段萍 高雪 朱志輝

摘 要： 針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚管理效率低下的問題，在此設計一套基于云服務的大棚溫濕度遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在大棚監(jiān)控區(qū)域內(nèi)設置檢測節(jié)點，檢測節(jié)點采用樹莓派為核心控制板，利用MQTT協(xié)議實現(xiàn)DHT11模塊對監(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)存放在云服務器當中進行分析。同時管理人員可以通過監(jiān)控客戶端的上位機觀測到分析結果，并對大棚環(huán)境進行反饋控制，通過這樣的遠程監(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)測試結果表明，該系統(tǒng)運行正常，切實可行，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要。

關鍵詞： 云服務； 樹莓派； MQTT協(xié)議； 遠程監(jiān)控； 農(nóng)業(yè)大棚管理； 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)

中圖分類號： TN948.64?34； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 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

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量對我國具有非常重要的意義，但是通過一段時間的實際調(diào)研考察，意識到我國農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展比較晚，農(nóng)業(yè)大棚的發(fā)展狀況還沒有完全智能化，云控制技術沒有普及到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，致使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下。

將云服務應用到農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)控中來，可以更高效地管理環(huán)境狀況[1?3]。云計算作為一種全新的網(wǎng)絡服務模式，具有海量存儲、分配計算、動態(tài)擴展、系統(tǒng)可靠性高等特點[4?5]。企業(yè)可以通過云計算的方式在云端構建一個數(shù)據(jù)存儲和處理分析中心，把數(shù)據(jù)的存儲和分析等任務全部交給云端來完成。

我國的云服務在農(nóng)業(yè)方面的應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，并配以通風口：冷棚一般為一個通風口，處于大棚的最高點位置；暖棚則為兩個通風口，頂端最高點一個，下邊距離土壤1.5～1.7 m處設有一個，兩個通風口之間形成對流。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。所以我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展也急需一套屬于自己國家技術特色的智能化遠程控制系統(tǒng)。

本研究則設計了一套基于云服務的大棚溫濕度遠程監(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地進行管理。系統(tǒng)以溫濕度環(huán)境參數(shù)為例進行深入研究。

1 系統(tǒng)整體架構

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

1） 感知層：利用監(jiān)控節(jié)點中的溫濕度傳感器對大棚室內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)控，并將獲得的環(huán)境參數(shù)實時傳遞到云端服務器。

2） 通信層：通信層負責把采集上來的數(shù)據(jù)存儲在云服務器當中，并在云服務器中對數(shù)據(jù)進行處理和分析，得出大棚內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)。

3） 控制層：控制層負責實現(xiàn)對大棚環(huán)境參數(shù)的遠程反饋控制。該系統(tǒng)中的控制模式有兩種：人工控制（半自動化控制）和全自動化控制。當遠程控制界面監(jiān)控到溫濕度數(shù)據(jù)異常時，會下發(fā)控制指令到相應設備，報警指示燈亮并報警，增加安全保障。

2 系統(tǒng)硬件設計

遠程終端檢測節(jié)點包括樹莓派開發(fā)板，溫濕度傳感器，一些外接設備如：報警器、卷簾機、暖風機、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)測室內(nèi)溫濕度實時變化。通過繼電器，外接有各種執(zhí)行設備。如圖2所示即為系統(tǒng)硬件結構示意圖。

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 用其進行溫濕度的數(shù)據(jù)采集，樹莓派具有很強大的功能，本系統(tǒng)的設計中恰好利用樹莓派的各種便捷強大的功能，其相當于電腦的一個主板，樹莓派除了可以上傳數(shù)據(jù)以外，還可以進行實時視頻傳輸，擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，具備所有PC的基本功能。本系統(tǒng)利用樹莓派這一強大功能特點，將樹莓派通過CSI接口與攝像頭相連接，通過MQTT傳輸監(jiān)控視頻到云服務器，再到上位機實時監(jiān)控界面中，方便用戶對大棚內(nèi)情況進行監(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，所以不用進行模/數(shù)轉換，便可用溫濕度傳感器直接接到樹莓派上進行數(shù)據(jù)采集?？梢詸z測周圍環(huán)境的溫度和濕度，濕度檢測范圍為20%～95%（0～50 ℃范圍），濕度測量誤差為±5%；溫度測量范圍是0～50 ℃，溫度測量誤差為±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、響應快、抗干擾性好、性價比高等優(yōu)點，所以為大棚溫濕度測量的最優(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)測中使用。

3 系統(tǒng)的軟件設計

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)到云服務器中，在云服務器中進行數(shù)據(jù)存儲與處理，將處理結果上傳到上位機中，上位機操作界面由LabVIEW軟件進行開發(fā)設計，實現(xiàn)人機交互。上位機接收數(shù)據(jù)，進行判斷，在數(shù)據(jù)值異常時報警，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，可以有效地預測溫濕度變化趨勢，及時地采取措施進行控制。通過繼電器電路控制相應設備進行溫濕度實時調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完成的數(shù)據(jù)也實時顯示到監(jiān)控中心監(jiān)控界面。反復執(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。遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總流程圖如圖3所示。

3.1 遠程終端下位機溫濕度數(shù)據(jù)采集

在遠程終端監(jiān)控節(jié)點處，樹莓派主要采集大棚室內(nèi)實時溫濕度數(shù)據(jù)。當監(jiān)控中心下達采集數(shù)據(jù)指令時，通過WiFi通信模塊，傳達給下位機樹莓派開發(fā)板，樹莓派接到指令后開始進行數(shù)據(jù)采集。主機發(fā)送開始信號后，主機至少拉低18 ms，延時等待20～40 ?s后讀取DHT11的回應信號，讀取總線為低電平，說明DHT11發(fā)送響應信號，DHT11發(fā)送響應信號后，再把總線拉高，準備發(fā)送數(shù)據(jù)。溫濕度傳感器采集室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的主要程序為：

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)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱

應用最為廣泛的物聯(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)議是相互連接設備數(shù)量受限制的應用協(xié)議；XMPP協(xié)議較復雜、冗余；HTTP協(xié)議的實時性差；MQTT協(xié)議簡潔、可擴展性強、速度快、實時性好。

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)的一個即時通信協(xié)議，MQTT協(xié)議實際上是一個客戶端與服務器端長連接的過程，是一種發(fā)布/訂閱式的消息協(xié)議，提供一對多的消息發(fā)布。

3.3 遠程監(jiān)控客戶端上位機軟件設計

遠程監(jiān)控客戶端的上位機界面采用NI公司的LabVIEW軟件進行設計。LabVIEW軟件提供了很多和現(xiàn)實實物相似的控件，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。在上位機軟件中豐富地設計添加監(jiān)控客戶端功能，方便其在監(jiān)控界面實時接收到室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，并下達控制指令向各個執(zhí)行控制節(jié)點。上位機軟件界面如圖4所示。

系統(tǒng)功能設計主要應體現(xiàn)在以下幾個方面：

1） 攝像頭監(jiān)控功能。在上位機上用戶可以在遠程監(jiān)控界面上實時觀看通過USB攝像頭上傳過來的大棚內(nèi)農(nóng)作物的監(jiān)控錄像。方便觀察農(nóng)作物生長的當前狀態(tài)。

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

3） 溫濕度值數(shù)據(jù)庫查看功能。上位機上有溫濕度的數(shù)據(jù)庫操作按鈕，方便用戶對溫濕度實時歷史數(shù)據(jù)進行查看、分析。對數(shù)據(jù)進行存檔。

4） 報警功能。當某一節(jié)點處的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，其對應的報警指示燈亮，報警警報聲響起，并會彈出報警提示信息及時對其作出處理。

5） 執(zhí)行設備調(diào)節(jié)功能。在用戶監(jiān)控界面設有節(jié)點對應的執(zhí)行設備的操控按鈕，當該節(jié)點處的報警響起時，用戶便可以通過旋轉相應的控制設備操控按鈕來對設備進行控制。

4 實 驗

切實去監(jiān)測了天津地區(qū)3月初番茄暖棚內(nèi)外一天24 h的溫濕度變化，此時番茄恰好處于一個剛開花的階段，屬于生長期。番茄暖棚走向為東西走向。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量整個大棚內(nèi)的空氣溫濕度值，并掛有溫濕度計方便現(xiàn)場查看。進行一天24 h的實時監(jiān)測，觀察一天內(nèi)的數(shù)據(jù)變化情況，將監(jiān)測上來的數(shù)據(jù)實時地上傳到云服務器，并實時寫入云服務器數(shù)據(jù)庫中，可方便進行歷史數(shù)據(jù)的查看。由于是在云控制領域內(nèi)的研究，所以很好地展現(xiàn)了云服務極大的優(yōu)勢，可以不受時間限制，不受空間限制地去監(jiān)控，并具有幾乎0延時的實時性，不管用戶在任何地方，只要打開手機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)控實時情況。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)對比，也證實了該系統(tǒng)的實用性、正確性[10]。下面是監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)以及變化曲線圖。溫濕度分別各測了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)值做對比，見圖5、圖6。

5 結 論

本系統(tǒng)實現(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)作物始終處在一個適宜的生長環(huán)境中，免于遭受外界環(huán)境條件的影響；上傳到云端服務器，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，不受時間空間限制去進行智能監(jiān)控；設置人機交互，操作簡單方便直觀。系統(tǒng)還設置了報警設備，能夠增加安全性。系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制模式，可以上傳數(shù)據(jù)信息，同時又可下發(fā)控制指令到相應調(diào)節(jié)設備，具有雙向性。該系統(tǒng)的實用性通過實際的實驗測量得到了驗證。其在大棚領域的應用是對云控制的一個應用研究，云控制技術的發(fā)展很大程度地促進了農(nóng)業(yè)邁向現(xiàn)代化，促進了農(nóng)作物產(chǎn)量，提高經(jīng)濟效益，對我國的經(jīng)濟發(fā)展、科技進步都有極大的促進作用。并且后期可以對該系統(tǒng)進行改進，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，進行更全方位監(jiān)控。

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