段萍 高雪 朱志輝

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚管理效率低下的問題，在此設(shè)計(jì)一套基于云服務(wù)的大棚溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在大棚監(jiān)控區(qū)域內(nèi)設(shè)置檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采用樹莓派為核心控制板，利用MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)DHT11模塊對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)溫濕度環(huán)境參數(shù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存放在云服務(wù)器當(dāng)中進(jìn)行分析。同時(shí)管理人員可以通過監(jiān)控客戶端的上位機(jī)觀測(cè)到分析結(jié)果，并對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行反饋控制，通過這樣的遠(yuǎn)程監(jiān)控方式可以使大棚內(nèi)的農(nóng)作物一直處在適宜狀態(tài)的生活環(huán)境中。經(jīng)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行正常，切實(shí)可行，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要。

關(guān)鍵詞： 云服務(wù)； 樹莓派； MQTT協(xié)議； 遠(yuǎn)程監(jiān)控； 農(nóng)業(yè)大棚管理； 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)

中圖分類號(hào)： TN948.64?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）14?0178?04

Research of greenhouse temperature and humidity remote monitoring

system based on cloud service

DUAN Ping， GAO Xue， ZHU Zhihui

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300132， China）

Abstract： In allusion to the problem of low management efficiency of the traditional agricultural greenhouse， a greenhouse temperature and humidity remote monitoring system based on cloud service is designed. In the system， the detection nodes with the raspberry pi as the core control board are set in the monitoring area of the greenhouse， the MQTT protocol is employed to realize the DHT11 module′s acquisition of temperature and humidity environmental parameters of the monitoring area， and the collected data is stored in the cloud server for analysis. Management personnel can observe the analysis results by monitoring the upper computer in the client terminal， and conduct feedback control of the greenhouse environment. Such a remote monitoring pattern can ensure that the crops in the greenhouse grow in a living environment with suitable conditions. The test results show that the system runs normally， is feasible， and can meet the development requirement of modern agriculture.

Keywords： cloud service； raspberry pi； MQTT protocol； remote monitoring； agricultural greenhouse management； modern agriculture

0 引 言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量對(duì)我國(guó)具有非常重要的意義，但是通過一段時(shí)間的實(shí)際調(diào)研考察，意識(shí)到我國(guó)農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展比較晚，農(nóng)業(yè)大棚的發(fā)展?fàn)顩r還沒有完全智能化，云控制技術(shù)沒有普及到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，致使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下。

將云服務(wù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)控中來(lái)，可以更高效地管理環(huán)境狀況[1?3]。云計(jì)算作為一種全新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式，具有海量存儲(chǔ)、分配計(jì)算、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、系統(tǒng)可靠性高等特點(diǎn)[4?5]。企業(yè)可以通過云計(jì)算的方式在云端構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理分析中心，把數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析等任務(wù)全部交給云端來(lái)完成。

我國(guó)的云服務(wù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用還有待挖掘與普及。農(nóng)民種植蔬菜依然采用傳統(tǒng)方式，保溫措施：冷棚只采用塑料保溫，暖棚在上面加上保溫被等，并配以通風(fēng)口：冷棚一般為一個(gè)通風(fēng)口，處于大棚的最高點(diǎn)位置；暖棚則為兩個(gè)通風(fēng)口，頂端最高點(diǎn)一個(gè)，下邊距離土壤1.5～1.7 m處設(shè)有一個(gè)，兩個(gè)通風(fēng)口之間形成對(duì)流。濕度維持措施則只是人工澆注或依靠降雨。這樣一年四季極易受變換不定的天氣影響。所以我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展也急需一套屬于自己國(guó)家技術(shù)特色的智能化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

本研究則設(shè)計(jì)了一套基于云服務(wù)的大棚溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) [5?7]。使大棚內(nèi)農(nóng)作物免受天氣影響，方便用戶更好更及時(shí)地進(jìn)行管理。系統(tǒng)以溫濕度環(huán)境參數(shù)為例進(jìn)行深入研究。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本系統(tǒng)總共分為3個(gè)層面構(gòu)成：感知層、通信層和控制層[8]。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1） 感知層：利用監(jiān)控節(jié)點(diǎn)中的溫濕度傳感器對(duì)大棚室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，并將獲得的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)傳遞到云端服務(wù)器。

2） 通信層：通信層負(fù)責(zé)把采集上來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云服務(wù)器當(dāng)中，并在云服務(wù)器中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出大棚內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)。

3） 控制層：控制層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程反饋控制。該系統(tǒng)中的控制模式有兩種：人工控制（半自動(dòng)化控制）和全自動(dòng)化控制。當(dāng)遠(yuǎn)程控制界面監(jiān)控到溫濕度數(shù)據(jù)異常時(shí)，會(huì)下發(fā)控制指令到相應(yīng)設(shè)備，報(bào)警指示燈亮并報(bào)警，增加安全保障。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)包括樹莓派開發(fā)板，溫濕度傳感器，一些外接設(shè)備如：報(bào)警器、卷簾機(jī)、暖風(fēng)機(jī)、加濕器等。繼電器采用的是SPD?05VDC?SL?C。本系統(tǒng)以樹莓派開發(fā)板為核心，其裝有溫濕度傳感器模塊，監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫濕度實(shí)時(shí)變化。通過繼電器，外接有各種執(zhí)行設(shè)備。如圖2所示即為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

2.1 核心控制板樹莓派

本系統(tǒng)采用的核心控制板是Raspberry Pi 2 Model B V1.1 用其進(jìn)行溫濕度的數(shù)據(jù)采集，樹莓派具有很強(qiáng)大的功能，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中恰好利用樹莓派的各種便捷強(qiáng)大的功能，其相當(dāng)于電腦的一個(gè)主板，樹莓派除了可以上傳數(shù)據(jù)以外，還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻傳輸，擁有視頻模擬信號(hào)的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，具備所有PC的基本功能。本系統(tǒng)利用樹莓派這一強(qiáng)大功能特點(diǎn)，將樹莓派通過CSI接口與攝像頭相連接，通過MQTT傳輸監(jiān)控視頻到云服務(wù)器，再到上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面中，方便用戶對(duì)大棚內(nèi)情況進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用的是DHT11模塊。該模塊的輸出形式是數(shù)字輸出，樹莓派開發(fā)板能夠直接采集數(shù)字量，所以不用進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，便可用溫濕度傳感器直接接到樹莓派上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?？梢詸z測(cè)周圍環(huán)境的溫度和濕度，濕度檢測(cè)范圍為20%～95%（0～50 ℃范圍），濕度測(cè)量誤差為±5%；溫度測(cè)量范圍是0～50 ℃，溫度測(cè)量誤差為±2 ℃。工作電壓為3.3～5 V。并且該模塊具有可靠性高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、抗干擾性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，所以為大棚溫濕度測(cè)量的最優(yōu)選擇。DHT11模塊與樹莓派的連接：VCC?VCC（+） GND?GND（-） DATA?GPIO。

2.3 攝像頭模塊

攝像頭模塊是樹莓派配套的魚眼攝像頭，感光芯片0V5647，與樹莓派之間通過排線與CSI接口相連接。500萬(wàn)像素，與B型樹莓派完美相融，能錄制30 f/s的1 080 P全高清視頻，可調(diào)焦，170°的視角。普通的樹莓派RPI NOIR攝像頭板，可監(jiān)控視場(chǎng)角只有72.4°。兩者比較取最優(yōu)，魚眼攝像頭更適合在大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)中使用。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的主程序環(huán)節(jié)主要是初始化，溫濕度數(shù)據(jù)采集，通過MQTT上傳數(shù)據(jù)到云服務(wù)器中，在云服務(wù)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理，將處理結(jié)果上傳到上位機(jī)中，上位機(jī)操作界面由LabVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷，在數(shù)據(jù)值異常時(shí)報(bào)警，監(jiān)控中心下發(fā)控制指令，樹莓派接收控制指令。經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析，可以有效地預(yù)測(cè)溫濕度變化趨勢(shì)，及時(shí)地采取措施進(jìn)行控制。通過繼電器電路控制相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行溫濕度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完成的數(shù)據(jù)也實(shí)時(shí)顯示到監(jiān)控中心監(jiān)控界面。反復(fù)執(zhí)行此過程，保持大棚室內(nèi)溫濕度值在可控閾值范圍內(nèi)上下浮動(dòng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總流程圖如圖3所示。

3.1 遠(yuǎn)程終端下位機(jī)溫濕度數(shù)據(jù)采集

在遠(yuǎn)程終端監(jiān)控節(jié)點(diǎn)處，樹莓派主要采集大棚室內(nèi)實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)控中心下達(dá)采集數(shù)據(jù)指令時(shí)，通過WiFi通信模塊，傳達(dá)給下位機(jī)樹莓派開發(fā)板，樹莓派接到指令后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)后，主機(jī)至少拉低18 ms，延時(shí)等待20～40 ?s后讀取DHT11的回應(yīng)信號(hào)，讀取總線為低電平，說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后，再把總線拉高，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。溫濕度傳感器采集室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的主要程序?yàn)椋?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2018/07/27/qkimagesmoetmoet201814moet20181444-3-l.jpg"/>

humidity_bit = data[0：8] //8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)

humidity_point_bit = data[8：16] //8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)

temperature_bit = data[16：24] //8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)

temperature_point_bit = data[24：32] //8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)check_bit = data[32：40] //8bit校驗(yàn)和

humidity = 0 //濕度整數(shù)部分初始值

humidity_point = 0 //濕度小數(shù)部分初始值

temperature = 0 //溫度整數(shù)部分初始值

temperature_point = 0 //溫度小數(shù)部分初始值

check = 0 //校驗(yàn)位初始值

for i in range（8）： //從DHT11讀取一次數(shù)據(jù)

humidity += humidity_bit[i] * 2 * （7?i）

humidity_point+= humidity_point_bit[i] * 2 * （7?i）

temperature+= temperature_bit[i] * 2 *（7?i）temperature_point+=temperature_point_bit[i] * 2 *（7?i）

check += check_bit[i] * 2 *（7?i）

3.2 MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱

應(yīng)用最為廣泛的物聯(lián)網(wǎng)四大協(xié)議是：CoAP協(xié)議，XMPP協(xié)議、HTTP協(xié)議、MQTT協(xié)議。經(jīng)調(diào)查比較可知：CoAP協(xié)議是相互連接設(shè)備數(shù)量受限制的應(yīng)用協(xié)議；XMPP協(xié)議較復(fù)雜、冗余；HTTP協(xié)議的實(shí)時(shí)性差；MQTT協(xié)議簡(jiǎn)潔、可擴(kuò)展性強(qiáng)、速度快、實(shí)時(shí)性好。

綜上考慮，本系統(tǒng)采用的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議是MQTT協(xié)議。MQTT是IBM開發(fā)的一個(gè)即時(shí)通信協(xié)議，MQTT協(xié)議實(shí)際上是一個(gè)客戶端與服務(wù)器端長(zhǎng)連接的過程，是一種發(fā)布/訂閱式的消息協(xié)議，提供一對(duì)多的消息發(fā)布。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端的上位機(jī)界面采用NI公司的LabVIEW軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。LabVIEW軟件提供了很多和現(xiàn)實(shí)實(shí)物相似的控件，用這些控件可以很方便地制作出客戶端監(jiān)控界面，讓操控人員可以更直觀、更方便地監(jiān)控大棚室內(nèi)溫濕度環(huán)境情況。在上位機(jī)軟件中豐富地設(shè)計(jì)添加監(jiān)控客戶端功能，方便其在監(jiān)控界面實(shí)時(shí)接收到室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，并下達(dá)控制指令向各個(gè)執(zhí)行控制節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)軟件界面如圖4所示。

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)主要應(yīng)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1） 攝像頭監(jiān)控功能。在上位機(jī)上用戶可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)觀看通過USB攝像頭上傳過來(lái)的大棚內(nèi)農(nóng)作物的監(jiān)控錄像。方便觀察農(nóng)作物生長(zhǎng)的當(dāng)前狀態(tài)。

2） 用戶管理功能。為了保障系統(tǒng)的安全性，設(shè)置了用戶管理功能，進(jìn)行了權(quán)限設(shè)置。上位機(jī)輸入正確的用戶名和密碼才可以登錄打開遠(yuǎn)程監(jiān)控界面。并且用戶中也設(shè)有管理員和非管理員，非管理員只能進(jìn)行界面上監(jiān)控部分的相關(guān)操作，但不能對(duì)用戶進(jìn)行設(shè)置。而管理員除了可以進(jìn)行監(jiān)控操作外，還可以對(duì)用戶進(jìn)行設(shè)置。這樣在一定程度上對(duì)系統(tǒng)的安全性做了保障。

3） 溫濕度值數(shù)據(jù)庫(kù)查看功能。上位機(jī)上有溫濕度的數(shù)據(jù)庫(kù)操作按鈕，方便用戶對(duì)溫濕度實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、分析。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔。

4） 報(bào)警功能。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，其對(duì)應(yīng)的報(bào)警指示燈亮，報(bào)警警報(bào)聲響起，并會(huì)彈出報(bào)警提示信息及時(shí)對(duì)其作出處理。

5） 執(zhí)行設(shè)備調(diào)節(jié)功能。在用戶監(jiān)控界面設(shè)有節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備的操控按鈕，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)處的報(bào)警響起時(shí)，用戶便可以通過旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的控制設(shè)備操控按鈕來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

4 實(shí) 驗(yàn)

切實(shí)去監(jiān)測(cè)了天津地區(qū)3月初番茄暖棚內(nèi)外一天24 h的溫濕度變化，此時(shí)番茄恰好處于一個(gè)剛開花的階段，屬于生長(zhǎng)期。番茄暖棚走向?yàn)闁|西走向。暖棚內(nèi)空氣溫濕度傳感器DHT11放在距離棚門10 m，距離土壤高度1.5 m左右的空間位置去測(cè)量整個(gè)大棚內(nèi)的空氣溫濕度值，并掛有溫濕度計(jì)方便現(xiàn)場(chǎng)查看。進(jìn)行一天24 h的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，觀察一天內(nèi)的數(shù)據(jù)變化情況，將監(jiān)測(cè)上來(lái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地上傳到云服務(wù)器，并實(shí)時(shí)寫入云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，可方便進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查看。由于是在云控制領(lǐng)域內(nèi)的研究，所以很好地展現(xiàn)了云服務(wù)極大的優(yōu)勢(shì)，可以不受時(shí)間限制，不受空間限制地去監(jiān)控，并具有幾乎0延時(shí)的實(shí)時(shí)性，不管用戶在任何地方，只要打開手機(jī)APP或筆記本電腦，打開發(fā)布的鏈接，均可訪問到監(jiān)控界面，查看數(shù)據(jù)，監(jiān)控實(shí)時(shí)情況。大棚里果蔬需要的環(huán)境條件非常的苛刻，這也就促進(jìn)了如今現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，智能化監(jiān)控，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量[9]。實(shí)際調(diào)研了暖棚內(nèi)番茄培育的合適的溫濕度值閾，如表1，表2所示。

通過番茄暖棚內(nèi)外溫濕度數(shù)據(jù)對(duì)比，也證實(shí)了該系統(tǒng)的實(shí)用性、正確性[10]。下面是監(jiān)測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)以及變化曲線圖。溫濕度分別各測(cè)了3組數(shù)據(jù)：大棚室內(nèi)溫濕度，大棚室外溫濕度，加入控制系統(tǒng)后的室內(nèi)外溫濕度。然后將3組數(shù)據(jù)與理想狀態(tài)值做對(duì)比，見圖5、圖6。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三種功能：能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度環(huán)境參數(shù)的智能控制，保證農(nóng)作物始終處在一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境中，免于遭受外界環(huán)境條件的影響；上傳到云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，不受時(shí)間空間限制去進(jìn)行智能監(jiān)控；設(shè)置人機(jī)交互，操作簡(jiǎn)單方便直觀。系統(tǒng)還設(shè)置了報(bào)警設(shè)備，能夠增加安全性。系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制模式，可以上傳數(shù)據(jù)信息，同時(shí)又可下發(fā)控制指令到相應(yīng)調(diào)節(jié)設(shè)備，具有雙向性。該系統(tǒng)的實(shí)用性通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到了驗(yàn)證。其在大棚領(lǐng)域的應(yīng)用是對(duì)云控制的一個(gè)應(yīng)用研究，云控制技術(shù)的發(fā)展很大程度地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)邁向現(xiàn)代化，促進(jìn)了農(nóng)作物產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步都有極大的促進(jìn)作用。并且后期可以對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，加入土壤濕度傳感器、光照傳感器、氣體傳感器等多種傳感器，進(jìn)行更全方位監(jiān)控。

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