基于云平台的棚室环境远程监控系统

２０１７年第２期　（总第９９期）　牡丹江师范学院学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｕｄａｎｊｉａｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ＮＯ．２，２０１６　Ｔｏｔａｌ　ＮＯ　９９　文章编号：１００３—６１８０（２０１７）０２—０００６　０５　基于云平台的棚室环境远程监控系统　谭　峰　，薛龄季轩，姜　珊，李　冬，冷小梅　（黑龙江八一农垦大学信息技术学院．黑龙江大庆】６３３１９）　摘　要：设计一款棚室作物生长环境远程监控系统．通过采集器采集和整合棚室内传感器采集的实时环境　参数与作物生长影像，由无线路由上传至云平台，管理者在任何可上网的地点，通过手机或电脑登　录云平台界面，就可以监测和管理棚室内的环境，远程控制棚室的卷帘、喷灌以及其他控制阀门　等．设计解决了传统人工监控费时费力和有线监控布线复杂、维护困难的局限性，提高了农业信息　化水平．　关键词：云平台；棚室；远程监控；作物生长环境　［中图分类号］ＴＰ３９２　［文献标志码］Ａ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃｌｏｕｄ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ＴＡＮ　Ｆｅｎｇ，ＸＵＥ　Ｌｉｎｇ－ｊｉｘｕａｎ，ＪＩＡＮＧ　Ｓｈａｎ，ｉ．Ｉ　Ｄｏｎｇ，ＬＥＮＧ　Ｘｉａｏ—ｍｅｉ　（（；ｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｂａｙｉ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｑｉｎｇ　１６３３１９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｈａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａ　ｒｅｍｏｔｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｃｒｏｐ　ｇｒｏｗｔｈ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．．Ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｃｏｕｌｄ　ｃｏｌｌｅｃｔ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｃｒｏｐ　ｇｒｏｗｔｈ　ｉｍａｇｅｓ，ｕｐｌｏａｄｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｌｏｕｄ　ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｍａｎａｇ—　ｏｒｓ　ｗｈｏ　ａｒｅ　ｉｎ　ａｎｙ　ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ａｎｄ　ｍａｎａｇｅ　ｔｈｅ　ｉｎｄｏｏｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｒｅ—　ｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｓｈｕｔｔｅｒ，ｓｐｒｉｎｋｌｅｒ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｐｈｏｎｅ　ｏｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｌｏｇｉｎ　ｃｌｏｕｄ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｈａｓ　ｓｏｌｖｅｄ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｓｕｃｈ　ｔｈａｔ　ｗａｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｏｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍａｎｕａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ　ｏｆ　ａｂｌｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｗｉｒｉｎｇ，ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｌｅｖｅ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｌｏｕｄ　ｐｌａｔｆｏｒｍ；Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ；Ｒｅｍｏｔｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；Ｃｒｏｐ　ｇｒｏｗｔｈ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　棚室是一个半开放的系统，它实时和外界发　生着物质和能量的交换，如果没有相应的监控手　段，环境变化很难满足作物生长的需要，因此对棚　室环境进行合理监测和控制，是提高作物产量和　收稿日期：２Ｏ１６—１０－１　５　基金项目：国家科技支撑项目（２０１４ＢＡＤ０６Ｂ０１）；黑龙江省自然科学基金项目（Ｆ２０１３２９）；黑龙江八一农垦大学研究生创新科研项目　作者简介：谭峰（１９７２－），男，黑龙江绥化人．教授，博士，主要从事智能化农业信息处理研究；薛龄季轩（１９９２一），男黑龙江大庆人．硕　，通讯作者：谭峰　Ｉｔ，主要从事农业信，ｇｆｇＮＹｔ：；姜珊（１　９９１一），女．辽宁绥巾人．硕士，主要从事农业电气化与自ｆｌＪＣｇＮ究．　２０１７血　谭峰，等：基于云平台的棚室环境远程监控系统　第２期　品质的关键．棚室环境远程监控是一项综合性技　集终端由各类精密传感器组成，与采集器相连，实　时采集棚室内部环境参数．处理整合后，无线传输　至阿里云服务器并在数据库存储，控制终端为通　用电机和阀门．　１．２工作原理　术，随着计算机技术的广泛应用，充分利用信息技　术对棚室环境进行自动监测和调控，营造适宜的　作物生长环境，准确及时地掌握环境数据，并根据　实时监测的数据，实时预测作物生长情况，建立精　准、有效的棚室监测和综合控制系统．本文针对农　业棚室对远程智能化监控的需求，将云平台技术、　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术、ｓｏｃｋｅｔ远程通信技术、传感器感知　采用适合北方棚室的实时环境传感器，利用　ＲＳ４８５串行通信，将数据实时采集到中央采集器．　技术、计算机控制技术和数据存储技术结合起来，　根据棚室监控的特点，研究基于云平台的远程监　控方法，开发支持云平台的智能监控器、远程数据　中心和实时棚室远程监控系统，结合移动通信和　数据宽带构建全网通的数据通信链路，实现实时　对棚室环境进行监测与控制的目的．　１　系统总体设计及工作原理　１．１总体设计　棚室远程监控系统的功能主要是远程监控棚　室现场．系统通过传感器对多个棚室的温度、湿　度、光照、二氧化碳浓度等环境因素进行监测，通　过相关设备和阀门对这些环境因素进行控制，从　而达到为作物生长创造有利环境的目的，为作物　生长研究积累宝贵数据．　盥　■童现场　ｌ　舷业壤音量务孵蛄ｌ　ｌ手帆，蚺脯蛐客户－　甩　屡　ｌ生　蜊ｌ　ｌ髓　・监蔫ｌ　ｌ作蕾　黼ｌ　ｌ生长张雌ｌ　囊　鼻　ｉ　ｔ据库ｌｃ麓Ｉ　Ｉ数姑中心Ｉ　Ｉ吏・　Ｉ　存　■　与吏掉屡　　庳鼍量■投辊藏簸　岸　嚣俄托坷照　平竹　。　Ｉ　圈囡　檐　●　ｌ电信、穆ｌ　Ｊ　ｌ　崖　ｌ　７４　ｌ一　■　如　晨　土壤承由　±壤　●生内飘鼍度　先糕　■崖．尊土囊信　＝氯亿蕞锋玮奠信曩＃　俸雌和髟●纂集　长税囊　■‘知　知　图１系统总体设计　系统由数据采集终端、远程通讯传输、阿里云　平台和控制终端四部分组成，总体框架见图１．采　数值由ＪＭ１２８６４显示，采集器将数据经由　ＲＳ２３２／４８５模块转换传输到工业３Ｇ／４Ｇ无线路　由，再发送至云平台存储，见图２．工作人员可通　过观看实时数据和影像来控制棚室内电机和阀　门，调节棚室内最适宜的生长环境．本系统是一个　成本低、实用性高的远程监控系统，可在种植过程　中实现现场观看数据调控和异地远程监测调控双　模式监控．　图２系统工作原理　２　系统硬件设计　２．１系统硬件结构　本系统硬件由四部分组成，分别为传感器部　分、智能采集部分、远程传输部分以及控制部分．　棚室内有三组采集传感器同时对棚内的环境温度　和湿度、二氧化碳浓度、光照强度、土壤温度和湿　度进行采集．传感器采集到的数据，直接由数字信　号传输到单片机上，再由单片机整合后经过　ＲＳ２３２／４８５协议转换，到达３Ｇ无线路由器发送　至云平台．　２．２传感器感知部分　环境温湿度、光照和二氧化碳传感器　采用　瑞士ＳＥＮＳＩＲＩＯＮ推出的ＳＨＴＸＸ数字传感器，　・　７　。　２０１７年　牡丹江师范学院学报（自然科学版）　第２期　对棚室内的空气温湿度、光照强度以及二氧化碳　浓度进行实时监测．ＳＨＴＸＸ数字传感器全量程　标定，两线数字接口，可与单片机直接相连；体积　小、低功耗、响应快、耐热防潮，可克服传统模拟式　传感器不稳定和误差大等问题．采用百叶箱型外　壳封装，防水且透气，监测数据稳定，抗干扰能力　强，可在棚室内长期稳定工作．　土壤温度传感器　采用ＴＡＭ一１８Ｂ２０—８Ｌ多　路温度采集模块和ＤＳ１８Ｂ２０数字温度传感器，采　集距地５，１０，１５厘米的土壤温度．传感器接线方　便，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度　高的特点，拥有独特的单线接口方式，采集到的土　温信息在与采集模块连接时仅需一条口线即可实　现通讯，测量结果以９～１２位数字量方式串行传　送，测温范围精度为一５５～１２５℃，工业级　ＤＳ１８Ｂ２０传感器可稳定运行．　土壤湿度传感器ＨＳＴＬ一１０ＳＴＲ是一款精　密度高且可靠性强、对于土壤质地影响不明显的　快速土壤水分测量传感器，采用ＲＳ４８５工业通用　接口，其性能和精度与ＴＤＲ型和ＦＤ型土壤水分　传感器拥有可比性，并在可靠性与测量速度上占　更大的优势，拥有较长的使用寿命．　２．３数据采集部分　数据采集模块与各传感器采用有线方式连　接，采集系统核心单片机ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２是高　速、低功耗、超强抗干扰的新一代８０５１单片机，指　令代码完全兼容传统８０５１，速度更快．内部集成　ＭＡＸ８１０专用复位电路，２路ＰＷＭ，８路高速１０　位Ａ／Ｄ转换．其中电路包括显示部分、检测电路　和４８５串口通信；基本系统包括电源电路、复位电　路和晶振电路等．　传感器采集到的数据，输出为数字信号，通过　单排２Ｏ针直立插座（Ｈｅａｄｅｒ２０）的５（Ａ１），６（Ｂ１）　与采集器里ＳＰ４８５Ｅ芯片的Ａ１，Ｂ１相连，再由　・　８　・　ＳＰ４８５Ｅ芯片的ＴＸＤ４８５和ＲＸＤ４８５与Ｈｅａｄｅｒ　３＊２（双排三针连接器）的同名端相连，Ｈｅａｄｅｒ　３＊２的ＴＸＤ，ＲＸＤ端分别与ＴＸＤ４８５和　ＲＸＤ４８５短接后连接到单片机的ＴＸＤ，ＲＸＤ引　脚．经单片机进一步处理后由液晶屏显示出来（显　示屏的Ｐ２０—２２，００—０７引脚分别与单片机上对应　的同名引脚相连）．　器强　嚣ｌ臻舷８｛　。￡　魁　蔷＝：　阵蹲严　霉　　Ｊ照Ｍ承Ｉ２８辟６　４　图３采集电路图　采集后的数据由ＪＭ１２８６４液晶显示屏显示，　工作人员可以通过环境数据，手动控制控制箱门　板上的电机开关，调控棚室内部温湿度及通风，达　到作物最优生长环境．　２．４数据传输部分　ＲＳ２３２／４８５转换模块采集上来的棚室环境　数据经过整合后，由单片机的ＴＸＤ２，ＲＸＤ２连接　到另一个ＳＰＥ４８５芯片的ＴＸＤ２，ＲｘＤ２，再由　Ａ２，Ｂ２端连接到Ｈｅａｄｅｒ２０的９（Ａ２），１０（Ｂ２），如　图４，再发送给ＲＳ２３２／４８５转换模块，由４８５转换　为２３２协议，输出为ＲＳ２３２标准的９芯Ｄ型插座　（ＤＢ９）与３Ｇ无线路由串口相连．　２０１７丘　谭峰，等；基于云平台的棚室环境远程监控系统　第２期　一ｌｌ０　：ｌ　雒　置篷　。啪啪霉　—　砰Ｗ霸　’　单片机　警　ＳＴＣＩ２ＣＳＡ６０６２　Ｈ　图４数据传输图　通讯传输模块　完成数据和影像实时上传，　维的难度和整体ＩＴ成本；其稳定性较好，服务可　并由上位机发送控制指令等功能．选用工业级力　用性９９．９５　，数据可靠性９９．９９９　，具有自动宕　必拓无线路由，可支持国内三大通信运营商的　机迁移、数据备份和回滚、系统性能报警等特点．　３Ｇ／４Ｇ移动网络，接通电源，只需放入ＳＩＭ手机　在安全方面具有防ＤＤＯＳ系统、安全组规则保　卡，通过天线获得３Ｇ／４Ｇ移动网络信号即可；稳　护、多用户隔离防密码破解等特点．系统采用云计　定性高，能够有效保证管理人员与棚室之间的数　算平台，主要功能为影像监测与存储、参数设置、　据交互．数据经过２３２／４８５协议转换后，由无线路　环境监测数据显示、卷帘与微喷控制、视频和数据　由器传送到云平台以及在异地登陆客户端发送控　下载等业务，以减少系统维护对技术人员的要求　制命令来调整棚室环境．　和服务器维护成本，提高系统运行的可靠性．　２．５控制部分　３．２本地客户端功能　系统采用２４　Ｖ直流卷轴电机以及２４　Ｖ交流　系统供电后，传感器采集器、ＲＳ２３２／４８５串　电磁阀．农业技术人员可根据棚室内作物生长的　口、执行机构和通信模块完成初始化，系统通过　环境数据与实时影像信息、棚室内作物生长所需　３Ｇ路由连接云服务器找到设置好的对应ＩＰ地　的最佳参数和农业生产经验，通过控制电机正反　址．系统采用Ｓｏｃｋｅｔ通信，程序内部提供了与外　转来调控左右卷帘（网）的覆盖情况，控制通风和　界通信的端口．通过建立Ｓｏｃｋｅｔ连接，可为通信　光照．通过控制微喷电磁阀的开关进行喷灌，以满　双方的数据传输传提供通道，在双方建立起连接　足作物生长过程中水分的需要，实现棚室内作物　后就可以直接进行数据传输，在连接时可实现信　生长的最佳环境控制．　息的主动推送，不需要每次由客户端向服务器发　３　系统软件设计　述喟　器采集到的数据通过采集器的液晶屏显　３．１上位机软件结构图　示，同时发送到ＲＳ２３２／４８５模块，ＲＳ２３２串口通　上位机应用云平台管理系统是一个可视化的　过３Ｇ无线路由将数据传至云平台．　人机交互界面，可实时异地监测多个棚室内的作　３．３　系统功能实现　物生长环境．云服务器（Ｅｌａｓｔｉｃ　Ｃｏｍｐｕｔｅ　Ｓｅｒｖｉｃｅ，　系统在Ｄｅｉｐｈｉ集成开发环境中开发，通过应　简称ＥＣＳ）是一种处理能力可弹性伸缩的计算服　用ｌａｂｅｌ标签，实现在一个窗口中显示多组标签内　务，其管理方式比物理服务器更简单高效．云服务　容以及多个页面的快速切换．该系统将数据显示、　器能够快速构建更稳定更安全的应用，降低开发　影像显示、卷帘控制和微喷控制集成在Ｄｅｌｐｈｉ的　・９‘　２０１７年　应用文件中．　牡丹江师范学院学报（自然科学版）　第２期　参数等功能的网络平台．系统应用Ｄｅｌｐｈｉ的开发　环境设计了一款基于云平台的棚室内作物生长环　境监控系统，界面设计简洁明了，便于操作．该系　下位机每隔一段时间，通过３Ｇ网络向云服　务器发送数据信息以及作物长势影像，当客户端　访问云服务器时，云服务器数据库将各类环境信　息的数据直接发送到客户端上，客户端经自定义　统留有很多端口，可在应用中根据实际需求陆续　加入界面，如加热、风机、遮阳网等．　解析以分组的形式显示出来；也可播放视频影像　或照片，并将棚室内作物长势图像保存在固定文　件中，以便后期的历史查看．系统采用Ｄｅｌｐｈｉ中　由于摄像头所拍摄的图像为高清图像，数据　量较大，因此，系统在图像传输时采用将图像分割　再上传至云服务器、客户端接收后拼接的方式，实　现了高清图像的上传与下载．　该系统所获取的农业信息数据实时性强，为　Ｉ　ｉｓｔＶｉｅｗ控件实现各项环境数据的分组管理与　动态显示，采用ｉｍａｇｅ控件实现影像数据的播放．　客户端向云服务器端发送连接请求，连接建　立成功后，农业技术人员根据界面显示的各项环　境参数与影像信息，及时调整各个棚室卷帘和喷　灌的开关状态，实现棚室内作物生长的远程控制．　该系统通过Ｄｅｌｐｈｉ程序中另建一个类来实现卷　帘、喷灌开关按钮，大大地节约了人力、物力和时　间．　记录和分析作物的精准作业提供了数据支持，可　为棚室内作物生长提供更加优良环境．　４　结论　基于云平台的棚室环境远程监控系统基于云　平台服务器、Ｓｏｃｋｅｔ通信、精密传感器、工业３Ｇ／　４Ｇ无线路由，通过获取棚室内各项环境参数和生　长影像，实时上传至云平台，使管理人员可随时随　３．４　系统测试与应用　地观察检测棚室环境，并及时做出反馈和调整，省　去了大量劳动力及时间，还可为农业生产提供辅　系统采用阿里云平台作为服务器，依托阿里　云平台建设农业集成数据中心及数据库，制定一　助决策信息，使农业棚室生产管理更趋于信息化、　现代化．基于云平台的棚室环境远程监控系统在　个集成数据协议，依据协议并利用３Ｇ／４Ｇ网络将　各个监测点数据上传至集成数据中心，开发远程　监测客户端，搭建具有棚室作物数据信息显示、作　物生长影像监测、生长环境监测、控制开关与调节　依安农场应用过程中进行了更新与改进，提高了　稳定性和准确性，较适合在农场基层中推广应用．　参考文献　［１］孙雪成，谭峰，才巧玲，等．水稻田间灌溉水泵远程监控系统研究［Ｊ］．广东农业科学，２０１５，（４２）７：１４５—１５０．　Ｅ２］董溟鸣，农淑娟，赵斌，等．基于ＺｉｇＢｅｅ的寒地水稻温室大棚智能控制系统设计［Ｊ］．农机化研究，２０１５（７）：１６４—１６７．　Ｅ３］聂琼　时忠明，陶杰．基于ＭＣ９ＳＩ　２ＸＳ１２８ＭＡＡ的温室远程监控系统设计与实现［Ｊ］．江苏农业科学，２０１５（５）：４０９—４１３．　［４］韩剑，莫德清．基于Ａｎｄｒｏｉｄ与ＧＳＭ的温室大棚远程监控系统［Ｊ］．江苏农业科学，２０１５（４）：３９７—３９９．　Ｅ５３韩剑，莫德清，李长俊．基于ＧＳＭ和ＬａｂＶＩＥＷ的温室大棚远程监控系统『Ｊ］．计算机测量与控制，２０１５，２３（４）：１０８７—１０８９．　Ｌ６］赵方，吴必瑞，卢青波．基于ＭＳＰ４３０的温室大棚温度远程监控系统［Ｊ］．农机化研究，２０１２，３４（５）：１８２—１８７．　Ｅ７３孙｜下卫，张ｊＥ华，张荣蜀，等．基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的智能大棚远程监控系统的设计与实现［Ｊ］．电子世界，２０１３（１３）：１３６—１３７．　／－８］田野，徐保强，于欣欣．温室大棚环境远程监控及自动灌溉系统的设计［Ｊ］．机械工程与自动化，２０１５（３）：１４９—１５１．　［９］张猛，房俊龙，韩雨．基于ＺｉｇＢｅｅ和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的温室群环境远程监控系统设ｆｆＥＪ］．农业工程学报，２０１３，２９（２５）：１７１—１７６．　［１　ｏ］曹新，董玮，谭一酉．基于无线传感网络的智能温室大棚监控系统［Ｊ］．电子技术应用，２０１２，３８（２）：８４—８７．　Ｌ１１］田芳明，衣淑娟，谭峰，等．智能育秧群棚监控系统的设计与应用［Ｊ］．广东农业科学，２０１２（２）：１２６—１２９．　编辑：琳莉　・　１　Ｏ　・