OpenLayers 的瓦片坐標(biāo)系的原點(diǎn)在左上角，向上為y軸正方向，向右為x軸正方向。

2） 場(chǎng)地交互

為了使場(chǎng)地要素具有交互功能，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)移入移出事件，由于ol.Feature繼承于ol.Object，而ol.Object具有派發(fā)事件（dispatchEvent）和監(jiān)聽事件（on）的功能。為完成自定義事件有三個(gè)步驟：1.定義事件類型；2.派發(fā)事件；3.監(jiān)聽事件。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)基于node.js開發(fā)，采用express框架部署，采用mysql數(shù)據(jù)庫和在線Google地圖服務(wù)，基于開源的地圖渲染庫openlayers開發(fā)Web GIS基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)基地、地塊、設(shè)備點(diǎn)等的接入和管理；并結(jié)合可視化類庫echarts對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，完成基地環(huán)境數(shù)據(jù)展示、地理空間分析與可視化服務(wù)等服務(wù)功能；利用攝像頭對(duì)大棚進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)視頻流進(jìn)行轉(zhuǎn)碼以便在移動(dòng)端播放，方便農(nóng)戶隨時(shí)隨地查看作物生長(zhǎng)狀況。

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