“物聯(lián)網(wǎng)+云平臺(tái)”技術(shù)在人工氣候室管理中的應(yīng)用研究

摘 要：為加強(qiáng)高校人工氣候室的技術(shù)管理水平，本文通過(guò)“物聯(lián)網(wǎng)+云平臺(tái)”技術(shù)，構(gòu)建了統(tǒng)一數(shù)據(jù)查看和圖像采集的智能信息服務(wù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工氣候室硬件監(jiān)測(cè)的數(shù)字化高效管理。在科研服務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，人工氣候室的使用者和管理者可以在任何地點(diǎn)通過(guò)智能手機(jī)APP或辦公電腦登錄云平臺(tái)即時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行情況、歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)作物生長(zhǎng)情況，管理效率得到顯著提升。實(shí)踐證明，該項(xiàng)研究效果顯著，大幅提高了人工氣候室的科研和管理效率，把高校科研服務(wù)數(shù)字化水平提升到新的高度，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；云平臺(tái)；人工氣候室；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；PLC；傳感器

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）02-00-03

0 引 言

高等院校的人工氣候室模擬了植物生長(zhǎng)的自然環(huán)境條件，是植物學(xué)、園藝學(xué)等生物類學(xué)科科研的重要設(shè)施，其能模擬自然環(huán)境溫度、濕度、光照等要素的變化，在科研服務(wù)領(lǐng)域至關(guān)重要，是解決生命、化學(xué)及相關(guān)學(xué)科科研問(wèn)題的重要手段[1]。

2013年，國(guó)家發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確了發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)思想，提出了階段性發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)不斷發(fā)展，其技術(shù)體系逐漸趨于成熟并被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，這使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于人工氣候室的管理成為可能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是將信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等融合的新型技術(shù)，已被應(yīng)用于植物生長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可對(duì)人工氣候室的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理分析，實(shí)現(xiàn)人工氣候室管理的智能化，從而提高人力物力的利用率，不斷提高高校的科學(xué)研究效率[3-6]。趙榮陽(yáng)[7]、樊艷英[8]、王萍[9]等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如大豆、玉米生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得突破性成功。實(shí)踐表明，在溫室大棚的管理中，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能采集作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，傳送至管理人員的手機(jī)終端，大大提高人力管理的效率，使作物生長(zhǎng)在最佳環(huán)境條件下，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量[10]。目前基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的人工氣候室管理方面的研究還未見報(bào)道，大多人工氣候室的監(jiān)測(cè)采用傳感器監(jiān)測(cè)加顯示屏顯示。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，現(xiàn)代化智能控制管理系統(tǒng)對(duì)人工氣候室進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)非常必要[11-12]。

本研究從人工氣候室的管理和科研實(shí)際需求出發(fā)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種基于多種傳感器監(jiān)測(cè)、高清攝像頭實(shí)時(shí)視頻、數(shù)據(jù)采集與傳輸和氣候室云平臺(tái)的完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案—“物聯(lián)網(wǎng)+氣候室云平臺(tái)”技術(shù)方案，管理人員或科研使用人員可以通過(guò)電腦打開Web網(wǎng)頁(yè)端或手機(jī)APP，登錄平臺(tái)即可看到所有在用設(shè)備的運(yùn)行狀況，還可查看歷史記錄并控制設(shè)備，特別是可以通過(guò)高清視頻隨時(shí)了解作物的生長(zhǎng)情況，便于作出科學(xué)決策[13-14]。此舉可以顯著提高人工氣候室的科研水平和管理水平，更好地支撐科學(xué)研究。

1 人工氣候室管理現(xiàn)狀分析

1.1 人工氣候室管理現(xiàn)狀

每間氣候室工作環(huán)境要求不一樣，專業(yè)性強(qiáng)、管理難度大；人工巡查不到位，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，控制系統(tǒng)得不到24小時(shí)監(jiān)護(hù)；門、開關(guān)均為人工操作，增加了工作量；控制系統(tǒng)設(shè)備故障無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)發(fā)育不良甚至死亡；室內(nèi)實(shí)際溫度及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)采集，在植物生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)法體現(xiàn)過(guò)程溫度、濕度、光照、二氧化碳等，植物生長(zhǎng)環(huán)境得不到保障。人工氣候室的數(shù)據(jù)采集均采用人工手段完成，一般只能對(duì)少量類型，分時(shí)間段，特定的信息進(jìn)行采集。

1.2 提升人工氣候室管理水平的必要性

從科研服務(wù)的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)植物種植的人工氣候室環(huán)境（溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再結(jié)合圖像、視頻等，通過(guò)“物聯(lián)網(wǎng)+云平臺(tái)”提升科研服務(wù)水平。人工氣候室智能管理系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)采用“物聯(lián)網(wǎng)+云平臺(tái)”模式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度、二氧化碳、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)傳送到云平臺(tái)，通過(guò)終端設(shè)備（手機(jī)、電腦）滿足師生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、完整的存儲(chǔ)和管理要求，便于管理員及時(shí)了解設(shè)備狀態(tài)，還可對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，針對(duì)潛在故障及時(shí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化高效管理。

2 “物聯(lián)網(wǎng)+氣候室云平臺(tái)”設(shè)計(jì)方案

2.1 關(guān)鍵技術(shù)原理

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的網(wǎng)絡(luò)，是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)用延伸和拓展，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間的信息交互，便于進(jìn)行智能化識(shí)別和管理。應(yīng)用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展核心。本研究中，通過(guò)接入高速校園網(wǎng)，將人工氣候室中的各環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)傳遞到終端瀏覽設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人工氣候室的智能數(shù)字化遠(yuǎn)程管理。

2.1.2 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是從自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中獲取信息，并進(jìn)行處理識(shí)別和轉(zhuǎn)化輸出的一門多學(xué)科交叉的現(xiàn)代信息技術(shù)。傳感器能感知環(huán)境，如光強(qiáng)度、溫濕度、氣體濃度等，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，供PLC識(shí)別和讀取，可用多種傳感器監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的各環(huán)境參數(shù)。本系統(tǒng)采用多種智能傳感器，包括溫度傳感器、濕度傳感器、光強(qiáng)度傳感器、CO2傳感器和視頻傳感器等。

2.1.3 PLC 技術(shù)

PLC控制器是具有微處理機(jī)的數(shù)字電子設(shè)備，是用于自動(dòng)化控制的數(shù)字邏輯控制器，可將控制指令隨時(shí)加載于內(nèi)存儲(chǔ)存與執(zhí)行。PLC技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，可取代由眾多繼電器組成的電路控制器，建立遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。PLC控制器是一種新型工業(yè)控制裝置，經(jīng)過(guò)編程的PLC控制器，用戶能夠按照自己的需要自行編輯相應(yīng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的自動(dòng)化生產(chǎn)功能。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

“物聯(lián)網(wǎng)+氣候室云平臺(tái)”總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。“物聯(lián)網(wǎng)+氣候室云平臺(tái)”總體設(shè)計(jì)框架由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層組成。感知層用于識(shí)別物體、采集信息、收集數(shù)據(jù)。其由連接各人工氣候室內(nèi)外的多種環(huán)境參數(shù)傳感器和相連的室內(nèi)外攝像頭等組成。溫度傳感器、濕度傳感器、光強(qiáng)度傳感器和視頻傳感器等用來(lái)采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)。感知層就如人的皮膚和五官。網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行信息傳遞和處理，是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦，其由主控設(shè)備觸摸屏、PLC和氣候室數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、路由器等組成，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)連入氣候室云平臺(tái)。平臺(tái)層是人工氣候室云平臺(tái)。應(yīng)用層是安裝在手機(jī)、平板電腦或桌面電腦上的應(yīng)用程序，能提供遠(yuǎn)程顯示或操控，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和分析等。本設(shè)計(jì)采用手機(jī)和電腦作為遠(yuǎn)程終端，科研管理人員可通過(guò)合作公司研發(fā)的“云聯(lián)物通”APP實(shí)時(shí)觀測(cè)人工氣候室內(nèi)作物生長(zhǎng)情況，監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、光強(qiáng)度等。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人工氣候室智能數(shù)字化遠(yuǎn)程管理。

3 構(gòu)建“物聯(lián)網(wǎng)+氣候室云平臺(tái)”人工氣候室

3.1 人工氣候室云平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)

人工氣候室管理云平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括登錄首頁(yè)、設(shè)備監(jiān)控、在線視頻、歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備地圖、報(bào)警消息等功能模塊。

登錄首頁(yè)：用戶通過(guò)用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，進(jìn)入主界面，管理者登錄后，可以看到所有設(shè)備，并可分組顯示以便管理。

設(shè)備監(jiān)控：顯示人工氣候室的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（溫度、濕度、光照、新風(fēng)、壓縮機(jī)狀態(tài)等），同時(shí)可以切換到歷史數(shù)據(jù)、在線視頻、報(bào)警消息、設(shè)備地圖等。

在線視頻：用戶通過(guò)高清攝像頭可以實(shí)時(shí)查看作物的生長(zhǎng)情況。

歷史數(shù)據(jù)：用戶可以查詢某一時(shí)段的數(shù)據(jù)并導(dǎo)出。

報(bào)警消息：實(shí)時(shí)推送故障情況，以便管理者及時(shí)處理。

3.2 系統(tǒng)安裝與調(diào)試

3.2.1 物聯(lián)網(wǎng)硬件的安裝

在原有設(shè)備（PLC、觸摸屏、傳感器等）的基礎(chǔ)上根據(jù)距離及氣候室的規(guī)模安裝一定數(shù)量的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)；每間氣候室根據(jù)需要安裝1個(gè)或多個(gè)高清攝像頭，通過(guò)云平臺(tái)支持巡視、焦距拉伸、旋轉(zhuǎn)、照相等功能。安裝無(wú)線路由器，連接總線。

3.2.2 氣候室云平臺(tái)軟件的設(shè)置

選擇符合功能設(shè)計(jì)的專業(yè)云平臺(tái)提供商，建立具有氣候室特點(diǎn)的管理云平臺(tái)，要求具備分組顯示、地圖顯示等功能。

3.3 軟硬件調(diào)試并運(yùn)行驗(yàn)證

對(duì)原有人工氣候室硬件進(jìn)行梳理及兼容性調(diào)查，新增硬件（物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、路由器、高清攝像頭等）并安裝連接；氣候室云平臺(tái)與物聯(lián)網(wǎng)硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、分析和顯示，界面優(yōu)化，功能擴(kuò)展。在此云平臺(tái)的支持下將能實(shí)現(xiàn)多用戶不同權(quán)限使用、全面采集數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)分析、查看歷史記錄、地圖定位追蹤、報(bào)警推送與記錄、高清視頻實(shí)時(shí)顯示植物生長(zhǎng)情況等。

4 結(jié) 語(yǔ)

在現(xiàn)有人工氣候室控制系統(tǒng)（通常具有傳感器、觸摸屏和PLC）的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、路由器、高清攝像頭等硬件，同時(shí)構(gòu)建人工氣候室云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云平臺(tái)的完美結(jié)合。管理者可以在任何地點(diǎn)通過(guò)智能手機(jī)APP或辦公電腦登錄云平臺(tái)即可查看設(shè)備運(yùn)行情況、歷史數(shù)據(jù)和作物的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)情況，大大方便了科研人員和管理人員，管理效率得到明顯提升。將“物聯(lián)網(wǎng)+氣候室云平臺(tái)”技術(shù)運(yùn)用在氣候室的管理和科研服務(wù)上，必將使設(shè)備管理和科研服務(wù)邁上一個(gè)新臺(tái)階。

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