黃鳳英*，江仁海，林建龍，馮俊國(guó)，李夢(mèng)鶴，楊和融

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分布式的智能遠(yuǎn)程林園檢測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃鳳英*，江仁海，林建龍，馮俊國(guó)，李夢(mèng)鶴，楊和融

（廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建漳州，363105）

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，林園智能化的管理需求也不斷被提出。為實(shí)現(xiàn)林園多方位環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和精確管理，設(shè)計(jì)了一種水平垂直二維分布式的智能檢測(cè)管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以通過(guò)采集終端模塊實(shí)時(shí)獲取遠(yuǎn)程林園空氣溫濕度、土壤上下層溫濕度、二氧化碳濃度、光照度等環(huán)境信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊傳送到服務(wù)器，后臺(tái)系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和分析，將分析結(jié)果反饋到終端控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光、風(fēng)扇、水泵等的智能控制，使用戶對(duì)林園環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控更加全面，系統(tǒng)還可以通過(guò)手機(jī)、PDA、計(jì)算機(jī)等終端向管理者推送信息，幫助用戶提高林園管理效率，降低成本，增加收益。

智能；林園；檢測(cè)；遠(yuǎn)程管理

引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)林園產(chǎn)業(yè)也不斷適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需求，林園產(chǎn)業(yè)有小到大，由弱變強(qiáng)，正在進(jìn)行著飛速發(fā)展。林園種植產(chǎn)業(yè)已成為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱,也成為農(nóng)民增收的重要途徑。為符合當(dāng)代林園發(fā)展趨勢(shì)，本文提出一種分布式的智能遠(yuǎn)程林園檢測(cè)管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)林園環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和精確的智能化管理。

目前，現(xiàn)有的林園基地采用的組網(wǎng)硬件較為復(fù)雜，成本較高，其主要原因在于有些林園管理系統(tǒng)組網(wǎng)模式過(guò)于復(fù)雜。文獻(xiàn)[1]提出了在大棚中的環(huán)境監(jiān)測(cè)，應(yīng)用地點(diǎn)較為單一。本系統(tǒng)是針對(duì)植株習(xí)性開(kāi)發(fā)的，所以應(yīng)用地點(diǎn)沒(méi)有較多限制。此外，該系統(tǒng)不具備垂直分層檢測(cè)的功能，收集到的數(shù)據(jù)不夠充分。本系統(tǒng)則可以查看同一區(qū)域土壤上下層的環(huán)境變量。文獻(xiàn)[2]提出了采用分區(qū)控制的方法，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，但其精準(zhǔn)性是建立在采用多個(gè)電子門(mén)閥控制上的，所以系統(tǒng)穩(wěn)定性還有待改善。而本系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互，可以把各環(huán)境值精準(zhǔn)控制在標(biāo)準(zhǔn)值之內(nèi)，使用單個(gè)門(mén)閥就可以完成，大大的提高了穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[3]提出了運(yùn)用云服務(wù)器將采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，但檢測(cè)數(shù)據(jù)較少。而本文為了解決以上的問(wèn)題，本系統(tǒng)采用多層分布式的取點(diǎn)檢測(cè)，有著數(shù)據(jù)精確、功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)時(shí)或定時(shí)采集林園的土壤水分、溫度、空氣溫濕度，光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，用戶可以設(shè)定每個(gè)地塊的灌溉策略，實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量無(wú)人值守的自動(dòng)灌溉。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于分布式多層檢測(cè)智能遠(yuǎn)程林園管理系統(tǒng)由上位機(jī)和主控下位機(jī)組成。每個(gè)單元在配置完畢后采用數(shù)據(jù)模塊化的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)各個(gè)監(jiān)測(cè)單元將數(shù)據(jù)傳輸給主控單片機(jī)后，單片機(jī)將結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊反饋的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)過(guò)濾算法將信息進(jìn)行整合再傳送至服務(wù)器。圖1顯示了該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，從數(shù)據(jù)的傳遞路徑可將本系統(tǒng)分為三個(gè)層次，即數(shù)據(jù)匯集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

圖2顯示了本系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，圖中可以看出每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)或定時(shí)采集的綠化植被土壤水分、土壤溫度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，均可以實(shí)時(shí)地以圖形或者表格方式顯示。用戶可以通過(guò)圖形界面設(shè)定每個(gè)地塊的灌溉策略，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量的無(wú)人值守的自動(dòng)灌溉。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都有唯一的標(biāo)識(shí)符，每一個(gè)小時(shí)會(huì)向服務(wù)器發(fā)送一次數(shù)據(jù)，用戶可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或者APP獲取數(shù)據(jù)，并且根據(jù)實(shí)際情況向服務(wù)器發(fā)送相關(guān)命令，控制電子門(mén)閥進(jìn)行水泵的灌溉和光帶的補(bǔ)光等操作[4-8]。本系統(tǒng)采用了圖形用戶界面，用戶操作簡(jiǎn)單方便。

圖2 功能結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)下位機(jī)由主控單片機(jī)、GPRS模塊、環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊等組成。其中單片機(jī)為控制單元，負(fù)責(zé)控制其他模塊的工作；環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊分別采用TSL2561光照傳感器、DHT11溫濕度傳感器、MQ135空氣質(zhì)量傳感器分別采集光照、溫濕度及空氣質(zhì)量信息。下位機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。各環(huán)境變量采集完成之后傳到STC89C51中進(jìn)行信息預(yù)處理，之后單片機(jī)通過(guò)GPRS模塊中的TCP傳輸模式將數(shù)據(jù)包定時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器也可以發(fā)送指令到STC89C51模塊中，控制水泵和光帶的開(kāi)關(guān)。

2.1 一體式多分布多層監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的環(huán)境勘測(cè)，本著效益最大化以及各傳感器的測(cè)量范圍得出，約每50平方米分別布一個(gè)水平和垂直監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布點(diǎn)示意圖如圖4所示，通過(guò)二維分布式布檢測(cè)點(diǎn)，用戶可以了解到水平及垂直植株的土壤生長(zhǎng)環(huán)境[9-12]。

2.2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊

溫濕度傳感器采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。

光照強(qiáng)度傳感器采用TSL2561光照強(qiáng)度傳感器，TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、寬量程、可編程靈活配置的光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片,此外，該傳感器為 1.25 mm×1.75 mm超小封裝，在低功耗模式下，功耗僅為0.75mW。

空氣質(zhì)量傳感器采用MQ135空氣污染傳感器，該傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。這種傳感器可檢測(cè)多種有害氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器[13]。

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通用模塊采用SIM900A 模塊，該模塊是一款尺寸緊湊的 GSM/GPRS 模塊，性能強(qiáng)大，可以?xún)?nèi)置客戶應(yīng)用程序，且功耗低，待機(jī)模式電流低于 18mA、sleep 模式低于2mA。該GPRS模塊，在系統(tǒng)中采用TCP模式，可以將主控單元處理過(guò)的信息穩(wěn)定傳送到服務(wù)器上，與服務(wù)器輕松進(jìn)行交互。

2.4 控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用控制方法有溫度控制、濕度控制、光合控制以及土壤酸堿預(yù)警。其中，溫度控制采用繼電器組控制風(fēng)扇，持續(xù)時(shí)間為溫度閾值節(jié)點(diǎn)對(duì)比時(shí)間；濕度控制采用中間繼電器控制水霧噴頭，持續(xù)時(shí)間為濕度閾值節(jié)點(diǎn)對(duì)比時(shí)間；光合控制采用中間繼電器控制專(zhuān)門(mén)的光合作用補(bǔ)光燈，該補(bǔ)光燈經(jīng)實(shí)際測(cè)試波長(zhǎng)非常適合植物的生長(zhǎng)，基本可解決植株的生長(zhǎng)問(wèn)題。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件算法

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

由于系統(tǒng)選擇的傳感器在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，種種外界因素干擾會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不夠精確，所以為了提高測(cè)量的精準(zhǔn)度，在系統(tǒng)采集端程序設(shè)計(jì)之初，采用了中值平均濾波算法。

如圖5所示，傳感器每十分鐘采集一次數(shù)據(jù)，每采集6個(gè)數(shù)據(jù)，也就是一個(gè)小時(shí)為一個(gè)周期，就進(jìn)行中值平均濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾，去掉6個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，然后取剩余4個(gè)數(shù)值的平均值上傳至服務(wù)器，這樣就能最大化地降低外界因素干擾，得到的數(shù)據(jù)也比較精確穩(wěn)定。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.1.2 斷網(wǎng)情況

對(duì)于斷網(wǎng)的情況，下位機(jī)會(huì)存儲(chǔ)上次從服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的各環(huán)境變量閾值，如果檢測(cè)到斷網(wǎng)，那么下位機(jī)就會(huì)切換為斷網(wǎng)模式，通過(guò)控制電子門(mén)閥，將各環(huán)境變量控制在最近一次從服務(wù)器接收的標(biāo)準(zhǔn)值，并且將這段時(shí)間收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。當(dāng)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，下位機(jī)將之前的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，此外開(kāi)始使用從服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)值。

3.1.3 濕度校準(zhǔn)

由于傳感器濕度在測(cè)量時(shí)會(huì)因環(huán)境而產(chǎn)生一定的偏差，經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)濕度偏差與以e為底數(shù)的對(duì)數(shù)和時(shí)間存在聯(lián)系，得出如下校準(zhǔn)公式（1）。

真實(shí)濕度=測(cè)量濕度+（ln12-|12-t|）*2 （1）

其中，t為當(dāng)前整點(diǎn)時(shí)間即為取出當(dāng)前時(shí)間的小時(shí)部分，如果當(dāng)前時(shí)間為24：00至1：00，那么公式中的當(dāng)前整點(diǎn)時(shí)間取值為1。

表1顯示了溫濕度不同時(shí)間段的取值，實(shí)際濕度值與測(cè)量出的濕度值有一定的差距，在經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，校準(zhǔn)后的濕度值與實(shí)際濕度值只存在了細(xì)微的差別。

表1 溫濕度數(shù)值表

3.2 Web端與移動(dòng)端功能設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)上位機(jī)采用技術(shù)

本文移動(dòng)客戶端采用的是ionic框架，它是一種HybridAPP（半原生半Web的混合類(lèi)App），有著良好的用戶交互體驗(yàn)和Web app跨平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，不僅可在Android上運(yùn)行，還可以在IOS上運(yùn)行，顯著節(jié)省移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本，性能更加簡(jiǎn)潔實(shí)用。圖6-a顯示了參數(shù)顯示界面，6-b顯示了閾值設(shè)置界面，6-c顯示了消息提醒界面。

圖6-a app查看監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖6-b app設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)值

圖6-c app消息提醒

Web前端界面主要運(yùn)用boorstrap框架，它擁有流媒體網(wǎng)格布局響應(yīng)式設(shè)計(jì)，能夠自定義表單元素，簡(jiǎn)潔靈活，使得Web開(kāi)發(fā)更加快捷；Web服務(wù)端以thinkphp框架為基礎(chǔ)，進(jìn)行業(yè)務(wù)的構(gòu)建與擴(kuò)展，thinkphp不僅能夠自動(dòng)完成表單數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和過(guò)濾，生成安全的數(shù)據(jù)對(duì)象，而且上手快速，簡(jiǎn)潔輕巧的ORM實(shí)現(xiàn)，配合簡(jiǎn)單的CURD以及AR模式，讓開(kāi)發(fā)效率無(wú)處不在。整個(gè)系統(tǒng)支持多數(shù)據(jù)庫(kù)連接和動(dòng)態(tài)切換機(jī)制，支持分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。圖7為Web端界面。

圖7 Web端查看監(jiān)測(cè)點(diǎn)

Web服務(wù)端與移動(dòng)客戶端的數(shù)據(jù)交互格式以json為主，移動(dòng)客戶端訪問(wèn)服務(wù)端的api，通訊安全采用了微信開(kāi)發(fā)中的access_token機(jī)制，app移動(dòng)客戶端通過(guò)提交appid和appsecert來(lái)獲取token,服務(wù)器端對(duì)token緩存7200秒，客戶端也采取緩存機(jī)制，客戶端會(huì)進(jìn)行判斷本地token是否存在，如果存在則直接用token做參數(shù)去訪問(wèn)服務(wù)端的api，服務(wù)端判斷token的有效性并給予相應(yīng)的返回，客戶端緩存的token如果失效了,就直接再請(qǐng)求獲取token。

3.2.2 控制模式

控制模式分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式，用戶可以在手動(dòng)控制下錄入自己種植的植物生長(zhǎng)所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值，下位機(jī)通過(guò)判斷系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值之差與閾值進(jìn)行對(duì)比，控制澆水、補(bǔ)光等操作；自動(dòng)控制，服務(wù)器云端會(huì)有許多植株的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)表，如表2所示，用戶可以查閱相關(guān)植株的習(xí)性[14-16]，如果選擇了某一植株，那么下位機(jī)將會(huì)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)植株下系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行澆水、補(bǔ)光等操作。

表2 植物習(xí)性表

3.2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)試

用戶可以選擇查看某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下的某個(gè)環(huán)境值。本文主要針對(duì)龍眼樹(shù)園林進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)根據(jù)龍眼樹(shù)的習(xí)性表進(jìn)行設(shè)置相應(yīng)的閾值，上位機(jī)遠(yuǎn)程獲取到溫度、濕度、光照照度等環(huán)境參數(shù)后，對(duì)參數(shù)進(jìn)行判斷，如下午濕度低于閾值，需要補(bǔ)水，那么系統(tǒng)就會(huì)打開(kāi)水泵加水，使土壤濕度控制在利于龍眼樹(shù)生長(zhǎng)習(xí)性范圍。龍眼樹(shù)檢測(cè)區(qū)域的溫濕度測(cè)試值如圖8-a、8-b所示。

圖8-a 溫度監(jiān)測(cè)情況

圖8-b 濕度監(jiān)測(cè)情況

此外，為了讓用戶能夠更直觀的得出各區(qū)域龍眼樹(shù)的情況,用戶可以同時(shí)選擇幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同的環(huán)境變量，進(jìn)行一定的對(duì)比，如圖9顯示了龍眼樹(shù)土壤上層和下層的溫度情況。

圖9 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種分布式的智能遠(yuǎn)程林園檢測(cè)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用可選自適應(yīng)閉環(huán)控制系統(tǒng)模式，當(dāng)管理員使用閉環(huán)控制模式時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)各個(gè)環(huán)境參量，并且根據(jù)各個(gè)區(qū)域的不同閾值設(shè)定采取不同的補(bǔ)償措施。實(shí)現(xiàn)灌溉過(guò)程的無(wú)人值守，減少人員的工作強(qiáng)度，提高灌溉效率；并且當(dāng)前各個(gè)環(huán)境參量、土壤酸堿度、植被生長(zhǎng)情況等實(shí)況信息將在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行智能云數(shù)據(jù)分析，之后進(jìn)行智能培育養(yǎng)護(hù)，并且可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)手機(jī)APP、網(wǎng)頁(yè)客戶端等形式發(fā)送給綠化管理者，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。而系統(tǒng)也會(huì)為各個(gè)不同習(xí)性的植株配置不同的個(gè)性化閾值，具有方便、直觀、快捷、可操作性高的優(yōu)點(diǎn)。

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[14] 吳勇靈, 楊娜, 潘曉慧, 等. 基于LabVIEW 和Team Viewer 濕度遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 科技通報(bào), 2017, 33(11): 87-89.

[15] 鄧然, 朱勇, 詹念, 等. 基于ZigBee技術(shù)的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 無(wú)線電通信技術(shù), 2017, 43(3): 81-84.

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Design of Distributed Intelligent Detection and Remote Management System for Forest Garden

HUANG Fengying*, JIANG Renhai, LIN Jianlong, FENG Junguo, LI Menghe, YANG Herong

(Tan Kah Kee College, Xiamen University, Zhangzhou, 363105, China)

In recent years, with the continuous development of Internet of Things technology, the management needs of Lin Yuan's intelligent management are constantly being put forward. In order to achieve remote monitoring and precise management of multi-directional environmental parameters in the forest park, a horizontal vertical two-dimensional distributed intelligent detection management system was designed. The system can collect the terminal module real-time access to the remote Lin Yuan air temperature and humidity, soil temperature and humidity, carbon dioxide concentration, light intensity and other environmental information, and the relevant data sent to the server through the GPRS module, the background system will display the data collected And analysis, the analysis results back to the terminal control module to achieve intelligent control of lights, fans, pumps, etc., allowing users to monitor the environmental parameters of the forest more comprehensive, the system can also push through mobile terminals, PDA, computers and other managers to managers Information, to help users improve the management efficiency of forest parks, reduce costs and increase revenue.

intelligence; Lin Yuan; detection; remote management

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.013

TP212

A

1672-9129(2018)01-0032-05

黃鳳英, 江仁海, 林建龍, 等. 分布式的智能遠(yuǎn)程林園檢測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2018, 7(1): 32-36.

HUANG Fengying, JIANG Renhai, LIN Jianlong, et al. Design of Distributed Intelligent Detection and Remote Management System for Forest Garden[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 32-36.

2017-09-21；

2017-12-13。

國(guó)家自然科學(xué)基金號(hào)61771244，福建省自然科學(xué)基金號(hào)2018J01789。

黃鳳英（1989-），女，碩士，講師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)研究及教學(xué)工作。E-mail: fyhuang@xujc.com