基于云服務的大棚溫濕度遠程監控系統研究

段萍 高雪 朱志輝

摘 要： 針對傳統農業大棚管理效率低下的問題，在此設計一套基于云服務的大棚溫濕度遠程監控系統。該系統在大棚監控區域內設置檢測節點，檢測節點采用樹莓派為核心控制板，利用MQTT協議實現DHT11模塊對監控區域內溫濕度環境參數的采集，并將采集到的數據存放在云服務器當中進行分析。同時管理人員可以通過監控客戶端的上位機觀測到分析結果，并對大棚環境進行反饋控制，通過這樣的遠程監控方式可以使大棚內的農作物一直處在適宜狀態的生活環境中。經測試結果表明，該系統運行正常，切實可行，滿足現代農業的發展需要。

關鍵詞： 云服務； 樹莓派； MQTT協議； 遠程監控； 農業大棚管理； 現代農業

中圖分類號： TN948.64?34； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0178?04

Research of greenhouse temperature and humidity remote monitoring

system based on cloud service

DUAN Ping， GAO Xue， ZHU Zhihui

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300132， China）

Abstract： In allusion to the problem of low management efficiency of the traditional agricultural greenhouse， a greenhouse temperature and humidity remote monitoring system based on cloud service is designed. In the system， the detection nodes with the raspberry pi as the core control board are set in the monitoring area of the greenhouse， the MQTT protocol is employed to realize the DHT11 module′s acquisition of temperature and humidity environmental parameters of the monitoring area， and the collected data is stored in the cloud server for analysis. Management personnel can observe the analysis results by monitoring the upper computer in the client terminal， and conduct feedback control of the greenhouse environment. Such a remote monitoring pattern can ensure that the crops in the greenhouse grow in a living environment with suitable conditions. The test results show that the system runs normally， is feasible， and can meet the development requirement of modern agriculture.

Keywords： cloud service； raspberry pi； MQTT protocol； remote monitoring； agricultural greenhouse management； modern agriculture

0 引 言

我國是農業大國，農業生產的質量對我國具有非常重要的意義，但是通過一段時間的實際調研考察，意識到我國農業大棚發展比較晚，農業大棚的發展狀況還沒有完全智能化，云控制技術沒有普及到農業生產中，致使農業生產效率低下。

將云服務應用到農業環境的監控中來，可以更高效地管理環境狀況[1?3]。云計算作為一種全新的網絡服務模式，具有海量存儲、分配計算、動態擴展、系統可靠性高等特點[4?5]。企業可以通過云計算的方式在云端構建一個數據存儲和處理分析中心，把數據的存儲和分析等任務全部交給云端來完成。

我國的云服務在農業方面的應用還有待挖掘與普及。農民種植蔬菜依然采用傳統方式，保溫措施：冷棚只采用塑料保溫，暖棚在上面加上保溫被等，并配以通風口：冷棚一般為一個通風口，處于大棚的最高點位置；暖棚則為兩個通風口，頂端最高點一個，下邊距離土壤1.5～1.7 m處設有一個，兩個通風口之間形成對流。濕度維持措施則只是人工澆注或依靠降雨。這樣一年四季極易受變換不定的天氣影響。所以我國的農業發展也急需一套屬于自己國家技術特色的智能化遠程控制系統。

本研究則設計了一套基于云服務的大棚溫濕度遠程監控系統 [5?7]。使大棚內農作物免受天氣影響，方便用戶更好更及時地進行管理。系統以溫濕度環境參數為例進行深入研究。

1 系統整體架構

本系統總共分為3個層面構成：感知層、通信層和控制層[8]。系統總體架構如圖1所示。

1） 感知層：利用監控節點中的溫濕度傳感器對大棚室內環境進行監控，并將獲得的環境參數實時傳遞到云端服務器。

2） 通信層：通信層負責把采集上來的數據存儲在云服務器當中，并在云服務器中對數據進行處理和分析，得出大棚內的環境狀態。

3） 控制層：控制層負責實現對大棚環境參數的遠程反饋控制。該系統中的控制模式有兩種：人工控制（半自動化控制）和全自動化控制。當遠程控制界面監控到溫濕度數據異常時，會下發控制指令到相應設備，報警指示燈亮并報警，增加安全保障。

2 系統硬件設計

遠程終端檢測節點包括樹莓派開發板，溫濕度傳感器，一些外接設備如：報警器、卷簾機、暖風機、加濕器等。繼電器采用的是SPD?05VDC?SL?C。本系統以樹莓派開發板為核心，其裝有溫濕度傳感器模塊，監測室內溫濕度實時變化。通過繼電器，外接有各種執行設備。如圖2所示即為系統硬件結構示意圖。

2.1 核心控制板樹莓派

本系統采用的核心控制板是Raspberry Pi 2 Model B V1.1 用其進行溫濕度的數據采集，樹莓派具有很強大的功能，本系統的設計中恰好利用樹莓派的各種便捷強大的功能，其相當于電腦的一個主板，樹莓派除了可以上傳數據以外，還可以進行實時視頻傳輸，擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，具備所有PC的基本功能。本系統利用樹莓派這一強大功能特點，將樹莓派通過CSI接口與攝像頭相連接，通過MQTT傳輸監控視頻到云服務器，再到上位機實時監控界面中，方便用戶對大棚內情況進行監控。

2.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用的是DHT11模塊。該模塊的輸出形式是數字輸出，樹莓派開發板能夠直接采集數字量，所以不用進行模/數轉換，便可用溫濕度傳感器直接接到樹莓派上進行數據采集。可以檢測周圍環境的溫度和濕度，濕度檢測范圍為20%～95%（0～50 ℃范圍），濕度測量誤差為±5%；溫度測量范圍是0～50 ℃，溫度測量誤差為±2 ℃。工作電壓為3.3～5 V。并且該模塊具有可靠性高、穩定性好、響應快、抗干擾性好、性價比高等優點，所以為大棚溫濕度測量的最優選擇。DHT11模塊與樹莓派的連接：VCC?VCC（+） GND?GND（-） DATA?GPIO。

2.3 攝像頭模塊

攝像頭模塊是樹莓派配套的魚眼攝像頭，感光芯片0V5647，與樹莓派之間通過排線與CSI接口相連接。500萬像素，與B型樹莓派完美相融，能錄制30 f/s的1 080 P全高清視頻，可調焦，170°的視角。普通的樹莓派RPI NOIR攝像頭板，可監控視場角只有72.4°。兩者比較取最優，魚眼攝像頭更適合在大棚環境監測中使用。

3 系統的軟件設計

監控系統的主程序環節主要是初始化，溫濕度數據采集，通過MQTT上傳數據到云服務器中，在云服務器中進行數據存儲與處理，將處理結果上傳到上位機中，上位機操作界面由LabVIEW軟件進行開發設計，實現人機交互。上位機接收數據，進行判斷，在數據值異常時報警，監控中心下發控制指令，樹莓派接收控制指令。經數據處理分析，可以有效地預測溫濕度變化趨勢，及時地采取措施進行控制。通過繼電器電路控制相應設備進行溫濕度實時調節，調節完成的數據也實時顯示到監控中心監控界面。反復執行此過程，保持大棚室內溫濕度值在可控閾值范圍內上下浮動。遠程監控系統的總流程圖如圖3所示。

3.1 遠程終端下位機溫濕度數據采集

在遠程終端監控節點處，樹莓派主要采集大棚室內實時溫濕度數據。當監控中心下達采集數據指令時，通過WiFi通信模塊，傳達給下位機樹莓派開發板，樹莓派接到指令后開始進行數據采集。主機發送開始信號后，主機至少拉低18 ms，延時等待20～40 ?s后讀取DHT11的回應信號，讀取總線為低電平，說明DHT11發送響應信號，DHT11發送響應信號后，再把總線拉高，準備發送數據。溫濕度傳感器采集室內溫濕度數據的主要程序為：

humidity_bit = data[0：8] //8bit濕度整數數據

humidity_point_bit = data[8：16] //8bit濕度小數數據

temperature_bit = data[16：24] //8bit溫度整數數據

temperature_point_bit = data[24：32] //8bit溫度小數數據check_bit = data[32：40] //8bit校驗和

humidity = 0 //濕度整數部分初始值

humidity_point = 0 //濕度小數部分初始值

temperature = 0 //溫度整數部分初始值

temperature_point = 0 //溫度小數部分初始值

check = 0 //校驗位初始值

for i in range（8）： //從DHT11讀取一次數據

humidity += humidity_bit[i] * 2 * （7?i）

humidity_point+= humidity_point_bit[i] * 2 * （7?i）

temperature+= temperature_bit[i] * 2 *（7?i）temperature_point+=temperature_point_bit[i] * 2 *（7?i）

check += check_bit[i] * 2 *（7?i）

3.2 MQTT協議實現數據發布訂閱

應用最為廣泛的物聯網四大協議是：CoAP協議，XMPP協議、HTTP協議、MQTT協議。經調查比較可知：CoAP協議是相互連接設備數量受限制的應用協議；XMPP協議較復雜、冗余；HTTP協議的實時性差；MQTT協議簡潔、可擴展性強、速度快、實時性好。

綜上考慮，本系統采用的物聯網協議是MQTT協議。MQTT是IBM開發的一個即時通信協議，MQTT協議實際上是一個客戶端與服務器端長連接的過程，是一種發布/訂閱式的消息協議，提供一對多的消息發布。

3.3 遠程監控客戶端上位機軟件設計

遠程監控客戶端的上位機界面采用NI公司的LabVIEW軟件進行設計。LabVIEW軟件提供了很多和現實實物相似的控件，用這些控件可以很方便地制作出客戶端監控界面，讓操控人員可以更直觀、更方便地監控大棚室內溫濕度環境情況。在上位機軟件中豐富地設計添加監控客戶端功能，方便其在監控界面實時接收到室內的溫濕度數據，并下達控制指令向各個執行控制節點。上位機軟件界面如圖4所示。

系統功能設計主要應體現在以下幾個方面：

1） 攝像頭監控功能。在上位機上用戶可以在遠程監控界面上實時觀看通過USB攝像頭上傳過來的大棚內農作物的監控錄像。方便觀察農作物生長的當前狀態。

2） 用戶管理功能。為了保障系統的安全性，設置了用戶管理功能，進行了權限設置。上位機輸入正確的用戶名和密碼才可以登錄打開遠程監控界面。并且用戶中也設有管理員和非管理員，非管理員只能進行界面上監控部分的相關操作，但不能對用戶進行設置。而管理員除了可以進行監控操作外，還可以對用戶進行設置。這樣在一定程度上對系統的安全性做了保障。

3） 溫濕度值數據庫查看功能。上位機上有溫濕度的數據庫操作按鈕，方便用戶對溫濕度實時歷史數據進行查看、分析。對數據進行存檔。

4） 報警功能。當某一節點處的數據出現異常時，其對應的報警指示燈亮，報警警報聲響起，并會彈出報警提示信息及時對其作出處理。

5） 執行設備調節功能。在用戶監控界面設有節點對應的執行設備的操控按鈕，當該節點處的報警響起時，用戶便可以通過旋轉相應的控制設備操控按鈕來對設備進行控制。

4 實 驗

切實去監測了天津地區3月初番茄暖棚內外一天24 h的溫濕度變化，此時番茄恰好處于一個剛開花的階段，屬于生長期。番茄暖棚走向為東西走向。暖棚內空氣溫濕度傳感器DHT11放在距離棚門10 m，距離土壤高度1.5 m左右的空間位置去測量整個大棚內的空氣溫濕度值，并掛有溫濕度計方便現場查看。進行一天24 h的實時監測，觀察一天內的數據變化情況，將監測上來的數據實時地上傳到云服務器，并實時寫入云服務器數據庫中，可方便進行歷史數據的查看。由于是在云控制領域內的研究，所以很好地展現了云服務極大的優勢，可以不受時間限制，不受空間限制地去監控，并具有幾乎0延時的實時性，不管用戶在任何地方，只要打開手機APP或筆記本電腦，打開發布的鏈接，均可訪問到監控界面，查看數據，監控實時情況。大棚里果蔬需要的環境條件非常的苛刻，這也就促進了如今現代農業的發展，智能化監控，提高了農作物的產量[9]。實際調研了暖棚內番茄培育的合適的溫濕度值閾，如表1，表2所示。

通過番茄暖棚內外溫濕度數據對比，也證實了該系統的實用性、正確性[10]。下面是監測到的溫濕度數據以及變化曲線圖。溫濕度分別各測了3組數據：大棚室內溫濕度，大棚室外溫濕度，加入控制系統后的室內外溫濕度。然后將3組數據與理想狀態值做對比，見圖5、圖6。

5 結 論

本系統實現了三種功能：能夠實現溫濕度環境參數的智能控制，保證農作物始終處在一個適宜的生長環境中，免于遭受外界環境條件的影響；上傳到云端服務器，實現物聯網，不受時間空間限制去進行智能監控；設置人機交互，操作簡單方便直觀。系統還設置了報警設備，能夠增加安全性。系統是一個閉環控制模式，可以上傳數據信息，同時又可下發控制指令到相應調節設備，具有雙向性。該系統的實用性通過實際的實驗測量得到了驗證。其在大棚領域的應用是對云控制的一個應用研究，云控制技術的發展很大程度地促進了農業邁向現代化，促進了農作物產量，提高經濟效益，對我國的經濟發展、科技進步都有極大的促進作用。并且后期可以對該系統進行改進，加入土壤濕度傳感器、光照傳感器、氣體傳感器等多種傳感器，進行更全方位監控。

參考文獻

[1] 謝天鈞.智慧醫療云服務平臺研究與實現[D].北京：北京工業大學，2015.

XIE Tianjun. Research and implementation for smart healthcare cloud service platform [D]. Beijing： Beijing University of Technology， 2015.

[2] 張澤建，王曉東，晏芳.基于物聯網技術的倉儲環境感知系統設計[J].物流技術，2016，35（8）：119?121.

ZHANG Zejian， WANG Xiaodong， YAN Fang. Design of warehouse environment sensing system based on IoT technologies [J]. Logistics technology， 2016， 35（8）： 119?121.

[3] 吳朋林.溫室大棚智能控制系統研究[D].濟南：山東大學，2015.

WU Penglin. The research of greenhouse intelligent control system [D]. Jinan： Shandong University， 2015.

[4] 施榮華，李長斌，王國才，等.農產品儲運環境實時監測系統設計[J].計算技術與自動化，2015（1）：48?50.

SHI Ronghua， LI Changbin， WANG Guocai， et al. Design of integrated remote real?time monitoring system of agricultural products storage and transportation environment [J]. Computing technology and automation， 2015（1）： 48?50.

[5] 史佩昌，王懷民，尹剛，等.云服務傳遞網絡資源動態分配模型[J].計算機學報，2011，34（12）：2305?2318.

SHI Peichang， WANG Huaimin， YIN Gang， et al. The dynamic allocation model for the resources of cloud services delivery networks [J]. Chinese journal of computers， 2011， 34（12）： 2305?2318.

[6] Wikimedia Foundation， Inc. Cloud computing [EB/OL]. [2018?05?25]. https：//en.wikipedia.org/wiki/Cloud_computing.

[7] 韓毅.基于物聯網的設施農業溫室大棚智能控制系統研究[D].太原：太原理工大學， 2016.

HAN Yi. Study on intelligent control system based on Internet of Things in facility agricultural greenhouse [D]. Taiyuan： Taiyuan University of Technology， 2016.

[8] 張偉濱.基于ZigBee溫室大棚遠程監控系統研究與實現[D].大慶：東北石油大學，2014.

ZHANG Weibin. Research and implementation of remote monitoring system for greenhouse based on Zigbee [D]. Daqing： Northeast Petroleum University， 2014.

[9] 王曉微.基于CFD的大棚微氣候與通風調控研究[D].武漢：武漢大學，2013.

WANG Xiaowei. Study on microclimate and ventilation of plastic?film covered sunlight greenhouse based on CFD [D]. Wuhan： Wuhan University， 2013.

[10] 符國槐，張波，楊再強，等.塑料大棚小氣候特征及預報模型的研究[J].中國農學通報，2011，27（13）：242?248.

FU Guohuai， ZHANG Bo， YANG Zaiqiang， et al. Research on the microclimate characteristics and inside temperature prediction model for plastic greenhouse [J]. Chinese agricultural science bulletin， 2011， 27（13）： 242?248.