基于邊緣計算與農業物聯網的溫室監測系統設計與實現

摘 要 針對溫室作業環境分散復雜＼監控系統不易進行大規模部署等問題，設計一種基于邊緣計算與農業物聯網的溫室環境監測系統（GEMS）。1）在建立邊緣計算與農業物聯網相互融合的系統體系構架基礎上，對溫室環境監測系統的上位機、下位機進行需求建模。2）根據需求模型對上、下位機進行詳細設計。上位機包括后臺管理、實時監測、歷史數據查詢和數據分析等模塊。下位機系統是由Arduino與多種環境傳感器組成的數據采集模塊、采用LoRa技術實現數據無線傳輸的通信模塊、能對采集數據進行預處理的邊緣計算模塊和實現各節點間相互通訊的網關模塊組成。3）基于B/S架構，采用Django Web框架、WebSocket協議、Ajax技術實現GEMS原型系統。

關鍵詞 農業物聯網；邊緣計算；溫室環境監測系統；Django Web框架；嵌入式系統

中圖分類號：TP399 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.17.056

目前，我國農業生產正朝著現代化、智能化、規模化的方向發展，邊緣計算與農業物聯網作為智慧農業生產的關鍵技術被廣泛使用[1]。在實際應用中，溫室作業環境分散，不易進行大規模監測控制系統的分配部署[2-3]。同時，由于萬物互聯所產生的數據量激增，導致計算資源的延遲問題越來越嚴重。因此，應用邊緣計算和農業物聯網技術開發一套溫室環境監測系統十分必要。

在農業領域中物聯網技術的應用研究不斷增多，使得農業物聯網技術逐漸成熟[4]。Mancuso等通過RTD24模塊實現了對西紅柿栽培過程中，環境信息的無線采集[5]。Morais等通過布設太陽能傳感器節點來對每個區域內的環境因素進行采集，將數據以RF鏈路方式傳輸到數據中心，從而實現對葡萄種植區域內數據的高效采集和無錯誤傳輸[6]。Park等基于ZigBee技術設計了一個能采集空氣溫濕度、葉片溫濕度數據，并能通過網關節點自動對溫室內的溫濕度進行調控的監測系統[7]。我國首個智慧溫室在北京市通州區投產后，溫室的發展經歷了改良型日光溫室、大型玻璃溫室和現代化溫室3個階段[8-9]。隨后，我國進入了設施農業高速發展時期[10-11]。特別在邊緣計算與物聯網的推動下，溫室環境監測系統的發展實現了質的飛躍。王環宇等研究了物聯網技術在溫室中的應用，提出了溫室智能化設計方案[12]。段鋒銳從節能角度出發，設計了一套可節能92.06%的溫室環境監測系統[13]。王良帆基于CC2530感知器和STM32控制器，研發了能夠全面采集和存儲生長環境參數，并能監控和調節植物生長條件的遠程監控系統[14]。汪靜波設計了基于邊緣計算的蟲害圖像和環境數據采集終端，通過樹莓派完成蟲害圖像、環境數據的采集，異常數據的處理，減少了無效數據的傳輸，節約了網絡資源，緩解網絡了壓力，保證了數據的魯棒性[15]。

溫室環境監測系統快速發展的同時，也暴露出很多問題。例如：對溫室環境信息的感知缺乏準確性[1]；信號傳輸依然以有線通信為主；監測系統搭建多采用C/S架構，升級維護成本高；上層應用軟件人機交互性差等[16-19]。再加之農業環境的復雜性，傳感器采集的數據會參雜很多噪音，耗費大量網絡資源和云端資源，造成網絡堵塞和數據傳輸中斷。針對上述問題，本文提出了基于邊緣計算與農業物聯網的溫室環境監測系統（Greenhouse Environment Monitoring System Based on Edge Computing and Agricultural Internet of Things，GEMS）研究。在將邊緣計算與農業物聯網技術相互融合的基礎上，構建了包含物聯網感知層、傳輸層、邊緣計算層、應用層的系統體系構架。在此構架下對系統上、下位機進行需求建模和詳細設計。下位機系統是由Arduino與多種環境傳感器組成的數據采集模塊、采用LoRa技術實現數據無線傳輸的通信模塊、能對采集數據進行預處理的邊緣計算模塊和實現各節點間相互通訊的網關模塊組成。上位機包括了后臺管理、實時監測、歷史數據查詢和數據分析等模塊。最后，基于B/S架構，采用Django Web框架、WebSocket協議、Ajax技術來實現GEMS原型系統。

1" 溫室環境監測系統總體設計

1.1" 基于邊緣計算與農業物聯網的體系架構

本文提出了一種基于邊緣計算與農業物聯網的系統體系架構（如圖1），其將上位機、下位機、邊緣計算與物聯網相融合，使得整個構架具有良好的穩定性、操控性和可維護性。該構架是由物聯網感知層、傳輸層、邊緣計算層、應用層組成。物聯網感知層通過各類傳感器、控制器，實現對監測物理信息的獲取。傳輸層包含各類通信網絡，通過有線或無線方式實現系統數據傳輸。邊緣計算層提供對數據的預處理、壓縮、暫存、前端調控、網絡通信管理，是整個體系構架的核心組件。應用層提供了互聯網、移動網和其他物聯網的接入，同時面向特定領域的應用，為用戶提供可視化的交互平臺。

1.2" 系統需求建模

需求建模的過程就是用例的獲取過程，通過UML用例圖來實現對系統需求建模。

1.2.1" 下位機需求建模

溫室環境監測系統的下位機包括數據采集模塊、無線通信模塊、網關模塊和邊緣計算模塊。數據采集模塊以溫室中空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環境因子作為監測對象。無線通信模塊要滿足自組網、定點傳輸、廣播傳輸、信道監聽和遠距離傳輸的功能需求。網關模塊能依據上位機需求，選擇上傳的節點信息或屏蔽對節點信息的接收。邊緣計算模塊具有數據處理和存儲能力，能對采集數據進行去噪、壓縮和處理。通過對圖像數據壓縮，來減輕上位機的數據處理壓力及數據上傳時的網絡負荷。還能搭載輕量級神經網絡算法對圖片進行分析，去除異常圖片。同時，能對遠端的采集設備進行自動調控和網路通信管理，使采集設備具有更強的環境適應力。圖2為下位機的用例模型。

1.2.2" 上位機需求建模

溫室環境監測系統的上位機由后臺管理模塊、實時監測模塊、歷史數據查詢模塊和數據分析模塊等組成（見圖3）。系統將用戶角色分為系統管理員和操作用戶。系統管理員享有最高權限，操作用戶首先需要注冊、授權后方可登錄系統進行相關操作。后臺管理模塊只對系統管理員開放權限，該模塊可以對用戶、節點和設備進行管理。實時監測模塊可接收下位機上傳的數據，將數據保存到數據庫并以圖表的形式實時展示在前端界面。歷史查詢模塊可對歷史監測數據進行查詢。數據分析模塊提供了一種可自定義結構的神經網絡模型。

1.3" 系統功能模塊設計

在對上下位機功能需求分析的基礎上，設計了溫室環境監測系統的主要功能模塊（見圖4）。下位機由數據采集模塊、無線通信模塊、網關模塊和邊緣計算模塊組成。上位機包括了后臺管理模塊、實時監測模塊、歷史數據查詢模塊和數據分析模塊。

2" 溫室環境監測系統上下位機設計

2.1" 下位機系統設計

根據下位機系統需求分析進行詳細設計，其整體架構如圖5所示。下位機以樹莓派為邊緣計算網關，并將Arduino UNO單片機作為數據采集模塊的控制單元。數據采集模塊包含了溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照強度傳感器、二氧化碳傳感器等采集節點，與控制單元、LoRa無線通信模塊和網關組成無線傳感網絡。網關負責監聽各傳感器節點的LoRa信道，樹莓派對采集信息進行處理，再基于MQTT協議將數據發布到MQTT代理中，以便上位機采用訂閱的方式獲取下位機的發布數據。

2.2" 上位機系統設計

上位機系統采用如圖6的B/S架構，分為前端、后端和數據庫3個部分。上位機系統開發使用Django Web框架，通過集成Channels庫使其支持WebSocket等全雙工通信協議，從而實現實時監測信息的可視化功能。前端通過HTML、CSS、JavaScript、JQuery等技術開發各模塊接口界面，可向服務器發送靜態、動態請求與產生信息交互，后端由Web服務器和Web框架組成。服務器使用的是Django Web框架自帶的輕量級Web服務器。

2.2.1" 后臺管理模塊動態結構模型

后臺管理模塊包括用戶信息管理、節點信息管理和設備信息管理功能（見圖7）。系統管理員在登錄后臺管理站點后，可根據實際需求對普通用戶進行增加、刪除、修改、查詢、權限等操作。還能對節點信息和設備信息進行管理操作，并就其關聯的數據信息進行查詢。所有操作均需與服務器、數據庫產生信息交互。

2.2.2" 實時監測模塊動態結構模型

根據實時監測模塊需求分析，設計模塊工作時序（見圖8）。該模塊采用Ajax輪詢和WebSocket協議的通信方式[20]為用戶提供了實時數據的可視化顯示。模塊包含綜合監測頁面、空氣溫度頁面、空氣濕度頁面、土壤濕度頁面和光照強度頁面。用戶在瀏覽器端選擇需要監測的節點，并向服務器發出開始采集命令后，服務器與瀏覽器建立WebSocket連接，再向瀏覽器推送環境因子實時信息的同時與數據庫進行交互，將數據保存進入數據庫。

2.2.3" 歷史數據查詢模塊動態結構模型

歷史數據查詢模塊工作時序：用戶確定查詢的起止時間，選擇查詢節點，在對環境因子進行選擇后，瀏覽器通過Ajax向后臺服務器請求數據，服務器對數據庫查詢后，將數據返回給歷史數據界面（見圖9）。

2.2.4" 數據分析模塊動態結構模型

數據分析模塊的數據處理時序：首先，用戶需要在算法訓練界面設置輸入層、隱含層、輸出層、訓練次數、學習率等基本網絡參數，然后設置樣本特征數、目標值和樣本數量等網絡訓練基本參數。填入詳細數據后，提交到服務器，對后臺的算法模型進行構建并進行訓練，后臺將訓練的結果返回給前端（見圖10）。

3" 系統實現

根據前面所述對基于邊緣計算與農業物聯網的系統軟件體系結構模型研究，再基于B/S架構，采用集成Channels庫的Django Web框架、WebSocket協議、Ajax輪詢技術和MySQL關系型數據庫等工具來實現GEMS原型系統（見圖11）。通過程序開發、軟件調試、軟件測試等驗證了該原型系統的有效性。

4" 結論

本文采用了邊緣計算和農業物聯網技術，在UML的支持下，構建了基于邊緣計算與農業物聯網的溫室環境監測系統軟件體系模型。該模型使得基于Web的溫室環境監測系統模式得以有效實現，同時使系統具有較好的復用性、可擴展性。最后，采用Django Web框架、WebSocket協議、Ajax輪詢技術等技術來實現了WEMS原型系統。對軟件全生命周期的可視化建模，有效地降低了開發的風險和成本，極大地提高了開發效率，對針對特定領域軟件的開發具有很好的實踐意義。

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（責任編輯：敬廷桃）

基金項目：云南省綠色食品牌項目。

作者簡介：普金安（1973—），本科，高級農藝師，從事經濟作物栽培。

*為通信作者，E-mail：29545343@qq.com。