任瑞仙

(山西工程技術(shù)學(xué)院,山西 陽泉 045000)

1 開發(fā)背景、目標(biāo)與意義

在過去的農(nóng)業(yè)大棚管理工作中，主要是通過負(fù)責(zé)管理各個農(nóng)業(yè)大棚的現(xiàn)場工作人員定時使用溫度計、濕度計、照度計等儀器測量各項主要參數(shù)并記錄在紙質(zhì)工作簿上，按月進(jìn)行統(tǒng)一匯總。這種工作模式存在著操作繁瑣、效率低等諸多問題。在農(nóng)業(yè)大棚的運行過程中，空氣的溫濕度、二氧化碳與氧氣的含量變化是幾個非常重要的參數(shù)，同時大棚內(nèi)部的光照條件也會直接影響蔬菜的生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。因此，將上述條件通過技術(shù)手段將其人為控制在最優(yōu)范圍內(nèi)，對農(nóng)業(yè)大棚的農(nóng)作物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益有著重要影響。

本系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能與大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，在租賃的服務(wù)器平臺上部署智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系，主要采用了Raspberry PI平臺、Python語言、微型傳感器技術(shù)、B/S運行模式、PHP語言、Javascript語言以及MYSQL數(shù)據(jù)庫等，實現(xiàn)了無人托管、智能栽培、實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程診斷、大數(shù)據(jù)分析等功能，從技術(shù)上解決了傳統(tǒng)人工模式的多種弊端。

2 系統(tǒng)主要功能模塊

該系統(tǒng)的主要任務(wù)是通過在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部安裝多組不同類型的微型傳感器設(shè)備對農(nóng)業(yè)大棚中影響農(nóng)作物生長的空氣環(huán)境數(shù)據(jù)以及短的時間間隔(考慮到網(wǎng)絡(luò)通信中存在的延遲問題，該間隔最低設(shè)置為10 s)開展連續(xù)的采集，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行存儲和處理。向農(nóng)戶提供對分布在不同地點的多個農(nóng)業(yè)大棚基地中的所有大棚內(nèi)部的空氣環(huán)境信息的實施監(jiān)控功能，便于管理層實時掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大棚的運轉(zhuǎn)情況。在完成數(shù)據(jù)實時采集工作的同時，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到參數(shù)異常時會自動提醒相關(guān)的大棚的管理與值班人員，以便及時進(jìn)行現(xiàn)場處置，避免造成損失。系統(tǒng)功能模塊圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

◆數(shù)據(jù)采集終端模塊：該模塊主要負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的各類空氣環(huán)境參數(shù)的采集與數(shù)據(jù)上傳。其具體功能包括：

1) 氣體成分?jǐn)?shù)據(jù)的采集功能：包括對二氧化碳數(shù)據(jù)的采集和對氧氣濃度數(shù)據(jù)的采集。

2) 溫濕度數(shù)據(jù)的采集功能：負(fù)責(zé)檢測當(dāng)前空氣的溫度與水分含量。

3) 光照數(shù)據(jù)的采集功能：負(fù)責(zé)檢測大棚內(nèi)部的光照強(qiáng)度[2]。

4) 數(shù)據(jù)的實時采集功能，負(fù)責(zé)以10s為間隔調(diào)用1)—3)的功能，并收集數(shù)據(jù)。

5) 數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換功能：負(fù)責(zé)將傳感器發(fā)送至平臺IO接口的高低電平信號進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)換，最終得到準(zhǔn)確的10進(jìn)制數(shù)據(jù)。

6) 網(wǎng)絡(luò)連接與數(shù)據(jù)上傳功能：負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)處服務(wù)器之間建立連接，并將每次采集到并完成轉(zhuǎn)換的最終數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

◆后臺管理系統(tǒng)模塊：該模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲、實時顯示以及統(tǒng)計分析，同時在數(shù)據(jù)發(fā)生異常時提供預(yù)警短信發(fā)送功能，此外還提供了登錄身份驗證與系統(tǒng)故障恢復(fù)功能。其具體功能包括：

1) 數(shù)據(jù)的接收與存儲功能：負(fù)責(zé)接收由數(shù)據(jù)采集終端模塊通過公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的空氣環(huán)境數(shù)據(jù)并插入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

2) 數(shù)據(jù)的實時顯示功能：負(fù)責(zé)將采集到的信息以數(shù)據(jù)表格的方式直觀的展示給用戶，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的實時變化動態(tài)刷新數(shù)據(jù)表格的內(nèi)容。

3) 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析功能：負(fù)責(zé)根據(jù)用戶的要求對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索與統(tǒng)計，并將結(jié)果以數(shù)據(jù)圖表的形式展示在用戶界面上。

4) 預(yù)警短信功能：負(fù)責(zé)在連續(xù)收到數(shù)據(jù)采集終端發(fā)來的異常數(shù)據(jù)(預(yù)警上限與下限值可由管理員在系統(tǒng)中提前設(shè)置)時，以短信方式提醒相關(guān)人員(其手機(jī)號可預(yù)先添加至系統(tǒng)數(shù)據(jù)表中)前往現(xiàn)場進(jìn)行處理。

5) 用戶身份驗證功能：負(fù)責(zé)向用戶手機(jī)(提前在系統(tǒng)中置入手機(jī)號碼)發(fā)送短信驗證碼對登錄后臺管理系統(tǒng)的用戶身份合法性進(jìn)行驗證，并記錄其每次登錄系統(tǒng)的信息以提高系統(tǒng)安全性。

6) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫備份/還原功能：負(fù)責(zé)在不影響系統(tǒng)正常運行的情況下對系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫中的全部信息進(jìn)行定期備份并在系統(tǒng)或服務(wù)器發(fā)生故障時對原有數(shù)據(jù)進(jìn)行還原[3]。

3 數(shù)據(jù)采集終端模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

對于數(shù)據(jù)采集終端，由于其一直長期處于農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的高溫度、高濕度環(huán)境下運行，在設(shè)備選型時選用了英國原版的Raspberry Pi 3B+平臺，該平臺作為Raspberry Pi系列的最新型號，具有硬件配置高、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性好等特點，非常適合用于搭載本系統(tǒng)中所需各類微型空氣傳感器設(shè)備。

數(shù)據(jù)采集終端包括對農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的5項空氣環(huán)境參數(shù)的采集以及數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換與上傳功能，空氣環(huán)境參數(shù)采集功能通過在Raspberry Pi 3B+平臺上搭載微型傳感器設(shè)備來實現(xiàn)，這些傳感器使用杜邦線與Raspberry Pi 3B+平臺所提供的GPIO接口(針腳接口)(40個接口中含多個電源輸出即數(shù)據(jù)I/O接口)連接并進(jìn)行信號傳輸。而數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換與遠(yuǎn)程上傳功能則由在Raspberry Pi 3B+平臺運行的Python程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由于RasPberry Pi 3B+平臺上提供了RJ-45接口并且在系統(tǒng)部署后各農(nóng)業(yè)大棚中將完成網(wǎng)線鋪設(shè)工作，因此數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳功能的實現(xiàn)主要是使用Python程序連接遠(yuǎn)處服務(wù)器上的MySQL數(shù)據(jù)庫并執(zhí)行數(shù)據(jù)插入語句來完成的。

Python語言中的數(shù)據(jù)庫訪問接口為Python DB-API，該接口提供了一系列數(shù)據(jù)庫模塊及訪問對象，為開發(fā)人員從不同種類的數(shù)據(jù)庫的存取信息提供了良好的支持。對于MySQL數(shù)據(jù)庫，Python DB-API中與之對應(yīng)的是MySQLdb模塊[4]，該模塊基于MySQL C API建立，在使用之前需要在RasPberry Pi 3B+平臺的Linux系統(tǒng)中下載并安裝此模塊。

4 后臺管理系統(tǒng)模塊設(shè)計

4.1 空氣環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測功能

從數(shù)據(jù)采集終端提交的各項空氣環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)在插入數(shù)據(jù)庫后，會被立即顯示在數(shù)據(jù)監(jiān)測頁面上，該頁面采用JavaScript中的execCommand方法實現(xiàn)自動刷新，其時間間隔設(shè)置為10s，與數(shù)據(jù)采集終端提交數(shù)據(jù)的周期相同。數(shù)據(jù)顯示的數(shù)量為當(dāng)前安裝的數(shù)據(jù)終端數(shù)量，當(dāng)前為12(大棚數(shù)量)×6=72，即每次從數(shù)據(jù)庫中讀取最新的72條信息。該功能的實現(xiàn)頁面如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)實時監(jiān)測頁面

4.2 空氣環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析功能

隨著系統(tǒng)運行時間的增加，大量的數(shù)據(jù)被積累下來并存儲在遠(yuǎn)程服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中，用戶通過對這些數(shù)據(jù)的分析可以更加準(zhǔn)確的掌握空氣環(huán)境數(shù)據(jù)的變化規(guī)律以及對農(nóng)作物生長的影響。通過用戶對統(tǒng)計方法與參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)可以提供多種數(shù)據(jù)顯示模式。除以圖形模式直觀的顯示數(shù)據(jù)外，系統(tǒng)還允許用戶將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并下載至本地計算機(jī)以進(jìn)一步處理。

由于需要生成數(shù)據(jù)圖表，因此用戶使用本功能時，需要先在向?qū)ы撝信渲脭?shù)據(jù)檢索條件并提交，系統(tǒng)根據(jù)該條件從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取數(shù)據(jù)并生成圖表。此外，該條件還將被保存至服務(wù)器Session變量中，用于執(zhí)行導(dǎo)出Excel的導(dǎo)出與下載功能。MYSQL導(dǎo)出為Excel的功能通過MySQL查詢語言中select語句中的into outfile關(guān)鍵字實現(xiàn)。

4.3 空氣指標(biāo)異常時的短信提示功能

預(yù)警短息的發(fā)送通過第三方短信運營商(本系統(tǒng)選用的是短信寶平臺)提供的接口實現(xiàn)，而觸發(fā)短信發(fā)送操作的條件是被提交至數(shù)據(jù)庫中的信息有超過預(yù)先設(shè)置的范圍(預(yù)警上限與下限值)的情況。同時需要預(yù)先設(shè)置的還有預(yù)警短信接收人員的手機(jī)號碼及相關(guān)信息。

4.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫備份/恢復(fù)功能

為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)具備良好的故障恢復(fù)能力，將遠(yuǎn)處服務(wù)器上的MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)安裝在獨立的磁盤分區(qū)中，而該分區(qū)是由3塊獨立硬盤組成的1T×3的Raid0磁盤陣列模式，在該模式下，MySQL數(shù)據(jù)庫所在分區(qū)中的內(nèi)容被同時完整的存儲在3塊獨立硬盤中，當(dāng)服務(wù)器發(fā)生硬件故障時，只要其中的任意一塊硬盤未被損壞，數(shù)據(jù)即可保存下來。

對于系統(tǒng)的日常備份操作，我們同時采用了兩種備份方案，自動備份功能由服務(wù)器操作系統(tǒng)中創(chuàng)建的任務(wù)計劃進(jìn)行，該任務(wù)計劃每隔24小時執(zhí)行一次編寫有MySQL數(shù)據(jù)庫備份文件導(dǎo)出命令的bat文件。而手動備份功能則由管理員在備份管理界面通過按鈕調(diào)用MySQL數(shù)據(jù)庫中的存儲過程執(zhí)行mysqldump命令來實現(xiàn)。

5 小結(jié)

本系統(tǒng)所設(shè)計的農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，為日光溫室的信息化、智能化管理體系的建立提供了技術(shù)支撐。系統(tǒng)在為農(nóng)戶提供空氣質(zhì)量異常短信提示功能的同時，也可以通過本系統(tǒng)可以實時獲取到來自一線的真實現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)集中存儲在遠(yuǎn)程服務(wù)器上，農(nóng)業(yè)技術(shù)人員與專家可以在對大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善現(xiàn)有的大棚種植模式、方法。在提高農(nóng)作物產(chǎn)量、降低運營成本的同時，提升農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)管理工作的效率，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)[5]。