黃鳳英*，江仁海，林建龍，馮俊國，李夢鶴，楊和融

?

分布式的智能遠程林園檢測管理系統(tǒng)設(shè)計

黃鳳英*，江仁海，林建龍，馮俊國，李夢鶴，楊和融

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建漳州，363105）

近年來，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。為實現(xiàn)林園多方位環(huán)境參數(shù)的遠程監(jiān)控和精確管理，設(shè)計了一種水平垂直二維分布式的智能檢測管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以通過采集終端模塊實時獲取遠程林園空氣溫濕度、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GPRS模塊傳送到服務(wù)器，后臺系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進行顯示和分析，將分析結(jié)果反饋到終端控制模塊實現(xiàn)對燈光、風(fēng)扇、水泵等的智能控制，使用戶對林園環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控更加全面，系統(tǒng)還可以通過手機、PDA、計算機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；遠程管理

引言

隨著國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國林園產(chǎn)業(yè)也不斷適應(yīng)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的需求，林園產(chǎn)業(yè)有小到大，由弱變強，正在進行著飛速發(fā)展。林園種植產(chǎn)業(yè)已成為農(nóng)村經(jīng)濟的支柱,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，本文提出一種分布式的智能遠程林園檢測管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對林園環(huán)境的遠程監(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)模式過于復(fù)雜。文獻[1]提出了在大棚中的環(huán)境監(jiān)測，應(yīng)用地點較為單一。本系統(tǒng)是針對植株習(xí)性開發(fā)的，所以應(yīng)用地點沒有較多限制。此外，該系統(tǒng)不具備垂直分層檢測的功能，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[2]提出了采用分區(qū)控制的方法，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，但其精準(zhǔn)性是建立在采用多個電子門閥控制上的，所以系統(tǒng)穩(wěn)定性還有待改善。而本系統(tǒng)通過實時的數(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)，使用單個門閥就可以完成，大大的提高了穩(wěn)定性。文獻[3]提出了運用云服務(wù)器將采集的大量數(shù)據(jù)進行實時統(tǒng)計分析，但檢測數(shù)據(jù)較少。而本文為了解決以上的問題，本系統(tǒng)采用多層分布式的取點檢測，有著數(shù)據(jù)精確、功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量的優(yōu)點。實時或定時采集林園的土壤水分、溫度、空氣溫濕度，光照強度等數(shù)據(jù)，用戶可以設(shè)定每個地塊的灌溉策略，實現(xiàn)定時定量無人值守的自動灌溉。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于分布式多層檢測智能遠程林園管理系統(tǒng)由上位機和主控下位機組成。每個單元在配置完畢后采用數(shù)據(jù)模塊化的模式進行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)各個監(jiān)測單元將數(shù)據(jù)傳輸給主控單片機后，單片機將結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊反饋的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過過濾算法將信息進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)，圖中可以看出每個監(jiān)測點實時或定時采集的綠化植被土壤水分、土壤溫度、空氣溫濕度、光照強度等數(shù)據(jù)，均可以實時地以圖形或者表格方式顯示。用戶可以通過圖形界面設(shè)定每個地塊的灌溉策略，實現(xiàn)定時、定量的無人值守的自動灌溉。每個監(jiān)測點都有唯一的標(biāo)識符，每一個小時會向服務(wù)器發(fā)送一次數(shù)據(jù)，用戶可以通過網(wǎng)頁或者APP獲取數(shù)據(jù)，并且根據(jù)實際情況向服務(wù)器發(fā)送相關(guān)命令，控制電子門閥進行水泵的灌溉和光帶的補光等操作[4-8]。本系統(tǒng)采用了圖形用戶界面，用戶操作簡單方便。

圖2 功能結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖3 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)下位機由主控單片機、GPRS模塊、環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊等組成。其中單片機為控制單元，負責(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中進行信息預(yù)處理，之后單片機通過GPRS模塊中的TCP傳輸模式將數(shù)據(jù)包定時傳輸?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關(guān)。

2.1 一體式多分布多層監(jiān)測點

圖4 監(jiān)測點分布圖

本系統(tǒng)根據(jù)實際的環(huán)境勘測，本著效益最大化以及各傳感器的測量范圍得出，約每50平方米分別布一個水平和垂直監(jiān)測點，布點示意圖如圖4所示，通過二維分布式布檢測點，用戶可以了解到水平及垂直植株的土壤生長環(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)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(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期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。

光照強度傳感器采用TSL2561光照強度傳感器，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，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應(yīng)的輸出信號。這種傳感器可檢測多種有害氣體，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

本設(shè)計通用模塊采用SIM900A 模塊，該模塊是一款尺寸緊湊的 GSM/GPRS 模塊，性能強大，可以內(nèi)置客戶應(yīng)用程序，且功耗低，待機模式電流低于 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的信息穩(wěn)定傳送到服務(wù)器上，與服務(wù)器輕松進行交互。

2.4 控制節(jié)點設(shè)計

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)時間為溫度閾值節(jié)點對比時間；濕度控制采用中間繼電器控制水霧噴頭，持續(xù)時間為濕度閾值節(jié)點對比時間；光合控制采用中間繼電器控制專門的光合作用補光燈，該補光燈經(jīng)實際測試波長非常適合植物的生長，基本可解決植株的生長問題。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件算法

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

由于系統(tǒng)選擇的傳感器在進行數(shù)據(jù)采集時，種種外界因素干擾會導(dǎo)致測量不夠精確，所以為了提高測量的精準(zhǔn)度，在系統(tǒng)采集端程序設(shè)計之初，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個數(shù)據(jù)，也就是一個小時為一個周期，就進行中值平均濾波算法進行數(shù)據(jù)過濾，去掉6個數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，然后取剩余4個數(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

對于斷網(wǎng)的情況，下位機會存儲上次從服務(wù)器發(fā)送過來的各環(huán)境變量閾值，如果檢測到斷網(wǎng)，那么下位機就會切換為斷網(wǎng)模式，通過控制電子門閥，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，并且將這段時間收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)存儲起來。當(dāng)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)時，下位機將之前的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，此外開始使用從服務(wù)器發(fā)送過來的標(biāo)準(zhǔn)值。

3.1.3 濕度校準(zhǔn)

由于傳感器濕度在測量時會因環(huán)境而產(chǎn)生一定的偏差，經(jīng)過實際檢驗后，發(fā)現(xiàn)濕度偏差與以e為底數(shù)的對數(shù)和時間存在聯(lián)系，得出如下校準(zhǔn)公式（1）。

真實濕度=測量濕度+（ln12-|12-t|）*2 （1）

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

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

表1 溫濕度數(shù)值表

3.2 Web端與移動端功能設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)上位機采用技術(shù)

本文移動客戶端采用的是ionic框架，它是一種HybridAPP（半原生半Web的混合類App），有著良好的用戶交互體驗和Web app跨平臺優(yōu)勢，不僅可在Android上運行，還可以在IOS上運行，顯著節(jié)省移動應(yīng)用開發(fā)的時間和成本，性能更加簡潔實用。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)測點

圖6-b app設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)值

圖6-c app消息提醒

Web前端界面主要運用boorstrap框架，它擁有流媒體網(wǎng)格布局響應(yīng)式設(shè)計，能夠自定義表單元素，簡潔靈活，使得Web開發(fā)更加快捷；Web服務(wù)端以thinkphp框架為基礎(chǔ)，進行業(yè)務(wù)的構(gòu)建與擴展，thinkphp不僅能夠自動完成表單數(shù)據(jù)的驗證和過濾，生成安全的數(shù)據(jù)對象，而且上手快速，簡潔輕巧的ORM實現(xiàn)，配合簡單的CURD以及AR模式，讓開發(fā)效率無處不在。整個系統(tǒng)支持多數(shù)據(jù)庫連接和動態(tài)切換機制，支持分布式數(shù)據(jù)庫。圖7為Web端界面。

圖7 Web端查看監(jiān)測點

Web服務(wù)端與移動客戶端的數(shù)據(jù)交互格式以json為主，移動客戶端訪問服務(wù)端的api，通訊安全采用了微信開發(fā)中的access_token機制，app移動客戶端通過提交appid和appsecert來獲取token,服務(wù)器端對token緩存7200秒，客戶端也采取緩存機制，客戶端會進行判斷本地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,就直接再請求獲取token。

3.2.2 控制模式

控制模式分為手動控制和自動控制兩種模式，用戶可以在手動控制下錄入自己種植的植物生長所需的各項數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值，下位機通過判斷系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值之差與閾值進行對比，控制澆水、補光等操作；自動控制，服務(wù)器云端會有許多植株的標(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，那么下位機將會根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與對應(yīng)植株下系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進行對比，進行澆水、補光等操作。

表2 植物習(xí)性表

3.2.3 監(jiān)測點數(shù)據(jù)測試

用戶可以選擇查看某個監(jiān)測點下的某個環(huán)境值。本文主要針對龍眼樹園林進行試驗，系統(tǒng)根據(jù)龍眼樹的習(xí)性表進行設(shè)置相應(yīng)的閾值，上位機遠程獲取到溫度、濕度、光照照度等環(huán)境參數(shù)后，對參數(shù)進行判斷，如下午濕度低于閾值，需要補水，那么系統(tǒng)就會打開水泵加水，使土壤濕度控制在利于龍眼樹生長習(xí)性范圍。龍眼樹檢測區(qū)域的溫濕度測試值如圖8-a、8-b所示。

圖8-a 溫度監(jiān)測情況

圖8-b 濕度監(jiān)測情況

此外，為了讓用戶能夠更直觀的得出各區(qū)域龍眼樹的情況,用戶可以同時選擇幾個監(jiān)測點相同的環(huán)境變量，進行一定的對比，如圖9顯示了龍眼樹土壤上層和下層的溫度情況。

圖9 不同監(jiān)測點溫度對比情況

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種分布式的智能遠程林園檢測管理系統(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，系統(tǒng)自動監(jiān)測各個環(huán)境參量，并且根據(jù)各個區(qū)域的不同閾值設(shè)定采取不同的補償措施。實現(xiàn)灌溉過程的無人值守，減少人員的工作強度，提高灌溉效率；并且當(dāng)前各個環(huán)境參量、土壤酸堿度、植被生長情況等實況信息將在系統(tǒng)內(nèi)進行智能云數(shù)據(jù)分析，之后進行智能培育養(yǎng)護，并且可以將實時數(shù)據(jù)通過手機APP、網(wǎng)頁客戶端等形式發(fā)送給綠化管理者，同時實現(xiàn)遠程控制。而系統(tǒng)也會為各個不同習(xí)性的植株配置不同的個性化閾值，具有方便、直觀、快捷、可操作性高的優(yōu)點。

[1] 黃鳳英, 許策, 俞志強, 等. 農(nóng)業(yè)大棚自適應(yīng)監(jiān)測管理系統(tǒng)[J]. 南方農(nóng)機, 2017, 48(1): 25-28.

[2] 周海蓮, 張軍國, 楊睿茜, 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)監(jiān)控軟件開發(fā)[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, (15): 23-28.

[3] 孟祥蓮, 王嘉鵬, 張世龍. 基于云平臺的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]. 黑龍江科學(xué), 2016, 8(15): 36-40.

[4] 蘇健民, 苑九海, 郎紅, 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)林環(huán)境長期監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備, 2016, 11(233): 44-51.

[5] 劉曉惠. 基于無線技術(shù)的溫室農(nóng)業(yè)大棚智能控制的研究[D]. 武漢: 武漢工業(yè)大學(xué), 2012.

[6] 閆敏杰, 等. 物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2011, 27(8): 464-467.

[7] 王東. 根系吸水模型的分析及相對根長密度的估算[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2002, 05.

[8] 陳一飛, 路河, 劉柏成, 等. 日光溫室草莓立體栽培智能控制系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2013, 29: 184-189.

[9] 余國雄, 王衛(wèi)星, 謝家興, 等.基于物聯(lián)網(wǎng)的荔枝園信息獲取與智能灌溉專家決策系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2016, 32(20): 144-152.

[10] 謝家興, 余國雄, 王衛(wèi)星, 等. 基于無線傳感網(wǎng)的荔枝園智能節(jié)水灌溉雙向通信和控制系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2015, 31(增刊2): 124-130.

[11] 丁筱玲, 楊翠翠, 吳玉紅, 等. 基于無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測與智控灌溉系統(tǒng)設(shè)計研究[J]. 節(jié)水灌溉, 2015, 40(7): 86-89.

[12] 李乃川, 趙寒濤, 國思茗, 等. 基于Team Viewer的遠程自動控制實驗?zāi)M恒壓供水設(shè)備[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2015, 34(2): 97-99.

[13] Mare Srbinovska, Cvetan Gavrovski, Vladimir Dimcev, et al.Environmental parameters monitoring in precision agriculture using wireless sensor networks [J]. Journal of Cleaner Production, 2015, (88): 297-307.

[14] 吳勇靈, 楊娜, 潘曉慧, 等. 基于LabVIEW 和Team Viewer 濕度遠程檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 科技通報, 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[J]. 無線電通信技術(shù), 2017, 43(3): 81-84.

[16] 劉洋洋. 基于WebGIS的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展綜合管理決策系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2016, 39(04): 76-85.

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. 分布式的智能遠程林園檢測管理系統(tǒng)設(shè)計[J]. 數(shù)碼設(shè)計, 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。

國家自然科學(xué)基金號61771244，福建省自然科學(xué)基金號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