黨 鵬

(甘肅財貿(mào)職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本研究的監(jiān)測系統(tǒng)包含感知控制層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺數(shù)據(jù)管中心以及應(yīng)用層。感知控制層包括傳感器以及其他控制設(shè)備，其中傳感器主要用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳導(dǎo)至網(wǎng)絡(luò)層，控制設(shè)備科根據(jù)應(yīng)用層指令對環(huán)境變量進(jìn)行控制，并形成一定的報表數(shù)據(jù)并傳輸至平臺層，最終通過接口顯示給用戶。

1.1 感知控制層

利用多種傳感器模塊，對農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度、碳酐濃度、土壤含水量等環(huán)境變量進(jìn)行監(jiān)測。多種傳感器模塊包含光照度傳感器、溫濕度傳感器、泥土含水量傳感器、 CO2檢測模塊、NH3檢測模塊?？刂颇K主要對大棚的光照、溫度和土壤濕度進(jìn)行控制，設(shè)備包括可控透風(fēng)設(shè)備、光照調(diào)節(jié)設(shè)備、照明設(shè)備和灌溉設(shè)備等。傳感器控制器MCU單元采用STM32F103系列芯片，組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee協(xié)議。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

感知控制層各模塊之間的組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee協(xié)議完成，ZigBee協(xié)議是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，有著低花費(fèi)、低能量、高容錯性和自組織性等特點(diǎn)[1]。網(wǎng)絡(luò)層還要完成數(shù)據(jù)的匯聚和上傳工作，該項(xiàng)功能主要通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備MCU單元采用STM32F4系列芯片，同時內(nèi)置cc2530系列芯片，可以將ZigBee協(xié)議包轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議包，從而起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的作用，然后通過以太網(wǎng)接口或WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_層進(jìn)行分析。網(wǎng)絡(luò)層同時具有數(shù)據(jù)指令下發(fā)的功能，平臺層或應(yīng)用層的控制指令可以通過TCP/IP協(xié)議下發(fā)至網(wǎng)絡(luò)層，再由網(wǎng)關(guān)設(shè)備解析為ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)，再次下發(fā)至控制模塊。

1.3 平臺層

本系統(tǒng)平臺層起到的作用主要有Web服務(wù)和數(shù)據(jù)處理兩個功能。Web 服務(wù)器通過Tomcat 部署，使傳感器采集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)中心交互，進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)處理后，通過頁面反饋給用戶進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)的安全采用授權(quán)方 式保障，后臺提供 Restful 接口，返回的 JSON 格式數(shù)據(jù)供第三方調(diào)用。系統(tǒng)內(nèi)的終端設(shè)備通過UDP、TCP 與Web服務(wù)器建立連接，可以上報數(shù)據(jù)以及接收控制命令[2]。

服務(wù)器主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫管理、環(huán)境數(shù)據(jù)分析、規(guī)則聯(lián)動等功能。服務(wù)器軟件使用Java語言編寫。服務(wù)器可接收端口進(jìn)行監(jiān)聽，一旦接收到感知層的連接請求，服務(wù)器將啟動線程對感知模塊上報的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。提取數(shù)據(jù)后，將其存入數(shù)據(jù)庫，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以數(shù)據(jù)報表的形式發(fā)送到應(yīng)用層。同時還可根據(jù)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)流程的設(shè)計規(guī)則，下發(fā)對應(yīng)的控制指令，以自動的改善環(huán)境。

在實(shí)時顯示各監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的同時，需要形成對環(huán)境的長期監(jiān)測，則需要對一段時間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，并形成報表，所以還需設(shè)計實(shí)時數(shù)據(jù)庫以及歷史數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫采用傳統(tǒng)MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，以提升報表查看機(jī)能，給用戶更好的使用體驗(yàn)。

1.4 應(yīng)用層

本監(jiān)測系統(tǒng)采用Web 頁面和安卓APP應(yīng)用2種方式展示環(huán)境監(jiān)控結(jié)果。 Web頁面使用HTML5、jQuery等主流頁面技術(shù)開發(fā)，通過Ajax技術(shù)調(diào)用服務(wù)端接口，得到環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)解析后通過圖表等形式展示[2]。APP應(yīng)用的開發(fā)基于安卓技術(shù)架構(gòu)，將平臺層處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，方便用戶獲得實(shí)時監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)和對生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

感知層通過環(huán)境溫濕度傳感器獲取當(dāng)前大棚環(huán)境中的溫度、濕度、二氧化碳和光照數(shù)據(jù)，通過土壤監(jiān)測傳感器獲取土壤中的含水量信息?？刂茊卧ㄟ^可控繼電器控制風(fēng)扇、照明、溫度補(bǔ)光燈和遮光簾的開關(guān)。

網(wǎng)絡(luò)層通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)感知層組網(wǎng)和各模塊數(shù)據(jù)的傳輸，同時肩負(fù)感知層數(shù)據(jù)上報的工作，因?yàn)楦兄獙訑?shù)據(jù)是通過ZigBee協(xié)議傳輸，而平臺層與網(wǎng)絡(luò)層之間通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，因此網(wǎng)關(guān)還有一個重要功能就是不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用的網(wǎng)關(guān)同時具有ESP8266模塊和CC2530模塊，并通過ModBus協(xié)議將ZigBee數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為TCP/IP數(shù)據(jù)包，從而將數(shù)據(jù)傳入網(wǎng)絡(luò)層。該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換過程同樣適用于下行數(shù)據(jù)。

平臺層具有傳感器數(shù)據(jù)以及管理應(yīng)用功能，通過 TCP/IP 協(xié)議收集數(shù)并進(jìn)行處理，服務(wù)器在接收到環(huán)境數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫中，然后系統(tǒng)再根據(jù)數(shù)據(jù)計算每一時刻監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)，并以報表的形式顯示給用戶，還可發(fā)送至應(yīng)用層。在平臺層還需要設(shè)置自動控制規(guī)則，按照用戶要求，針對相應(yīng)環(huán)境變量完成自動控制。

應(yīng)用層用戶可以利用Web 頁面和安卓APP應(yīng)用查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，完成設(shè)備控制。當(dāng)然，這都取決于平臺層的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，數(shù)據(jù)傳輸依靠TCP/IP協(xié)議完成。

3 結(jié)語

發(fā)展智能農(nóng)業(yè)是目前提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的關(guān)鍵，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的結(jié)合，促進(jìn)了智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，尤其是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃已上升至國家策略的高度，更加明確了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。雖然智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)在技術(shù)層面有突破，但讓其真正符合現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求還有一定的差距[3]。

本研究從我國大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，支持農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的背景出發(fā)，針對國內(nèi)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和用戶對智能化生產(chǎn)的需求，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、Android 技術(shù)和智能控制系統(tǒng)等相融合，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)[4]，對大棚內(nèi)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境變量的監(jiān)測和自動控制技術(shù)進(jìn)行研究，本文設(shè)計的系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性，同時還有成本低、容易搭建和可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，適合在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行推廣。