融合圖像與環境參數的農作物生長遠程監控平臺

萬梓然，劉 斌，趙 巖，鄭 鵬，陳 雨，賈伯權，張寶峰

（1.天津理工大學 電氣工程與自動化學院，天津 300384；2.天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384）

0 引 言

我國是人口大國和農業大國，農業生產是關系國計民生的大事，占有至關重要的戰略地位。農業物聯網技術[1]作為支撐智慧農業發展的一種重要手段，可以大力推進農業信息化和現代化，使農田利用率和產能大幅提升，在我國糧食安全保障、農產品供應保障和國民經濟發展方面具有重要意義[2]。

農作物生長環境監測系統[3]，基于物聯網技術，利用各種傳感設備和通信設備，廣泛采集作物的生長環境信息，并通過無線或有線網絡傳輸到數據管理中心，再對采集的信息進行存儲、展示及分析，并形成智能決策[4]，最后通過智能控制設備實現農業生產全過程的監測和管控，進一步達到集約化、高效、優質的農業生產標準[5]。朱均超等人[6]實現了基于物聯網的農業大棚環境監測系統，并針對傳感器網絡做了優化處理，實現農業大棚環境信息采集與遠程監測，滿足了農業大棚現代化管理的需求。馬怡蕾[7]基于開源的物聯網平臺，設計了一套農業物聯網用戶端軟件，可實現遠程采集、控制以及數據可視化等功能，還提供了實時報警的功能，能夠基本滿足農業生產的需求，但智能化程度不夠。李靈[8]基于農業溫室大棚環境，設計了多傳感綜合處理的農業物聯網系統，實現了農業環境的實時監控和調整，但采集的農作物生長信息種類較少。劉萬元等人[9]設計了一種基于OneNET物聯網開放平臺的智慧農業監測系統，能夠實現農業溫室內環境數據的實時監測。

本文通過物聯網技術與網絡技術的結合設計農作物生長遠程監控平臺，實現對農作物環境參數、圖像數據的實時遠程監測和管理，并可遠程控制農機設備，有效降低人力消耗，有利于精準地進行農業種植。

1 系統架構設計

為實現農業大棚中作物信息參數的監測以及設備管控，本文設計了農作物生長遠程監控平臺，其整體結構主要包括三層：感知層、網絡層、應用層。架構體系如圖1所示。在農業大棚中布置采集設備和控制設備，實時查看作物生長圖像，采集環境溫濕度、土壤溫濕度、土壤pH 值以及光照度等生長參數，農業人員可以根據當前環境參數和圖像參數，及時控制風機、水泵設備的開關以及信息管理。

圖1 農作物生長遠程監控平臺整體結構

感知層由采集終端和控制終端組成，包含了傳感器設備、監控攝像頭和控制設備。在感知層與網絡層之間，選擇UDP、螢石云、TCP 三種獨立并存的監測通信方式，使用UDP 方式高效地傳輸監測數據，調用螢石云平臺接口獲取視頻流信息，使用TCP 方式穩定地傳輸控制信息。通過網絡層的數據處理中心，能將采集傳輸的信息解析存儲至數據庫中。圍繞目標需求，在應用層對數據進行處理分析，形成了數據中心、控制中心、設備中心、視頻中心、設置中心四個主要功能模塊。在PC 端或APP 端，借助可視化操作界面，管理人員和用戶可以實時觀察作物生長情況并遠程監測環境溫濕度、土壤溫濕度、土壤pH 值等各類環境數據，有效進行設備信息的管理控制，并通過設置來管理系統使用人員的信息。

2 感知層設計

2.1 感知層組成模塊

感知層主要包含采集終端、控制終端兩部分。采集終端利用傳感器設備和監控設備，分別收集環境信息和圖像信息。控制終端包括了風機、水泵等被控設備。

（1）環境信息采集模塊主要由環境溫濕度、土壤溫濕度、土壤pH 值以及光照度等傳感器組成，見表1所列。傳感器主要用來采集大棚的環境信息，經I2C/RS 485 方式接入，最終通過UDP 協議高效地與網絡層進行連接通信和數據傳輸。

表1 傳感器信息

（2）圖像信息采集模塊選擇海康400 萬臻全彩網絡攝像頭DS-2CD3T47EWDV3-L，支持背光補償、強光抑制、3D數字降噪，其120 dB 寬動態能適應不同監控環境。監控攝像頭由互聯網接入螢石云開放平臺，螢石云平臺通過開放視頻采集、傳輸、存儲、預覽、回放、智能分析等功能，可幫助視頻行業開發者快速進行垂直化技術應用。在網絡層通過調用該平臺提供的應用程序接口（Application Programming Interface,API）獲取實時視頻流，從而在應用層實現視頻實時查看。

（3）感知層的控制模塊能夠根據采集的環境數據，實現農業大棚的風機、水泵等終端設備控制操作。控制終端經RS 485 方式接入，通過TCP 協議可靠地與網絡層進行通信，實現運行狀態、地址等設備信息的上報，同時在應用層用戶能對控制終端進行開關等控制管理。

2.2 通信協議制定

為了保證網絡層可以準確地與感知層的終端設備進行數據解析交互，設計一個結構完整、涵義明確的通信協議十分必要。本文以環境信息采集模塊的UDP 協議為例，對通信協議設計進行說明，見表2所列。

表2 數據解析交互通信協議

（1）在上傳數據時，數據包中包括幀頭、協議版本號、設備類型、設備號、環境參數數據、CRC 校驗以及幀尾。

（2）為了記錄協議的升級和改動，在數據包加入了協議版本號。

（3）考慮到后期會有更多采集傳感器應用于溫室大棚中，為了確定傳感器的具體位置，在數據包中需加入設備號，提高系統控制精度。

（4）為保障數據的安全性，數據包需加入幀頭和幀尾的校驗，用以判斷數據的完整性、正確性。

3 網絡層設計

3.1 設計模式及關鍵技術

本文結合技術框架Vue+SpringBoot，在網絡層設計了基于MVVM 模式的前后端分離系統，如圖2所示。后臺服務負責處理數據庫、交互服務器、數據服務器以及溫室大棚設備之間的業務邏輯，并向前端提供數據信息。前端負責解析數據和頁面渲染，提供并展示應用層需要的主要功能，如數據中心、控制中心、設備中心、視頻中心以及設置中心。

圖2 平臺網絡層設計模式

感知層與網絡層之間，涉及到控制設備、采集設備、監控設備三部分的連接通信。對于監控設備，通過把HIKVISION 視頻監控集成化解決方案[10]嵌入到前后端分離系統中實現監控功能。另外，為了兼收控制設備的信息與采集設備的數據，提出TCP 與UDP 并行通信運行模式。將交互業務與數據接收業務分給兩種服務器處理，如果一方服務器出問題，不影響另一方正常運行。因此，降低了系統耦合性并提升了系統運行效率。在二者同步進行過程中，交互服務器通過TCP 方式與水泵等受控設備建立通信，使設備信息以及控制指令得到可靠穩定的傳輸。除此之外，該服務器可以與前端進行交互且能夠直接訪問數據庫。數據服務器只負責接收數據寫入數據庫，不與前端產生交互關系，借助UDP通信方式實時接收采集設備的數據。針對不同種類設備提出的雙協議通信模式，使感知層數據得到穩定高效的傳輸，同時降低了系統耦合度，使系統易于維護擴展。

在前后端分離系統[11]的開發設計中，采用了基于Vue+SpringBoot 的主流技術架構，具體技術如圖3所示。前端主要采用Vue 技術，使用Element UI 進行用戶界面交互，通過Axios 與后端通信；后端建立了SpringBoot 框架[12]，除了與前端的交互機制外，還包括了業務邏輯處理和數據操作。為了與感知層的受控設備、采集設備建立通信，使用了以NIOServer 為基礎封裝的Netty 框架設計TCP、UDP 服務器，負責偵聽來自客戶端（受控設備、采集設備）的連接請求以及建立連接后的數據收發。將設備傳輸的數據保存在MySQL 數據庫中，并通過Mybatis 對其進行訪問，完成數據的持久化處理；之后，利用SpringUtil 類來為Netty 獲取ClientService（Spring bean對象），使其可以與服務層Service進行交互；在Service 層，ClientService 類通過與Netty 交互來管理和維護與服務器建立連接的客戶端（設備）的列表，同時可以向Controller 層提供服務來滿足前端需要。對于監控設備，通過螢石云開放平臺獲取視頻地址和密鑰，存儲在系統后端，以Axios 方式把數據傳遞給前端，通過引入Ezuikit.js 腳本，最終實現視頻播放功能。

圖3 平臺網絡層技術架構

3.2 數據庫設計

農作物生長遠程監控平臺的數據庫采用的是 MySQL 數據庫存儲[13]。監控平臺的數據庫表結構主要由環境參數數據表、控制設備表、監控設備數據表和用戶數據表組成。

3.2.1 環境參數數據表

環境參數數據表用于存儲農作物的環境數據信息，對每種類型的傳感器設備所采集的數據進行存儲，主要包括環境溫濕度、土壤溫濕度、土壤pH 值以及光照度等，見表3所列。

表3 環境參數數據表

3.2.2 控制設備數據表

控制設備信息表主要存儲各類控制設備的信息，便于用戶增添、修改設備信息，實時查看設備狀態并對設備端進行操控，見表4所列。

表4 控制設備數據表

3.2.3 監控設備數據表

監控設備數據表主要存儲視頻監控設備的信息，方便用戶管理監控設備并實時查看視頻數據，見表5所列。

表5 監控設備數據表

3.2.4 用戶信息數據表

用戶信息數據表主要用來保存個人登錄賬號的各類信息，包括用戶名、密碼以及其他個人信息，便于平臺進行管理，見表6所列。

表6 用戶信息數據表

4 應用層設計

根據平臺技術架構特點以及溫室大棚監控管理需求，將平臺主要功能模塊劃分為5 部分，如圖4所示，分別是數據中心、控制中心、設備中心、視頻中心以及設置中心。

圖4 平臺主要功能模塊

4.1 數據中心模塊

基于感知層采集傳輸的環境參數，通過數據中心模塊實現了溫室大棚內農作物生長信息的監測。管理人員或者用戶可以通過遠程Web 形式監測溫室大棚的各項指標，主要包括空氣溫濕度、光照度、土壤溫濕度、土壤pH 等參數的實時或歷史數據及其折線圖。如圖5所示，輸入數據類型、設備號和時間范圍后，點擊查詢即可在列表中列出相應的歷史數據，并在下方呈現出這些數據的折線圖。實時數據查詢可按數據類型、設備號兩個參數來進行搜索，對用戶展示查詢到的實時數據及折線圖。如果所查詢設備沒有當前時間的實時數據，則列表中顯示的是該設備在數據庫中時間最新的數據。

圖5 數據中心功能模塊

4.2 控制中心模塊

通過觀察環境信息數據，判斷出應該調整哪些設備，可以在控制中心模塊的設備控制頁面對相應的設備進行調整，從而改變這些指標數據，讓大棚內的農作物在更適宜的環境下生長。在控制中心模塊中，可以查看這些設備的實時狀態和對其進行控制操作，本界面只會顯示在設備中心模塊的設備管理界面中注冊過的設備，具體如圖6所示。輸入設備號、設備類型和區域可查詢設備中心已注冊設備的實時狀態，也可對已連接設備發送開關指令。其中設備狀態有：“運行”“關閉”“未連接”“狀態過期”共四種，可在右上角切換“手動刷新列表”和“自動刷新列表”。手動刷新需要點擊“搜索”按鈕；自動刷新每5 s 自動向服務器獲取一次設備狀態。如果設備已連接，則可通過表格最后的按鈕向設備發送開啟或關閉兩種指令。若設備未連接，則開啟和關閉兩個按鈕為禁用狀態。

圖6 控制中心功能模塊

4.3 設備中心模塊

在設備管理界面可以對設備進行增刪改查的操作。這里注冊的設備即為控制中心模塊中設備控制界面中呈現的設備，且設備控制界面只會顯示本界面注冊過的設備及其狀態。可通過設備號、設備類型、區域三個參數來進行設備查詢，并可對查詢到的設備列表進行分頁，讓用戶管理登記到系統的設備，如圖7所示。

圖7 設備中心功能模塊

4.4 視頻中心模塊

在視頻中心模塊的監控設備管理頁面，可以添加或修改監控設備，設備信息包括監控位置、螢石云調用驗證碼、視頻地址及備注信息，如圖8所示。如圖9所示，完成監控設備信息的注冊后，可以實時查看當前監控位置的農作物生長情況，以便及時調整作物生長的環境參數。

圖8 監控設備管理模塊

圖9 監測查看模塊

4.5 設置模塊

設置模塊中包含個人信息功能和用戶管理功能兩部分。在個人信息頁面用戶可修改自己賬戶的個人信息和密碼。用戶管理界面只對管理員賬戶可見，管理員可對系統中所有賬戶進行增刪改查，包括對其他用戶信息進行修改，并且可以停用賬戶，但默認管理員（ID 為1）的關鍵參數不可修改，也不可刪除。圖10展示了設置模塊的用戶管理界面應用，普通用戶可以管理自己的個人信息，而管理員可以管理所有用戶的信息。

圖10 設置功能模塊

5 結 語

農業大棚的生產和管理方式正在發生轉變，基于信息技術發展現代農業已經成為趨勢。本文設計的農作物生長監控平臺，既可以幫助用戶以視頻方式查看作物的圖像參數，也可以幫助用戶監測溫室大棚的各項環境數據，如環境溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、pH 值等參數的實時或歷史數據及其折線圖。通過觀察這些數據變化，做出設備調整應對策略，對相應的設備進行管理控制從而改變這些環境指標，為大棚內的農作物提供更適宜的生長環境，提高農業大棚現代化生產管理水平。本文依據物聯網架構構建了系統體系；基于MVVM 模式的Vue+SpringBoot 技術框架，開發了前后端分離系統，并實現了TCP 與UDP 的雙層服務器運行模式。搭建的B/S 系統具有響應速度快、擴展性強、易于升級維護、界面美觀的優點。

注：本文通訊作者為劉斌。