基于Laravel框架的農業物聯網數據采集管理系統開發及應用

籍延寶，姚鑫鋒，劉士輝，馬 超，田明璐，袁 濤，李琳一*

（1上海市農業科學院農業科技信息研究所，上海數字農業工程技術研究中心，上海201403；2湖南農業大學，長沙410128）

隨著物聯網技術的飛速發展，在農業領域應用物聯網技術已不再是難題。農業物聯網就是將物聯網技術應用在農業生產、經營、管理和服務中［1-9］。物聯網的應用離不開數據，數據是實現生產環境控制和智能化管理的基礎，數據采集管理系統在整個數據的生命周期中扮演了重要的角色，它既可以縮短一個數據的“數據里程”，即數據從采集到決策使用的整個持續過程的長短，又可以方便數據的分發和共享，是數字化農業生產的重要基礎環節。

目前，國內外無線傳感器網絡技術取得了很大進展，在農田信息采集方面發揮著重要的作用。但現有的研究主要側重于田間觀測信息采集和信息傳輸等前端技術的研究，而在后端對觀測獲取的數據處理、數據應用等方面的研究較為薄弱。此外，基于物聯網的數據采集系統繁多，但每個公司生產的設備大部分只能結合各自的硬件設備進行設計，用戶對產品的選擇空間大大降低、更換設備的成本升高，使用成本也居高不下。部分物聯網系統由于架構設計不適合擴展和迭代，導致新功能擴展困難。隨著物聯網的快速發展，硬件部分已經不是技術難題，但是針對軟硬件結合，并把數據采集到后端進行應用處理，對合作社、普通種植戶仍是一個不小的挑戰。

開發基于Laravel框架的農業物聯網數據采集系統，可滿足以下三方面的需求。第一，系統采用輕量化、易擴展架構設計，并適合針對小型農場用戶按需迭代。物聯網數據采集系統面對著大量數據的采集和存儲，物聯網硬件廠商的服務器端軟件為了通用化或標準化考量，平臺多為Java語言開發，功能固定，代碼量大，在小農戶的使用過程中，迭代困難，價格高昂。第二，針對農業領域應用場景多樣、數據產品眾多的特點，設計一套統一的數據錄入接口。在物聯網信息采集中，由于傳感器和無線傳輸網絡等設備廠商眾多，存在著感知數據格式多樣、數據組織形式不同［10］的問題，如何把感知數據轉換為格式統一、便于后續利用的形式是當前遇到的問題。若使用統一的硬件管理接口，管理所有農業物聯網硬件設備，即兼容市面上主流的物聯網采集硬件，這在很大程度上降低了用戶的準入門檻和硬件產品選擇空間。第三，采用開源的組件設計，降低成本，同時提供物聯網服務。市面上已有的物聯網系統，在農業領域應用，價格相對較高，中小規模農業用戶很難接受。但是物聯網服務對這些用戶很有必要，例如系統內置閾值設置，能夠根據實時的傳感器數據主動判斷分析數據，如有異常可以及時告知用戶。

1 系統總體框架

系統總體框架由感知層、數據層、服務層和應用層組成（圖1）。

圖1 系統總體框架圖Fig.1 Overall framework of the system

感知層是用于數據的存儲，包括了用戶填報的數據、控制設備數據、以及氣象站、數據采集器等設備的數據。此外還有系統應用過程中涉及到的圖像和文檔數據。

數據層是用于存儲感知和用戶上報的數據，以及系統中報警配置信息。

服務層是以Nginx和Workerman作為服務器，PHP語言作為內容動態解析語言，整個服務層為系統的數據接收、存儲和分析提供支持。

應用層是整個系統的核心，提供可視化界面和用戶功能。包括基于Bootstrap前端框架的系統頁面，以及數據管理、設備管理和組織管理等功能。

2 關鍵技術

2.1 統一的設備管理編碼

同一個組織或部門會有不同的監測區域，系統中將這樣的一個區域定義為一個節點，節點包含了多個網絡類型，每個網絡中有多個設備（感測設備或控制設備）。采用組合編碼方式設計采集設備的設備號［11］（圖2），長度共22位，分為組織碼、節點碼、網絡類型、網絡編號和采集點編碼等部分，其中網絡類型長度2位，取值范圍是01—99，不同的數值代表不同的物聯網類型，例如01代表設施物聯網，02代表水產物聯網。

圖2 物聯網設備編碼結構圖Fig.2 Coding structure diagram of internet of things devices

2.2 統一的數據管理接口

不同公司的物聯網采集設備中用到的數據組織形式不同，系統基于面向對象原理，集成了主流數據采集設備的數據采集接口，每一個采集接口作為一個計劃任務在系統中運行，結合Laravel框架自帶的隊列（Jobs）管理機制，系統會根據不同廠商的數據采集協議自動匹配相應的數據采集邏輯，將數據按照統一的格式存儲到數據庫中。數據按照統一格式入庫，便于后續的分析和利用，解決了不同廠商數據格式和接口結構不同帶來的系統兼容性不足的問題。

2.3 報警閾值的設定與告警

在作物的種植過程中，溫室內的空氣溫度、空氣濕度不能過高，需要設定報警閾值以提示種植者進行簡單的環境控制。因此，系統中每一個物聯網傳感器都可以設置閾值限制，例如光合作用是一個光生物化學反映，所以光合速率隨著光照強度的增加而加快。在一定范圍內幾乎是呈正相關。但超過一定范圍之后，光合速率的增加轉慢，當達到某一光照強度時，光合速率就不在增加，這種現象稱為光飽和現象。各種作物的光飽和點不同，這就決定在光照強度過高的時候需采取必要的人工措施進行干預，防止過高的光強引起植物萎蔫或光合作用效率降低。實際生產中完全可以根據作物的不同來設計光強的閾值，通過開啟內遮陽或外遮陽進行控制。圖3反映出系統中添加環境報警配置信息。

圖3 報警流程Fig.3 Alarm process

3 系統設計

3.1 系統功能設計

系統總體上分為數據管理、組織管理、節點管理、感測設備管理、控制設備管理、報警管理、用戶管理和配置管理8個模塊（圖4）。其中，組織管理是管理用戶所屬組織的模塊，包括種植戶、生產合作社、公司等團體。節點管理用于管理某一個組織所擁有的物聯網節點信息。同樣，感測設備管理和控制設備管理分別是管理某一個節點中所布設的傳感設備或控制設備。報警管理是數據的超閾值、設備的掉線等報警信息的管理。配置管理包含了系統常用的功能配置信息的管理。

圖4 系統結構圖Fig.4 Diagram of system structure

3.2 數據庫設計

系統的數據庫設計如圖5所示，系統包含了農場、基地、地塊3個管理級別，同時針對傳感設備和控制類設備均有報警設置和消息的管理。

圖5 數據庫實體關系圖Fig.5 Relationship graph of database entities

4 系統實現

為了采集、分析和利用溫室環境數據，系統應具有接收溫室內傳感器、環境控制設備傳遞回來的數據的能力，并將這些數據進行與歷史數據、作物生長模型進行比對或模擬，最終做出決策，實現溫室設備的管理、作物生長管理的輔助決策功能。

4.1 后臺工具組件

為了實現系統的穩定性強、易擴展、快捷開發和部署、低成本、并適合針對小型農場用戶按需迭代的需求，系統采用輕量化、易擴展架構設計，完全采用開源組件進行開發。總體基于LNMP（Linux、Nginx、MySQL、PHP）架構，采用PHP框架Laravel 5.3開發。Laravel框架是一個在眾多Web應用項目中被廣泛使用的語法優雅的PHP語言框架，它具有大量的幫助方法，并且基于MVC（Model-View-Controller）模式［12］，通過Composer進行代碼包管理，具備了系統開發中大多數需要，并且跨平臺移植非常方便，能夠快捷的開發和部署應用。特別是針對系統重構和迭代頻繁的應用，此框架能夠很好勝任。

4.2 服務器端數據接收功能

研究在田間生產環境下，利用無線采集節點，基于GPRS技術將數據發送到后臺指定端口。后臺采用開源框架Workerman作為通訊組件與硬件進行通訊，Workerman是一款純PHP開發的開源高性能的PHP socket服務器框架。被廣泛的用于手機App、移動通訊，微信小程序，手游服務端、網絡游戲、PHP聊天室、硬件通訊、智能家居、車聯網、物聯網等領域的開發。支持TCP長連接，支持Websocket、HTTP等協議，支持自定義協議。擁有異步Mysql、異步Redis、異步Http、異步消息隊列等眾多高性能組件。

Laravel有便捷的命令管理功能，同時具有很強的可擴展性。利用這個特性，Laravel自帶artisan命令工具，通過擴展artisan命令，創建workerman服務的管理命令，使得后續的開發、部署、調試應用程序變得非常方便。

4.3 用戶接口

系統采用Javascript、HTML5、CSS3以及Bootstrap前端框架設計用戶接口（圖6），遵循自適應的頁面設計原則，使得系統頁面會根據用戶使用的媒體設備的屏幕尺寸進行自動的調整頁面內容展示方式和大小，即無論是手機、平板電腦還是普通桌面電腦訪問該系統都能夠取得良好的用戶體驗。

圖6 后臺管理頁面Fig.6 Background management page

后臺管理頁面主要用于管理組織、節點、人員、設備和報警信息。管理員能夠較新增、修改、刪除和查詢任意的組織、節點、人員、設備等信息，同時能夠管理報警信息和處理設備異常和環境異常。

數據圖表顯示頁面用于對監測數據的可視化管理，系統能夠針對任意一個傳感器的數據構建曲線圖（圖7），便于管理人員掌握這個生長過程的環境數據信息。同時，該功能也能夠查看控制設備的整體控制記錄生成的控制圖表，便于管理人員后期優化整個生產過程的設備控制。

圖7 數據圖表顯示頁面Fig.7 Data graph disp lay page

圖8 報警信息頁面包含傳感器等監測設備和環境控制設備的管理，其中包括報警的傳感設備或控制設備、閾值范圍以及建議采取的措施。

圖8 報警信息管理頁面Fig.8 Alarm information management page

5 結論

通過系統壓力測試結果顯示（圖9—11），Workerman能夠同時服務100個并發線程，連接Workerman 100萬次，每次連接發送短連接請求，經證明該架構能夠實現吞吐量2.3萬次/s，完全滿足大多數情況下田間環境數據采集的應用需要。

圖9 壓力測試環境信息Fig.9 Stress test environment information

圖10 壓力測試邏輯Fig.10 Stress test logic

針對小型農場用戶的物聯網需求，基于開源組件構建了基于Laravel框架的農業物聯網數據采集管理系統，系統具備輕量化、成本低、易迭代的特點，能夠針對不同的傳感器進行數據的采集和存儲，并對溫室設備進行統一管理，實現了農田溫室環境的基礎性信息采集，為后續的數據分析、利用和共享奠定了基礎。此外，該系統能夠監測設施內的環境狀況，在必要的時候能夠發出報警告知用戶。尤其是數據管理功能，減少了用戶的設施巡查時間，降低了生產者的投入。

通過在上海市農業科學院莊行綜合試驗站的應用，用戶對該系統提出了建議，主要是針對不同廠商的傳感器在使用前進行統一的數據標定，以及后期在系統中內建標定模型，將數據進行統一的轉換，實現采集數據的標準化。此外，一個完整閉環的數據管理系統應該是包含了采集、模擬、預測和控制4個環節。所以，后續的研究可以加入自動控制設備的控制指令，能夠在線進行手動或自動控制灌溉、通風等設施設備。通過感測控制系統傳回的數據，自動調整耕作環境的狀況，包括超閾值調控、墑情調控和積溫調控等，甚至可以通過調控溫室環境，調整農產品的上市日期。

圖11 壓力測試結果Fig.11 Stress test results