支持多平臺應(yīng)用的智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張 晨，施 佺，，付康為，沈樂威，鄭亞平

(1.南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇南通 226019； 2.南通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南通 226019)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，我國農(nóng)業(yè)正從傳統(tǒng)型的耕作方式向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)方向快速發(fā)展[1]。其中，智慧農(nóng)業(yè)運用信息感知、傳輸和處理技術(shù)，有效地利用各種農(nóng)業(yè)資源，減少了農(nóng)業(yè)能耗、成本和對生態(tài)環(huán)境的破壞，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化種植、可視化管理和智能化決策提供了技術(shù)途徑，成為我國“十三五”期間農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流趨勢[2-3]。

在我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫室大棚因能在人為干預(yù)下，在一定范圍內(nèi)控制農(nóng)作物的生長條件，減輕農(nóng)作物對自然的依賴性，并有助于提高產(chǎn)量而得到廣泛應(yīng)用[4]。然而，近年來，溫室大棚的富營養(yǎng)化問題十分突出，耕作的環(huán)境亟須改善。究其原因，主要是不科學(xué)的耕作導(dǎo)致土壤中的氮、磷等元素超標(biāo)，進而影響到后續(xù)作物的耕作[5]。為了科學(xué)管理溫室大棚，保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，修復(fù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)綠色、循環(huán)和高效發(fā)展，本研究將智慧農(nóng)業(yè)的理念和模式應(yīng)用到溫室大棚的生產(chǎn)管理中。通過在溫室大棚內(nèi)布設(shè)傳感器來探知土壤的溫濕度、電導(dǎo)率、空氣的溫濕度以及二氧化碳等數(shù)據(jù)情況，獲取當(dāng)前值和作物需求值的差別，來進行智能化的管理，從而為生產(chǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。此外，本研究還設(shè)計了溯源功能模塊，并將其與作物生長環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊關(guān)聯(lián)，方便了管理者的正向溯源和消費者的逆向溯源。

論文首先介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計和硬件模塊的實現(xiàn)，然后詳細給出各個軟件模塊的設(shè)計。本研究針對感知數(shù)據(jù)可能存在的個別節(jié)點異常值問題，提出基于Pauta準(zhǔn)則的感知數(shù)據(jù)處理方法；為實現(xiàn)自動管理，提出基于數(shù)據(jù)表的設(shè)備控制方案，還給出了系統(tǒng)主要功能的展示和測試結(jié)果。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本研究設(shè)計的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要用于作物從栽種到成熟過程中的生長狀況監(jiān)測，通過溫濕度、光照等傳感器感知信息來控制風(fēng)機、遮簾等設(shè)備，維持作物正常的生長環(huán)境，并且通過溯源系統(tǒng)記錄作物每天的狀態(tài)。由圖1可知，該溫室大棚監(jiān)控平臺主要由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成[6-7]。其中，感知層由大棚中的溫濕度傳感器、光照傳感器、pH值傳感器、CO2傳感器、電導(dǎo)鹽分傳感器及視頻監(jiān)控攝像頭組成，它們就像是人的皮膚和五官，能夠采集信息、識別物體；傳輸層則類似人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于傳輸感知數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中用WIFI、485總線、TCP、UDP和RS232等通信方式體現(xiàn)；應(yīng)用層就像是大腦和四肢，將感知的信息存貯或者對感知信息進行反饋，本設(shè)計中，該層主要包含農(nóng)產(chǎn)品溯源模塊、視頻監(jiān)控處理模塊、感知數(shù)據(jù)處理模塊和移動終端處理模塊。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

圖2以單個大棚為例，給出了本系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。每個溫室大棚有兩大系統(tǒng)，一個是由多個傳感器變送單元、多個采集節(jié)點和視頻模塊組成的大棚信息采集系統(tǒng)，另一個是由控制節(jié)點構(gòu)成的大棚控制系統(tǒng)。其中，視頻圖像直接通過有線網(wǎng)絡(luò)傳到交換機模塊；數(shù)據(jù)采集節(jié)點實時采集布設(shè)在大棚內(nèi)的各種傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以UDP包的形式無線發(fā)送到棚內(nèi)的無線訪問接入點(access point，AP)，AP將數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)最終傳送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，服務(wù)器再將數(shù)據(jù)存儲到時序數(shù)據(jù)庫中。

為方便用戶對比分析數(shù)據(jù)，系統(tǒng)使用Web技術(shù)設(shè)計了上位機軟件。該軟件系統(tǒng)可以將采集到的大棚實時數(shù)據(jù)以折線圖的方式顯示在不同的終端上，并能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)置的各環(huán)境參數(shù)閾值發(fā)出相應(yīng)的控制指令；控制指令經(jīng)過以太網(wǎng)傳輸?shù)綗o線AP，無線AP解析信息的目標(biāo)地址，并將數(shù)據(jù)以TCP包的形式發(fā)送給安置在大棚內(nèi)的控制器；控制器根據(jù)信號控制大棚內(nèi)的控制裝置，實現(xiàn)對溫室大棚環(huán)境的調(diào)節(jié)，以使大棚內(nèi)的環(huán)境處于最適宜植物生長的狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

系統(tǒng)硬件模塊的主要工作是采集控制器電路及其嵌入式程序設(shè)計。系統(tǒng)中用于采集多種傳感器數(shù)據(jù)的傳感變送器模塊采用STM32F103為主控芯片，并帶有RS485接口和數(shù)碼管或液晶顯示。同樣帶有RS485接口的采集器模塊根據(jù)485協(xié)議通過A、B這2條線向變送器發(fā)送查詢幀，以查詢的方式來獲得相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)。本設(shè)計使用的查詢幀和數(shù)據(jù)幀格式分別如表1、表2所示。

表2 數(shù)據(jù)幀格式

變送器將采集到的傳感器數(shù)據(jù)儲存到指定的STM32F103主控芯片內(nèi)存中。采集器通過改變查詢幀中相應(yīng)字段的參數(shù)來讀取相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)；當(dāng)變送器接收到來自采集器的查詢命令后，將對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送給采集器。為確保采集器能夠接收到準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)，整個查詢應(yīng)答過程使用16位的CRC校驗碼。

采集控制器采用了帶有雙串口(RS232)功能的STC12C5A60S2作為主控芯片，該芯片的一個串口通過 RS232-485轉(zhuǎn)換模塊與RS485通信芯片相連，本設(shè)計中將該串口的波特率設(shè)為9 600 bps；另一個串口接無線通信模塊并將其波特率設(shè)為57 600 bps。本設(shè)計中采用了以RT5350芯片為核心的低成本無線通信模塊。該無線模塊支持IEEE 802.11n協(xié)議，可以提供50 m以上覆蓋范圍和較高的無線吞吐量，具有長時間穩(wěn)定連線、斷線重連的特點，保證了數(shù)據(jù)的正確發(fā)送與接收。采集控制器的主控芯片通過AT指令(attention)可以修改無線模塊的網(wǎng)絡(luò)地址、數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)地址、發(fā)送包格式、連接AP的SSID等信息。在采集工作狀態(tài)下，采集控制器將收到的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)打包成1個字符串，該字符串包含了大棚號、大棚內(nèi)節(jié)點號、傳感器類型和傳感器數(shù)據(jù)，并通過UDP包將該字符串發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)中心。在控制工作狀態(tài)下，采集控制器接收由服務(wù)器發(fā)來的包含控制信息的TCP包，進行解析校驗后給出相應(yīng)的控制命令。系統(tǒng)中的繼電器接收到控制命令后執(zhí)行對風(fēng)機、遮陽幕簾、噴水等設(shè)備的控制。圖3給出了本設(shè)計的采集控制器硬件實物圖。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

借助HTML、CSS、JavaScript和Golang構(gòu)建的開發(fā)環(huán)境，并通過使用Jquery、Bootstrap和Restful框架，本研究設(shè)計了1個多線程實時響應(yīng)的智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)端軟件。其中，使用Golang搭建的簡易Web Services服務(wù)，使得數(shù)據(jù)采集、控制指令下發(fā)和網(wǎng)頁響應(yīng)能夠同時進行；實時采集的數(shù)據(jù)以Json的形式存入Influxdb數(shù)據(jù)庫。整個系統(tǒng)的軟件服務(wù)端主要包括農(nóng)業(yè)產(chǎn)品溯源、視頻監(jiān)控處理、感知數(shù)據(jù)處理和移動終端處理4個子模塊，并支持Android、IOS和Windows操作系統(tǒng)。下面給出各模塊的簡要說明。

2.1 農(nóng)產(chǎn)品溯源模塊

農(nóng)產(chǎn)品溯源模塊記錄了農(nóng)產(chǎn)品從種子到成熟中的所有過程，包括種植基地管理、投入品使用記錄、基礎(chǔ)資料管理、倉庫管理、倉庫維護、采購模塊、入庫模塊、種植計劃管理、生產(chǎn)管理、育苗管理和采收管理等。將這些農(nóng)產(chǎn)品每日的監(jiān)測數(shù)據(jù)存入溯源系統(tǒng)中，一方面方便種植戶提取查看，若農(nóng)作物在生長過程中出現(xiàn)病蟲害，通過溯源系統(tǒng)的科學(xué)管理，能夠及時找到問題所在，并及時獲得解決方案。另一方面，通過記錄農(nóng)產(chǎn)品生長過程中的信息，可以讓消費者在產(chǎn)品進入市場后還能知道產(chǎn)品的產(chǎn)地環(huán)境、生產(chǎn)流程、病蟲害防治以及產(chǎn)品質(zhì)量檢測等信息，以便放心采購。圖4給出了該模塊的界面示意圖。

2.2 視頻監(jiān)控處理模塊

為了觀察農(nóng)作物的生長和控制設(shè)備的運行情況，本系統(tǒng)在溫室大棚中架設(shè)了型號為DH-IPC-HFW2100的網(wǎng)絡(luò)攝像頭以傳輸大棚內(nèi)實景圖。該攝像頭有130萬像素和紅外功能，能夠全天候較清晰地完成監(jiān)控任務(wù)。通過二次開發(fā)，本設(shè)計將拍攝到的視頻圖像嵌入到軟件系統(tǒng)中，通過在設(shè)計的網(wǎng)頁上選擇IP和通道編號，就能夠看到監(jiān)控圖像。視頻模塊安裝中須要根據(jù)大棚的大小調(diào)整設(shè)備數(shù)量，配備硬盤錄像機后可以保存錄像，監(jiān)控偷盜行為，保護資產(chǎn)。

2.3 移動終端處理模塊

為了使用戶能隨時隨地監(jiān)控溫室大棚，本研究設(shè)計了支持Android、IOS和Windows等不同操作系統(tǒng)的多平臺移動終端處理模塊。用戶只需要有網(wǎng)絡(luò)和帶有瀏覽器的終端就能實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各大棚環(huán)境參數(shù)的實時查看和參數(shù)閾值設(shè)置等管理功能。圖5給出了手機端的監(jiān)控頁面示例。

2.4 感知數(shù)據(jù)處理模塊

感知數(shù)據(jù)處理模塊的運行流程如圖6所示，該模塊分為2個部分，一部分是數(shù)據(jù)的實時顯示，另一部分是數(shù)據(jù)與控制指令的交互。

2.4.1 感知數(shù)據(jù)的實時顯示 前臺Web頁面通過獲取時序數(shù)據(jù)庫中存儲的底層數(shù)據(jù)，使用Highchart控件構(gòu)建出數(shù)據(jù)隨時間變化的折線圖，為用戶直觀明了地呈現(xiàn)當(dāng)前溫室大棚的情況。為方便用戶了解大棚的位置信息，本設(shè)計使用了GIS地理信息技術(shù)將溫室大棚的具體位置定位在地圖上，并且后臺可以自由添加或刪除溫室大棚的地理信息，設(shè)計實現(xiàn)的效果如圖7所示。感知數(shù)據(jù)顯示模塊的功能有(1)顯示農(nóng)業(yè)大棚的地理位子；(2)以折線圖實時顯示各大棚的傳感器數(shù)據(jù)；(3)實時顯示各大棚的監(jiān)控視頻。

感知數(shù)據(jù)和視頻的聯(lián)合處理不僅能提供每個大棚的方位，還能提供實時的環(huán)境數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，為專家在線進行病蟲害的診斷提供了實時信息源。

2.4.2 感知數(shù)據(jù)與控制設(shè)備的交互 為了使溫室大棚保持適宜的環(huán)境，需要對感知數(shù)據(jù)進行處理，并設(shè)定相應(yīng)的閾值來判斷是否執(zhí)行相應(yīng)設(shè)備[8]。本系統(tǒng)中，1個大棚內(nèi)有多個節(jié)點數(shù)據(jù)，當(dāng)某個節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時，須要通過該大棚內(nèi)其他傳感器采集到的數(shù)據(jù)來進行異常值處理，然后求平均，得到該大棚的數(shù)據(jù)信息。本研究根據(jù)Pauta準(zhǔn)則剔除采集到的異常值，即假設(shè)傳感器在一段時間內(nèi)感知的數(shù)據(jù)為x1，x2，…，xn(本系統(tǒng)取n為100)，分別計算出其算術(shù)平均值、剩余誤差和標(biāo)準(zhǔn)誤差，具體計算公式如下：

算術(shù)平均值：

(1)

剩余誤差：

(2)

標(biāo)準(zhǔn)誤差：

(3)

對于每個采集到的數(shù)據(jù)，若其剩余誤差vi>1.5σ，則判斷該數(shù)據(jù)為異常值并剔除。同時，Web上將顯示該異常值出現(xiàn)的大棚節(jié)點，以便用戶及時查找數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的原因。對去除異常值后的數(shù)據(jù)再次求算術(shù)平均值，將該算術(shù)平均值作為大棚內(nèi)的當(dāng)前環(huán)境參數(shù)。該當(dāng)前環(huán)境參數(shù)與設(shè)定的閾值的比較結(jié)果作為系統(tǒng)中控制設(shè)備的控制信息。

本設(shè)計中，大棚的控制設(shè)備有濕簾、遮陽、補光燈、風(fēng)機、加熱器和噴灌，每一種控制設(shè)備都有2種狀態(tài)，假設(shè)“1”表示開，“0”表示關(guān)。棚內(nèi)與控制設(shè)備相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)主要有土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度和光照度4種參數(shù)。將大棚內(nèi)的當(dāng)前環(huán)境參數(shù)與移動端頁面設(shè)置參數(shù)的上下限閾值進行比較，若環(huán)境參數(shù)在正常范圍之上用“1”表示，在正常范圍之下用“-1”表示，正常范圍內(nèi)用“0”表示。本設(shè)計中采用列表的方式將4種參數(shù)與閾值比較結(jié)果的組合狀態(tài)及其對應(yīng)的設(shè)備操作狀態(tài)存放在軟件系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)比較結(jié)果自動選擇一種合適的操作狀態(tài)對設(shè)備進行操作，使大棚環(huán)境進入正常狀態(tài)。表3給出了部分大棚環(huán)境參數(shù)與控制設(shè)備之間的關(guān)系。

表3 大棚環(huán)境參數(shù)與控制設(shè)備狀態(tài)的關(guān)系

例如，若當(dāng)前大棚土壤干燥、空氣溫度過高、空氣濕度過低、光照度過高時，則與設(shè)定的閾值比較結(jié)果為[-1 1 -1 1]，由表3可知，對應(yīng)第10行，此時控制設(shè)備的狀態(tài)為[110101]，該狀態(tài)指令表示打開濕簾、遮陽、風(fēng)機和噴灌，關(guān)閉補光和加熱器，以此降低溫度，提高環(huán)境濕度。使用表3所示的支持向量機模型，可以實現(xiàn)溫室大棚的環(huán)境參數(shù)自動化調(diào)控。

本設(shè)計在實驗室中對系統(tǒng)進行了驗證，通過改變敏感度較高的光照傳感器來觀察控制設(shè)備情況。圖8給出了其中的一種驗證情況，在該驗證中，實驗室光照度在500 px左右，設(shè)置的光照的上下限閾值為2 000 px和100 px，通過遮擋和照明的方式改變光照度，使對應(yīng)繼電器聯(lián)通，從而控制相應(yīng)的設(shè)備。

表4記錄了控制器接收命令后的反應(yīng)時間，這里給出了其50次接收到切換命令后的反應(yīng)時間，該反應(yīng)時間的平均值為1.312 s。經(jīng)過反復(fù)多次的實驗室重復(fù)驗證試驗和實際場地的試用測試后，結(jié)果表明系統(tǒng)基本可以滿足實時要求。

3 結(jié)論

信息科技服務(wù)農(nóng)業(yè)的最終目的是智能控制和生產(chǎn)決策支持。本研究利用實時、動態(tài)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息監(jiān)控系統(tǒng)，對溫室大棚進行自動檢測控制，既給作物提供了適宜的大棚溫室環(huán)境，也給溫室大棚提供了科學(xué)有效的管理。系統(tǒng)的使用有利于改善農(nóng)業(yè)大棚土地環(huán)境，提高生產(chǎn)經(jīng)營效率。本研究設(shè)計的系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園進行了實地應(yīng)用測試，結(jié)果表明本系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了溫室大棚的環(huán)境自動監(jiān)控。

表4 控制器反應(yīng)時間