籍延寶，姚鑫鋒，劉士輝，馬 超，田明璐，袁 濤，李琳一*

（1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，上海數(shù)字農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海201403；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，長沙410128）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已不再是難題。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務(wù)中［1-9］。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用離不開數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境控制和智能化管理的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)在整個(gè)數(shù)據(jù)的生命周期中扮演了重要的角色，它既可以縮短一個(gè)數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)里程”，即數(shù)據(jù)從采集到?jīng)Q策使用的整個(gè)持續(xù)過程的長短，又可以方便數(shù)據(jù)的分發(fā)和共享，是數(shù)字化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

目前，國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得了很大進(jìn)展，在農(nóng)田信息采集方面發(fā)揮著重要的作用。但現(xiàn)有的研究主要側(cè)重于田間觀測(cè)信息采集和信息傳輸?shù)惹岸思夹g(shù)的研究，而在后端對(duì)觀測(cè)獲取的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面的研究較為薄弱。此外，基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)繁多，但每個(gè)公司生產(chǎn)的設(shè)備大部分只能結(jié)合各自的硬件設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，用戶對(duì)產(chǎn)品的選擇空間大大降低、更換設(shè)備的成本升高，使用成本也居高不下。部分物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由于架構(gòu)設(shè)計(jì)不適合擴(kuò)展和迭代，導(dǎo)致新功能擴(kuò)展困難。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，硬件部分已經(jīng)不是技術(shù)難題，但是針對(duì)軟硬件結(jié)合，并把數(shù)據(jù)采集到后端進(jìn)行應(yīng)用處理，對(duì)合作社、普通種植戶仍是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

開發(fā)基于Laravel框架的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可滿足以下三方面的需求。第一，系統(tǒng)采用輕量化、易擴(kuò)展架構(gòu)設(shè)計(jì)，并適合針對(duì)小型農(nóng)場(chǎng)用戶按需迭代。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)面對(duì)著大量數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)硬件廠商的服務(wù)器端軟件為了通用化或標(biāo)準(zhǔn)化考量，平臺(tái)多為Java語言開發(fā)，功能固定，代碼量大，在小農(nóng)戶的使用過程中，迭代困難，價(jià)格高昂。第二，針對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景多樣、數(shù)據(jù)產(chǎn)品眾多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套統(tǒng)一的數(shù)據(jù)錄入接口。在物聯(lián)網(wǎng)信息采集中，由于傳感器和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備廠商眾多，存在著感知數(shù)據(jù)格式多樣、數(shù)據(jù)組織形式不同［10］的問題，如何把感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為格式統(tǒng)一、便于后續(xù)利用的形式是當(dāng)前遇到的問題。若使用統(tǒng)一的硬件管理接口，管理所有農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備，即兼容市面上主流的物聯(lián)網(wǎng)采集硬件，這在很大程度上降低了用戶的準(zhǔn)入門檻和硬件產(chǎn)品選擇空間。第三，采用開源的組件設(shè)計(jì)，降低成本，同時(shí)提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。市面上已有的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，價(jià)格相對(duì)較高，中小規(guī)模農(nóng)業(yè)用戶很難接受。但是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)對(duì)這些用戶很有必要，例如系統(tǒng)內(nèi)置閾值設(shè)置，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的傳感器數(shù)據(jù)主動(dòng)判斷分析數(shù)據(jù)，如有異?？梢约皶r(shí)告知用戶。

1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體框架由感知層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層組成（圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Overall framework of the system

感知層是用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，包括了用戶填報(bào)的數(shù)據(jù)、控制設(shè)備數(shù)據(jù)、以及氣象站、數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備的數(shù)據(jù)。此外還有系統(tǒng)應(yīng)用過程中涉及到的圖像和文檔數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)層是用于存儲(chǔ)感知和用戶上報(bào)的數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)中報(bào)警配置信息。

服務(wù)層是以Nginx和Workerman作為服務(wù)器，PHP語言作為內(nèi)容動(dòng)態(tài)解析語言，整個(gè)服務(wù)層為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)和分析提供支持。

應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，提供可視化界面和用戶功能。包括基于Bootstrap前端框架的系統(tǒng)頁面，以及數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理和組織管理等功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 統(tǒng)一的設(shè)備管理編碼

同一個(gè)組織或部門會(huì)有不同的監(jiān)測(cè)區(qū)域，系統(tǒng)中將這樣的一個(gè)區(qū)域定義為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)包含了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)類型，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)設(shè)備（感測(cè)設(shè)備或控制設(shè)備）。采用組合編碼方式設(shè)計(jì)采集設(shè)備的設(shè)備號(hào)［11］（圖2），長度共22位，分為組織碼、節(jié)點(diǎn)碼、網(wǎng)絡(luò)類型、網(wǎng)絡(luò)編號(hào)和采集點(diǎn)編碼等部分，其中網(wǎng)絡(luò)類型長度2位，取值范圍是01—99，不同的數(shù)值代表不同的物聯(lián)網(wǎng)類型，例如01代表設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)，02代表水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備編碼結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Coding structure diagram of internet of things devices

2.2 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理接口

不同公司的物聯(lián)網(wǎng)采集設(shè)備中用到的數(shù)據(jù)組織形式不同，系統(tǒng)基于面向?qū)ο笤?，集成了主流?shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集接口，每一個(gè)采集接口作為一個(gè)計(jì)劃任務(wù)在系統(tǒng)中運(yùn)行，結(jié)合Laravel框架自帶的隊(duì)列（Jobs）管理機(jī)制，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同廠商的數(shù)據(jù)采集協(xié)議自動(dòng)匹配相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集邏輯，將數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的格式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一格式入庫，便于后續(xù)的分析和利用，解決了不同廠商數(shù)據(jù)格式和接口結(jié)構(gòu)不同帶來的系統(tǒng)兼容性不足的問題。

2.3 報(bào)警閾值的設(shè)定與告警

在作物的種植過程中，溫室內(nèi)的空氣溫度、空氣濕度不能過高，需要設(shè)定報(bào)警閾值以提示種植者進(jìn)行簡(jiǎn)單的環(huán)境控制。因此，系統(tǒng)中每一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器都可以設(shè)置閾值限制，例如光合作用是一個(gè)光生物化學(xué)反映，所以光合速率隨著光照強(qiáng)度的增加而加快。在一定范圍內(nèi)幾乎是呈正相關(guān)。但超過一定范圍之后，光合速率的增加轉(zhuǎn)慢，當(dāng)達(dá)到某一光照強(qiáng)度時(shí)，光合速率就不在增加，這種現(xiàn)象稱為光飽和現(xiàn)象。各種作物的光飽和點(diǎn)不同，這就決定在光照強(qiáng)度過高的時(shí)候需采取必要的人工措施進(jìn)行干預(yù)，防止過高的光強(qiáng)引起植物萎蔫或光合作用效率降低。實(shí)際生產(chǎn)中完全可以根據(jù)作物的不同來設(shè)計(jì)光強(qiáng)的閾值，通過開啟內(nèi)遮陽或外遮陽進(jìn)行控制。圖3反映出系統(tǒng)中添加環(huán)境報(bào)警配置信息。

圖3 報(bào)警流程Fig.3 Alarm process

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體上分為數(shù)據(jù)管理、組織管理、節(jié)點(diǎn)管理、感測(cè)設(shè)備管理、控制設(shè)備管理、報(bào)警管理、用戶管理和配置管理8個(gè)模塊（圖4）。其中，組織管理是管理用戶所屬組織的模塊，包括種植戶、生產(chǎn)合作社、公司等團(tuán)體。節(jié)點(diǎn)管理用于管理某一個(gè)組織所擁有的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息。同樣，感測(cè)設(shè)備管理和控制設(shè)備管理分別是管理某一個(gè)節(jié)點(diǎn)中所布設(shè)的傳感設(shè)備或控制設(shè)備。報(bào)警管理是數(shù)據(jù)的超閾值、設(shè)備的掉線等報(bào)警信息的管理。配置管理包含了系統(tǒng)常用的功能配置信息的管理。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagram of system structure

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)如圖5所示，系統(tǒng)包含了農(nóng)場(chǎng)、基地、地塊3個(gè)管理級(jí)別，同時(shí)針對(duì)傳感設(shè)備和控制類設(shè)備均有報(bào)警設(shè)置和消息的管理。

圖5 數(shù)據(jù)庫實(shí)體關(guān)系圖Fig.5 Relationship graph of database entities

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了采集、分析和利用溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，系統(tǒng)應(yīng)具有接收溫室內(nèi)傳感器、環(huán)境控制設(shè)備傳遞回來的數(shù)據(jù)的能力，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行與歷史數(shù)據(jù)、作物生長模型進(jìn)行比對(duì)或模擬，最終做出決策，實(shí)現(xiàn)溫室設(shè)備的管理、作物生長管理的輔助決策功能。

4.1 后臺(tái)工具組件

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性強(qiáng)、易擴(kuò)展、快捷開發(fā)和部署、低成本、并適合針對(duì)小型農(nóng)場(chǎng)用戶按需迭代的需求，系統(tǒng)采用輕量化、易擴(kuò)展架構(gòu)設(shè)計(jì)，完全采用開源組件進(jìn)行開發(fā)?？傮w基于LNMP（Linux、Nginx、MySQL、PHP）架構(gòu)，采用PHP框架Laravel 5.3開發(fā)。Laravel框架是一個(gè)在眾多Web應(yīng)用項(xiàng)目中被廣泛使用的語法優(yōu)雅的PHP語言框架，它具有大量的幫助方法，并且基于MVC（Model-View-Controller）模式［12］，通過Composer進(jìn)行代碼包管理，具備了系統(tǒng)開發(fā)中大多數(shù)需要，并且跨平臺(tái)移植非常方便，能夠快捷的開發(fā)和部署應(yīng)用。特別是針對(duì)系統(tǒng)重構(gòu)和迭代頻繁的應(yīng)用，此框架能夠很好勝任。

4.2 服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收功能

研究在田間生產(chǎn)環(huán)境下，利用無線采集節(jié)點(diǎn)，基于GPRS技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)指定端口。后臺(tái)采用開源框架Workerman作為通訊組件與硬件進(jìn)行通訊，Workerman是一款純PHP開發(fā)的開源高性能的PHP socket服務(wù)器框架。被廣泛的用于手機(jī)App、移動(dòng)通訊，微信小程序，手游服務(wù)端、網(wǎng)絡(luò)游戲、PHP聊天室、硬件通訊、智能家居、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的開發(fā)。支持TCP長連接，支持Websocket、HTTP等協(xié)議，支持自定義協(xié)議。擁有異步Mysql、異步Redis、異步Http、異步消息隊(duì)列等眾多高性能組件。

Laravel有便捷的命令管理功能，同時(shí)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。利用這個(gè)特性，Laravel自帶artisan命令工具，通過擴(kuò)展artisan命令，創(chuàng)建workerman服務(wù)的管理命令，使得后續(xù)的開發(fā)、部署、調(diào)試應(yīng)用程序變得非常方便。

4.3 用戶接口

系統(tǒng)采用Javascript、HTML5、CSS3以及Bootstrap前端框架設(shè)計(jì)用戶接口（圖6），遵循自適應(yīng)的頁面設(shè)計(jì)原則，使得系統(tǒng)頁面會(huì)根據(jù)用戶使用的媒體設(shè)備的屏幕尺寸進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)整頁面內(nèi)容展示方式和大小，即無論是手機(jī)、平板電腦還是普通桌面電腦訪問該系統(tǒng)都能夠取得良好的用戶體驗(yàn)。

圖6 后臺(tái)管理頁面Fig.6 Background management page

后臺(tái)管理頁面主要用于管理組織、節(jié)點(diǎn)、人員、設(shè)備和報(bào)警信息。管理員能夠較新增、修改、刪除和查詢?nèi)我獾慕M織、節(jié)點(diǎn)、人員、設(shè)備等信息，同時(shí)能夠管理報(bào)警信息和處理設(shè)備異常和環(huán)境異常。

數(shù)據(jù)圖表顯示頁面用于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化管理，系統(tǒng)能夠針對(duì)任意一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)構(gòu)建曲線圖（圖7），便于管理人員掌握這個(gè)生長過程的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，該功能也能夠查看控制設(shè)備的整體控制記錄生成的控制圖表，便于管理人員后期優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)過程的設(shè)備控制。

圖7 數(shù)據(jù)圖表顯示頁面Fig.7 Data graph disp lay page

圖8 報(bào)警信息頁面包含傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備和環(huán)境控制設(shè)備的管理，其中包括報(bào)警的傳感設(shè)備或控制設(shè)備、閾值范圍以及建議采取的措施。

圖8 報(bào)警信息管理頁面Fig.8 Alarm information management page

5 結(jié)論

通過系統(tǒng)壓力測(cè)試結(jié)果顯示（圖9—11），Workerman能夠同時(shí)服務(wù)100個(gè)并發(fā)線程，連接Workerman 100萬次，每次連接發(fā)送短連接請(qǐng)求，經(jīng)證明該架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)吞吐量2.3萬次/s，完全滿足大多數(shù)情況下田間環(huán)境數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用需要。

圖9 壓力測(cè)試環(huán)境信息Fig.9 Stress test environment information

圖10 壓力測(cè)試邏輯Fig.10 Stress test logic

針對(duì)小型農(nóng)場(chǎng)用戶的物聯(lián)網(wǎng)需求，基于開源組件構(gòu)建了基于Laravel框架的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，系統(tǒng)具備輕量化、成本低、易迭代的特點(diǎn)，能夠針對(duì)不同的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，并對(duì)溫室設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田溫室環(huán)境的基礎(chǔ)性信息采集，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、利用和共享奠定了基礎(chǔ)。此外，該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)設(shè)施內(nèi)的環(huán)境狀況，在必要的時(shí)候能夠發(fā)出報(bào)警告知用戶。尤其是數(shù)據(jù)管理功能，減少了用戶的設(shè)施巡查時(shí)間，降低了生產(chǎn)者的投入。

通過在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)站的應(yīng)用，用戶對(duì)該系統(tǒng)提出了建議，主要是針對(duì)不同廠商的傳感器在使用前進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)定，以及后期在系統(tǒng)中內(nèi)建標(biāo)定模型，將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。此外，一個(gè)完整閉環(huán)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)應(yīng)該是包含了采集、模擬、預(yù)測(cè)和控制4個(gè)環(huán)節(jié)。所以，后續(xù)的研究可以加入自動(dòng)控制設(shè)備的控制指令，能夠在線進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制灌溉、通風(fēng)等設(shè)施設(shè)備。通過感測(cè)控制系統(tǒng)傳回的數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整耕作環(huán)境的狀況，包括超閾值調(diào)控、墑情調(diào)控和積溫調(diào)控等，甚至可以通過調(diào)控溫室環(huán)境，調(diào)整農(nóng)產(chǎn)品的上市日期。

圖11 壓力測(cè)試結(jié)果Fig.11 Stress test results