基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李鑫 賈小林

摘 要：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、水分以及其他養(yǎng)分等多種自然因素共同促進(jìn)或影響著農(nóng)作物的生長，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式通過人的自我感知去調(diào)節(jié)上述環(huán)境參數(shù)，這種粗放式的管理方法不僅浪費(fèi)勞動(dòng)力，而且無法達(dá)到準(zhǔn)確性要求，實(shí)際效果不佳。因此，文中基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種農(nóng)作物管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物的生長狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，對獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，并進(jìn)行遠(yuǎn)程智能調(diào)控，推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化、智能化水平，降低人力和資源消耗，提高農(nóng)作物生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與Web技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)，由數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、應(yīng)用管理模塊、遠(yuǎn)程調(diào)控模塊組成。實(shí)踐表明：所提系統(tǒng)能夠在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對農(nóng)作物進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控管理，實(shí)時(shí)了解相應(yīng)農(nóng)作物信息，推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)進(jìn)程，為“三農(nóng)”問題提供可行的解決方案，同時(shí)在應(yīng)用的過程中，采集的數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行二次開發(fā)，從多方面多源反應(yīng)研究環(huán)境因素對農(nóng)作物生長的影響。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智慧農(nóng)業(yè);溫室控制;無線傳輸;數(shù)據(jù)采集;Web

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）10-00-04

0 引 言

農(nóng)業(yè)是關(guān)系國計(jì)民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已不滿足日益增長的生產(chǎn)消費(fèi)需求。面對新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的到來，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在面臨著一系列的沖擊與挑戰(zhàn)，確保農(nóng)產(chǎn)品總量，調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量，改善生產(chǎn)效益低下、資源嚴(yán)重不足且利用率低、環(huán)境污染等等問題。物聯(lián)網(wǎng)以感知為目的，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物的全面互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的應(yīng)用中，通過無線傳感器獲取生長環(huán)境和作物信息，有效減少人力損耗和對農(nóng)田影響，使用各種自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備，足不出戶監(jiān)測農(nóng)田信息，進(jìn)行科學(xué)種植、科學(xué)管理，極大推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化、智能化水平，降低資源占有率，提農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品的質(zhì)量。

農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的重要內(nèi)容，大力推進(jìn)“農(nóng)業(yè)信息化與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化融合”是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向?！爸腔坜r(nóng)業(yè)”將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相結(jié)合，運(yùn)用傳感器與移動(dòng)平臺(tái)和互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測控制，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更具有“智慧”[2]。除精準(zhǔn)感知、控制與決策管理外，智慧農(nóng)業(yè)從廣義上講，還包括農(nóng)業(yè)電子商務(wù)、農(nóng)業(yè)信息服務(wù)、農(nóng)業(yè)休閑旅游等等內(nèi)容。智慧農(nóng)業(yè)正逐步推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈改造升級，使農(nóng)業(yè)朝著精準(zhǔn)化、高效化、綠色化發(fā)展。

農(nóng)作物管理系統(tǒng)以智慧農(nóng)業(yè)為理念，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過傳感器、感應(yīng)器等設(shè)備真實(shí)監(jiān)測出農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境，將監(jiān)測到的結(jié)果（溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)信息）進(jìn)行分析，得出切實(shí)可行的建議，并推送給用戶，用戶根據(jù)所提供的建議通過終端設(shè)備對農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，使得農(nóng)作物生長于適宜的環(huán)境之中。同時(shí)，系統(tǒng)對采集到的農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)提供可視化的呈現(xiàn)方式，方便作為用戶調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的重要依據(jù)以及進(jìn)行農(nóng)作物生長規(guī)律研究發(fā)掘。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

農(nóng)作物管理系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，“物”感知環(huán)境、提供數(shù)據(jù)服務(wù)、啟動(dòng)服務(wù)來改變環(huán)境。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)作物管理系統(tǒng)由感知層、傳輸層、應(yīng)用層三層架構(gòu)組成，框架如圖1所示。通過感知層獲取到農(nóng)田環(huán)境信息數(shù)據(jù)，傳輸層保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)傳輸，應(yīng)用層提供實(shí)時(shí)監(jiān)測、遠(yuǎn)程調(diào)控、農(nóng)作物環(huán)境分析等服務(wù)。

1.1 感知層

物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)就是物，感知層主要負(fù)責(zé)對農(nóng)作物生長環(huán)境信息的采集，由多個(gè)無線傳感器終端構(gòu)建而成，主要監(jiān)測室內(nèi)溫度、空氣濕度、光照、土壤水分等信息數(shù)據(jù)。通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)平臺(tái)[3]。云服務(wù)信息平臺(tái)將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等工作，對傳感器采集上傳的農(nóng)作物生長環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，提供農(nóng)作物生長可視化分析服務(wù)，同時(shí)對生長環(huán)境進(jìn)行調(diào)控、管理。

1.2 傳輸層

物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)就是物與物的網(wǎng)路連接，感知層獲取到了數(shù)據(jù)后，要集中通過網(wǎng)路來將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，方便服務(wù)器的處理分析。目前市面上常見的傳感網(wǎng)有有WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等。WiFi無線通信的應(yīng)用市場較廣，藍(lán)牙、ZigBee也得到了迅速的發(fā)展。本系統(tǒng)通過對比，兼具實(shí)用性和操作性，選擇ZigBee。ZigBee作為新型雙向無線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、高容量、高安全等優(yōu)點(diǎn)，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地傳輸至數(shù)據(jù)中心[4]。

1.3 應(yīng)用層

物聯(lián)網(wǎng)通過感知層采集數(shù)據(jù)，并通過傳輸層傳送到應(yīng)用層。應(yīng)用層的主要工作就是處理這些數(shù)據(jù)來進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)計(jì)算，根據(jù)數(shù)據(jù)做出反饋。系統(tǒng)在應(yīng)用層利用圖形化界面或遠(yuǎn)程終端來進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)分析根據(jù)采集到農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化分析得到農(nóng)作物生長的規(guī)律，實(shí)時(shí)監(jiān)控通過溫度、濕度、光照強(qiáng)度可以進(jìn)行生長環(huán)境的調(diào)節(jié)，用戶管理實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的綜合管理監(jiān)測。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合

在農(nóng)作物管理系統(tǒng)中，不同的信息如何進(jìn)行處理、分析和使用是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)融合處理使用計(jì)算機(jī)在一定規(guī)則下對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，動(dòng)態(tài)地整理和分析獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而精準(zhǔn)實(shí)施決策管理、遠(yuǎn)程調(diào)控。數(shù)據(jù)融合劃分為3個(gè)基本層次，包括像元層、特征層和決策層。像元層在采集到的原始數(shù)據(jù)層上進(jìn)行融合，在各種傳感器的原始測報(bào)未經(jīng)預(yù)處理之前就進(jìn)行的數(shù)據(jù)綜合和分析;特征層對傳感器原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特征信息提取，再進(jìn)行特征信息的數(shù)據(jù)分類、匯集和綜合;決策層是一種高層次的融合，充分利用特征層融合所提取的各類特征細(xì)節(jié)，采用適當(dāng)?shù)娜诤霞夹g(shù)實(shí)現(xiàn)融合。

本文選擇了卡爾曼濾波算法來對動(dòng)態(tài)環(huán)境下的農(nóng)作物生產(chǎn)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算，利用卡爾曼濾波描述農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境下前后時(shí)刻估計(jì)值的遞推關(guān)系，得到當(dāng)前狀態(tài)的估計(jì)值?？柭鼮V波是一個(gè)離散控制過程的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用一個(gè)線性隨機(jī)微分方程描述：

這樣卡爾曼濾波就可以回歸的運(yùn)算下去。農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境存在著較多干擾，數(shù)據(jù)預(yù)處理后進(jìn)行卡爾曼濾波算法就可以有效去除感知層采集數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)噪聲和噪聲影響，直接準(zhǔn)確的測試到農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境的被測量真實(shí)值。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由硬件和軟件兩個(gè)方面組成，農(nóng)作物管理系統(tǒng)模型如圖2所示。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要包括傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)和控制設(shè)備。

（1）傳感器。針對農(nóng)作物種植，需要預(yù)制的傳感器有溫濕度傳感器，一般安置于地表垂直的中高度來測量空氣溫度與濕度，精確了解日變化影響的溫濕度;二氧化碳傳感器，一般與溫濕度傳感器安裝在同一位置用來測量空氣中的二氧化碳濃度值，可以及時(shí)補(bǔ)充和排出二氧化碳值來達(dá)到農(nóng)作物最適宜濃度值;光照度傳感器，一般安裝在溫室進(jìn)頂棚的位置，來測量農(nóng)作物生長環(huán)境光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，保證農(nóng)作物可以進(jìn)行充分的光合作用;土壤水分傳感器一般至于地表垂直約1 m放置，測量土壤的水分，保證農(nóng)作物有適度水分來進(jìn)行生長[5]。

（2）無線網(wǎng)絡(luò)?？紤]物聯(lián)網(wǎng)搭建的便捷性和安全性，系統(tǒng)選用ZigBee協(xié)議來作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健Ｄ壳按蟛糠值奈锫?lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都是使用的ZigBee布網(wǎng)，然后通過網(wǎng)關(guān)來連接因特網(wǎng)。ZigBee采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)關(guān)與若干個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，具有高容量性;ZigBee提供了三級安全模式，用來靈活確定安全屬性，具有高安全性;除此之外，還有低功耗、低成本、低速率、短時(shí)延等特點(diǎn)。

（3）控制設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)，系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試，系統(tǒng)使用了自動(dòng)化設(shè)備，包括水閥、排風(fēng)扇、卷簾、日光燈、邏輯控制器等。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用SpringMVC框架設(shè)計(jì)模式，將系統(tǒng)共分為控制層、服務(wù)層和資源層三層?？傮w軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

控制層是整個(gè)軟件系統(tǒng)的最頂層，負(fù)責(zé)請求得轉(zhuǎn)發(fā)和處理，面對用戶使用，在這個(gè)層面包括環(huán)境監(jiān)控、技術(shù)推送、數(shù)據(jù)分析、用戶管理等功能[6]。

服務(wù)層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)各種業(yè)務(wù)的邏輯和處理，有效的分離數(shù)據(jù)訪問層業(yè)務(wù)層，使其各司其職，其處理的業(yè)務(wù)包括視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)控、數(shù)據(jù)管理、用戶模塊、任務(wù)中心等。

資源層主要用來存放本系統(tǒng)的實(shí)體，用關(guān)系性數(shù)據(jù)庫存放生長環(huán)境溫濕度、關(guān)照、水分等采集上來的數(shù)據(jù)，支持服務(wù)層和控制層的開發(fā)。選用分布式緩存redis來存儲(chǔ)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3.2.1 環(huán)境監(jiān)控模塊

環(huán)境監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)可以幫助用戶實(shí)時(shí)了解農(nóng)作物的生長環(huán)境情況，在農(nóng)作物管理系統(tǒng)中是很關(guān)鍵的功能[7]。系統(tǒng)基于Socket通信來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制端連接與數(shù)據(jù)圖像的傳輸。遠(yuǎn)程控制端獲取到攝像頭的物理IP后，通過Socket通信進(jìn)行連接，攝像頭將視頻數(shù)據(jù)源進(jìn)行圖像處理后變成字節(jié)流后，遠(yuǎn)程的控制端通過可靠的、雙向連接的TCP協(xié)議的Socket通信，得到傳輸?shù)淖止?jié)流，再恢復(fù)為圖片信息，最終實(shí)現(xiàn)視頻的顯示。視頻監(jiān)控模塊的流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.2.2 用戶鑒權(quán)模塊

對于一個(gè)系統(tǒng)來說，用戶是最重要的角色和使用者，當(dāng)然對于不同的角色和用戶而言的話，也應(yīng)用有不同的不權(quán)限來查看不同的頁面，進(jìn)行不同的操作，因此用戶鑒權(quán)模塊是很重要的一環(huán)。同時(shí)，對于系統(tǒng)來說，鑒權(quán)模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是用戶認(rèn)證的維持和有效性。

系統(tǒng)基于JWT和Redis來進(jìn)行用戶鑒權(quán)模塊的設(shè)計(jì)。用戶初次登錄時(shí)，用戶輸入用戶名和密碼發(fā)送請求，服務(wù)器進(jìn)行用戶名密碼驗(yàn)證，根據(jù)規(guī)則生成JWT，將JWT放回給客戶端，并用Redis存儲(chǔ)Token保證其過期時(shí)間?？蛻舳嗽谥蟮乃姓埱笾卸夹枰獢y帶Token進(jìn)行認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)用戶鑒權(quán)。用戶鑒權(quán)的流程如圖5所示。

3.2.3 數(shù)據(jù)分析模塊

系統(tǒng)在收集完農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)后存于數(shù)據(jù)庫中，通過可視化分析的形式將這些生長數(shù)據(jù)直觀的展示給用戶，讓用戶更新詳細(xì)的了解到農(nóng)作的生長情況[8]。選用1個(gè)月農(nóng)作物生長狀況數(shù)據(jù)為依托，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，生長狀況為縱坐標(biāo)，繪制生長情況折線圖，直觀明了地展現(xiàn)了農(nóng)作物的生長規(guī)律，如圖6所示。

4 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與Web技術(shù)，本文開發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)農(nóng)作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、應(yīng)用管理模塊、遠(yuǎn)程調(diào)控模塊組成，能夠在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對農(nóng)作物進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控管理，實(shí)時(shí)了解相應(yīng)農(nóng)作物信息，推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)進(jìn)程，為“三農(nóng)”問題提供可行的解決方案。同時(shí)在應(yīng)用的過程中，采集的數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行二次開發(fā)，從多方面多源反應(yīng)研究環(huán)境因素對農(nóng)作物生長的影響。

注：本文通訊作者為賈小林。

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