高 路 羅 恒 傅啟明 馬媛媛 季王強(qiáng) 李文心

基于大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)的家庭菜園智慧管家系統(tǒng)

高 路 羅 恒 傅啟明 馬媛媛 季王強(qiáng) 李文心

食品安全隱患的增加和室內(nèi)環(huán)境的污染使得家庭菜園進(jìn)入了快速發(fā)展階段。但是，當(dāng)前的家庭菜園存在品種單一、智慧程度低等問題。本文提出了一種家庭菜園智慧系統(tǒng)，綜合大數(shù)據(jù)理論以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取植物生長環(huán)境，通過大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了植物的智慧管理。結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)家庭菜園的無人化智能管理，且系統(tǒng)成本較低，具有較好的應(yīng)用前景。

相關(guān)調(diào)查結(jié)果表明，人類在室內(nèi)滯留時(shí)間超過90％，因此室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量對人員的身體健康和工作效率等都會產(chǎn)生巨大影響。同時(shí)，一系列流行病學(xué)研究已經(jīng)證明惡劣的室內(nèi)空氣狀況和疾病之間的密切關(guān)系-。但是，《美國空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》報(bào)告指出，當(dāng)前的室內(nèi)空氣存在500多種揮發(fā)性有機(jī)物，致癌物高達(dá)20種，致病病毒200多種。據(jù)相關(guān)報(bào)告指出，綠色植蔬能吸收和過濾空氣中有害物質(zhì)，增強(qiáng)人體免疫能力，是家庭天然的空氣凈化器，也是對人心理和情緒的良性刺激。

家庭菜園是指在家庭室內(nèi)進(jìn)行的蔬菜種植，這種方式能夠有效改善室內(nèi)空氣環(huán)境，且具有良好的實(shí)用性和便利性，因此一經(jīng)推出就收到廣泛關(guān)注，如日本企業(yè)推出的Plants Care Mon植物管家，國內(nèi)企業(yè)推出的植物管家Niwa。

雖然國內(nèi)外在家庭菜園的研究與應(yīng)用方面取得了一定成果，但是目前推出的系統(tǒng)仍存在一定的優(yōu)化空間，如目前系統(tǒng)對植物生長環(huán)境的測量參數(shù)有限，且缺乏充分的數(shù)據(jù)分析，同時(shí)，控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性也不足?；谏鲜鰡栴}，本文提出了一種基于大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)的家庭菜園智慧管家系統(tǒng)，通過深度整合植物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制以及遠(yuǎn)程訪問與控制等4個(gè)主要部分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對家庭菜園的智能化管理。

系統(tǒng)總體介紹

圖1所示為家庭菜園智慧管家的整體結(jié)構(gòu)，如圖所示，系統(tǒng)主要由環(huán)境參量采集系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，其中，環(huán)境參量采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)植物生長環(huán)境參量的獲取，無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參量的無線傳輸，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，獲取植物最佳生長條件，控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)植物生長環(huán)境的反饋控制，使其在最優(yōu)化環(huán)境中生長。

硬件系統(tǒng)

圖2所示為植物生長環(huán)境的多參數(shù)采集及反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要以ESP8266為主控芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集時(shí)序控制、信號傳輸及反饋控制，通過I2C協(xié)議與DHT11溫濕度傳感器和BH1750FVI光強(qiáng)度傳感器通信。傳感器電路由DHT11溫濕度傳感器、BH1750FVI光強(qiáng)傳感器組成，反饋控制主要由灌溉控制和補(bǔ)光控制子系統(tǒng)組成。用戶通過遠(yuǎn)程APP或WEB頁面訪問的形式進(jìn)行植物生長環(huán)境各參數(shù)的獲取，也可對系統(tǒng)進(jìn)行人為反饋控制。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

軟件系統(tǒng)

圖3所示為服務(wù)器處理流程。服務(wù)端使用Python編寫，其中網(wǎng)絡(luò)處理部分使用gevent框架，從而支持高并發(fā)處理。

ESP8266與服務(wù)器建立連接后，需通過身份驗(yàn)證系統(tǒng)。合法用戶認(rèn)證完成后，可讀取該設(shè)備所屬的用戶，并載入相關(guān)配置，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理階段。服務(wù)端解析采集到的數(shù)據(jù)，對于正確的數(shù)據(jù)格式，根據(jù)用戶的相關(guān)配置，返回命令，接收到客戶端執(zhí)行成功的響應(yīng)后記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)及操作。

軟件系統(tǒng)可以主要負(fù)責(zé)設(shè)備控制命令的發(fā)送以及改變服務(wù)端的返回規(guī)則。對于控制硬件的命令，當(dāng)用戶點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，實(shí)際上建立了一個(gè)與該服務(wù)端的一個(gè)TCP連接。發(fā)送到服務(wù)端的是認(rèn)證信息、目標(biāo)設(shè)備、命令。其中，目標(biāo)設(shè)備為用戶所綁定的設(shè)備。服務(wù)端對數(shù)據(jù)檢查通過后使用轉(zhuǎn)發(fā)模塊將命令轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)設(shè)備。

圖2　硬件系統(tǒng)

圖3　軟件流程圖

圖4　Web顯示圖

圖5　手機(jī)APP管理系統(tǒng)

Web顯示與控制系統(tǒng)

Web顯示與控制系統(tǒng)如圖4所示，界面由六個(gè)頁面組成，包括主頁面、硬件控制頁面、數(shù)據(jù)查詢頁面、操作日志查詢頁面、圖像監(jiān)控頁面和設(shè)置頁面。其中，“主頁面”顯示用戶設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，“硬件控制頁面”為用戶人工控制提供接口，可通過操作完成滴灌和補(bǔ)光，“數(shù)據(jù)查詢頁面”向用戶提供歷史數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，查詢內(nèi)容包括溫濕度變化曲線、光照強(qiáng)度曲線，“操作日志查詢頁面”為用戶提供系統(tǒng)操作日志，用戶在此可以查詢到系統(tǒng)自動進(jìn)行的滴灌以及補(bǔ)光操作記錄，也可以獲取手動控制的相關(guān)記錄，“圖像監(jiān)控頁面”可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前植物的生長狀態(tài)，“設(shè)置頁面”包含用戶必須向系統(tǒng)提供的必要信息，如植物的品種，種植時(shí)間以及種植地點(diǎn)。

手機(jī)APP控制子系統(tǒng)

移動網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使得手機(jī)APP的應(yīng)用無論從廣度還是深度均得到了長足發(fā)展，考慮到用戶遠(yuǎn)程控制的需要，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖5所示的家庭菜園智慧管家系統(tǒng)手機(jī)APP顯示及控制子系統(tǒng)，其功能基本與Web顯示與控制系統(tǒng)類似。

數(shù)據(jù)分析

生長環(huán)境控制分析

圖6　植物生長參數(shù)圖

圖7 效果對比圖

圖6所示為植物生長環(huán)境溫濕度變化曲線，由圖可見，家庭菜園智慧關(guān)鍵系統(tǒng)為植物的生長提高了較為恒定的溫度和濕度，降低了外界的溫濕度等環(huán)境的劇烈變化對植物生長的影響。

植物生長狀態(tài)分析

圖7所示為未使用和使用了家庭菜園智慧管家系統(tǒng)的對比圖，圖7（a）、（b）為現(xiàn)場生長情況對比圖，由圖可見，使用了本系統(tǒng)后，植物生長情況明顯優(yōu)于自然狀態(tài)下植物生長情況。對植物觀察一個(gè)月后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，使用了本系統(tǒng)后，植物的成活率提高了24％。

小結(jié)

隨著經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展，家庭菜園已經(jīng)開始被家庭所接受，各種系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)?；诖髷?shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)家庭菜園智慧管家系統(tǒng)，有效整合了植物生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制以及遠(yuǎn)程訪問與控制等4個(gè)主要部分，為城市用戶的家庭菜園提供了一套經(jīng)濟(jì)可靠、高度智能化以及便捷的智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)與虛擬的有機(jī)結(jié)合。家庭菜園智慧管家為市民提供蔬菜的同時(shí)，也可以有效改善家庭室內(nèi)環(huán)境，同時(shí)，也為城市孩子提供了一個(gè)親近自然、了解自然的機(jī)會。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.029