張明麗 呂偉德 邊天煜 宋濤

摘 要：文章闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鐵皮石斛智能管理系統(tǒng)的電路、網(wǎng)絡(luò)、硬件及軟件設(shè)計。通過對環(huán)境控制系統(tǒng)、中控控制系統(tǒng)、智能控制管理系統(tǒng)及移動客戶端的開發(fā)和實現(xiàn)，達到智能化栽培管理的目的。利用基于多傳感器信息融合的鐵皮石斛智能管理系統(tǒng)在種植基地中的應(yīng)用，實現(xiàn)實時、科學(xué)和精確的種植管理。

關(guān)鍵詞：鐵皮石斛；物聯(lián)網(wǎng)；智能管理；設(shè)計；開發(fā)

鐵皮石斛（Dendrobium candidum Wall.ex Lind L.）為蘭科石斛屬多年生附生草本植物。鐵皮石斛作為一種名貴藥材，具有滋陰補腎、健脾養(yǎng)胃、潤肺生津等功效[1]。鐵皮石斛由于過度采挖，野生資源瀕臨絕種；加之自然繁殖率低，數(shù)量已十分稀少，現(xiàn)大部分依靠人工種植。但與其他植物不同，鐵皮石斛對培養(yǎng)環(huán)境條件要求比較苛刻。本項目通過在鐵皮石斛種植基地引入智能物聯(lián)網(wǎng)，實時、動態(tài)、精確和遠程視頻監(jiān)測鐵皮石斛種植的環(huán)境參數(shù)，實時收集數(shù)據(jù)，傳輸至終端進行分析處理，以便及時調(diào)整和控制鐵皮石斛的種植管理工藝，實現(xiàn)鐵皮石斛低耗、優(yōu)質(zhì)、高效的規(guī)?；瘮U繁，實時、科學(xué)和精確的馴化和種植管理，最終實現(xiàn)鐵皮石斛的生態(tài)化、規(guī)?；托畔⒒姆N植。

1 鐵皮石斛智能栽培管理系統(tǒng)設(shè)計

鐵皮石斛智能栽培管理系統(tǒng)的研發(fā)是農(nóng)業(yè)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的跨界融合，運用現(xiàn)代生物技術(shù)與現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的方法[2-5]，采用以仿野生栽培模式，實施“智能化物聯(lián)網(wǎng)”管理，形成以“互聯(lián)網(wǎng)+仿野生”為主導(dǎo)的生態(tài)種植與智能管理理念。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

鐵皮石斛智能栽培管理系統(tǒng)由傳感采集、視頻監(jiān)控、智能分析和遠程控制4部分組成。使用PCB制版軟件Altuim Designer 17繪制系統(tǒng)電路圖，將電路分成了3個模塊電路：（1）電源電路，用于將輸入的220 V交流電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)工作所需的12 V直流電壓，為整個電路系統(tǒng)供電。（2）面板電路，用于電路按鍵控制部分的用戶交互，電路板上有按鍵，同時每個按鍵都配有相應(yīng)的LED指示當(dāng)前電路的狀態(tài)，并使用單片機采集按鍵的信息，通過隔離電路將信號傳送到通訊模塊。（3）通訊電路，用單片機和4G通訊電路實現(xiàn)整機的無線通訊，將面板采集到的用戶的按鍵信息通過云端發(fā)送到控制設(shè)備上實現(xiàn)對受控設(shè)備的手動控制。采用基于XML與WebService組件化開發(fā)模式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)模塊/組件的松藕合。

1.2 硬件設(shè)計

硬件架構(gòu)主要有傳感器、傳輸終端、智能適配器及控制器4個部分。根據(jù)對溫室大棚控制的要求，系統(tǒng)需要設(shè)有空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、風(fēng)速傳感器及風(fēng)向傳感器等。傳輸終端是專業(yè)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境下的智能設(shè)備，通過有線以太網(wǎng)或GPRS無線傳輸兩種方式進行數(shù)據(jù)的采集與傳輸，用戶通過手機或電腦就可輕易實現(xiàn)對目標區(qū)域環(huán)境信息的實時查看與遠程控制。智能適配器給外接傳感器供電，單個模塊可接6路傳感器?？刂破魍ㄟ^發(fā)布命令來完成協(xié)調(diào)和指揮計算機系統(tǒng)的操作，包括指令寄存器、程序計數(shù)器、時序產(chǎn)生器、指令譯碼器和操作控制器。

本項目基于2.4 GHz的無線自組網(wǎng)傳輸終端，同時集合“北斗”系統(tǒng)第一代衛(wèi)星通訊模塊及二代定位模塊，研制出超低功耗性能的數(shù)據(jù)傳輸終端[6]。每個傳輸終端可同時接入5到10路傳感器；可選配GPS定位模塊，通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)快速將數(shù)據(jù)信息同步發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器，與GIS系統(tǒng)整合對接。

1.3 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要由分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲平臺、遠程數(shù)據(jù)傳輸及遠程控制系統(tǒng)3部分組成。

1.3.1 分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲平臺

基于“云計算”技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)專用數(shù)據(jù)存儲與解析應(yīng)用軟件，系統(tǒng)前端采用負載均衡單元，分布式調(diào)度存儲處理海量的數(shù)據(jù)，兼容不同數(shù)據(jù)交換協(xié)議，支持災(zāi)難性的數(shù)據(jù)恢復(fù)[6]。數(shù)據(jù)存儲平臺主要由服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)表構(gòu)成。服務(wù)器是數(shù)據(jù)采集后臺服務(wù)程序，運行有數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)關(guān)接收節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并發(fā)送至服務(wù)器，可將數(shù)據(jù)保存至MySQL數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)采集儀是傳感器采集物理信息的設(shè)備。每個節(jié)點都有一個INT類型的節(jié)點號進行標示（NodeID），可以接入多個傳感器。數(shù)據(jù)表主要用來存儲、分析及處理監(jiān)測系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)及實時數(shù)據(jù)，由傳感器歷史數(shù)據(jù)表、傳感器實時數(shù)據(jù)表和傳感器信息表3張數(shù)據(jù)表構(gòu)成。傳感器歷史數(shù)據(jù)表采用MySQL數(shù)據(jù)庫進行存儲，用于上層應(yīng)用中的圖表顯示、歷史查詢、分類查詢等目的；傳感器實時數(shù)據(jù)表主要用于上層應(yīng)用中定時刷新、實時顯示等功能；傳感器信息表由DataCenter服務(wù)程序自動寫入，詳細描述所要顯示的傳感器名稱、傳感器通道名稱，及通道數(shù)據(jù)所使用的計量單位信息等。

1.3.2 遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于傳感器采集的溫室內(nèi)部溫濕度、光照、土壤含水量等數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的管理，可展示電腦與手機終端上實時、直觀的數(shù)據(jù)。采用ZigBee無線傳輸模式上傳傳感器采集的數(shù)據(jù)，再用ZigBee發(fā)送模塊將傳感器的采集數(shù)據(jù)傳送到ZigBee節(jié)點上。用戶可以在平臺上查看實時數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)管理及為用戶提供的匯總統(tǒng)計圖、打印報表、數(shù)據(jù)庫備份等。

1.3.3 遠程控制系統(tǒng)

設(shè)備遠程控制系統(tǒng)主要由控制設(shè)備和相應(yīng)的繼電器控制電路組成，通過繼電器可以自由控制各種生產(chǎn)設(shè)備[7]。用戶通過電腦和手機終端從遠程登入系統(tǒng)，查看設(shè)備的工作情況，并對設(shè)備直接下達控制命令；還可通過GSM或NET向下位機發(fā)送命令來實現(xiàn)開關(guān)、調(diào)節(jié)大小、自動化等功能，實現(xiàn)遠程操作的功能。

2 鐵皮石斛智能栽培管理系統(tǒng)開發(fā)

2.1 環(huán)境控制系統(tǒng)開發(fā)

采用智能環(huán)境調(diào)控技術(shù)，按照溫室小氣候環(huán)境和植物生長需求，結(jié)合設(shè)定模型，自動采集生物信息和環(huán)境信息。環(huán)境控制系統(tǒng)根據(jù)鐵皮石斛的生長情況，自動控制溫室天窗、簾幕、濕簾、風(fēng)機、空調(diào)等設(shè)備；根據(jù)所需參數(shù)精準的自動調(diào)節(jié)鐵皮石斛生長所需的氣候環(huán)境、灌溉和水肥，從而提高精準種植的水平。

2.2 中控控制系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)控制裝置有手/自動切換功能，可以在中央監(jiān)控與管理計算機界面上分別設(shè)置每個區(qū)的環(huán)境控制操作。采用NVR對溫室內(nèi)安裝的所有高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行中心控制，通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行圖像的實時傳輸與監(jiān)控，同時通過視頻圖像實時觀察鐵皮石斛的生長狀況。

中控控制系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成。感知層由大量感知、識別設(shè)備組成，主要作用是感知識別物體、采集捕獲數(shù)據(jù)信息。比如設(shè)置有土壤水分傳感器、土壤濕度傳感器、圖像傳感器等，可以感知作物環(huán)境的變化，把測到的數(shù)據(jù)記錄下來。傳輸層主要作用是利用各種不同類型的無線網(wǎng)絡(luò)，如3G網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)等將感知到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上，實現(xiàn)物物互聯(lián)，可在手機上查看鐵皮石斛的生長環(huán)境狀況。應(yīng)用層可實現(xiàn)節(jié)水灌溉、土壤檢測、病蟲害預(yù)防、視頻監(jiān)控等功能的遠程遙控操作。

2.3 智能控制管理系統(tǒng)開發(fā)

在智能管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析頁中，通過軟件進行單個數(shù)據(jù)的曲線分析，或多個傳感器數(shù)據(jù)的對比分析；并通過數(shù)據(jù)分析，建立專家模型，以此為基礎(chǔ)，在人工極少干預(yù)甚至不干預(yù)的情況下，對智能設(shè)備進行智能控制[8]。

2.4 移動客戶端的實現(xiàn)

客戶端實現(xiàn)采用PHP語言，實現(xiàn)服務(wù)器與客戶端的數(shù)據(jù)同步，并在一定程度上盡量降低用戶流量的使用。用戶通過手機客戶端可實時查詢現(xiàn)場傳感器信息以及對通風(fēng)、加濕等設(shè)備進行控制，提高管理效率。系統(tǒng)實現(xiàn)與市級智慧農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)平臺的對接，視頻、傳感等信息數(shù)據(jù)實時共享；同時與浙江省智慧農(nóng)業(yè)云視頻可視化平臺無縫接入。

3 鐵皮石斛智能栽培管理系統(tǒng)應(yīng)用

鐵皮石斛智能栽培管理系統(tǒng)在杭州鴻越生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司的鐵皮石斛生產(chǎn)基地進行應(yīng)用試驗。根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特點及鐵皮石斛種植要求，設(shè)計監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)：感知控制層基于ZigBee和RS485傳感器網(wǎng)絡(luò)及計算機控制模塊，并針對可靠性、可擴展性和低功耗進行了優(yōu)化設(shè)計；網(wǎng)絡(luò)傳輸層支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式和數(shù)據(jù)同步，形成系統(tǒng)層間數(shù)據(jù)樞紐；應(yīng)用層包含數(shù)據(jù)中心、阿里云服務(wù)器和智能控制策略系統(tǒng)；云終端負責(zé)采集溫室環(huán)境參數(shù)，配有傳感器、微處理器和無線通信模塊；監(jiān)測系統(tǒng)采用自適應(yīng)加權(quán)平均值數(shù)據(jù)融合方法進行數(shù)據(jù)處理。終端接入層采用Web前端技術(shù)和React Native為系統(tǒng)提供了可視化界面，實現(xiàn)對生產(chǎn)環(huán)境信息的遠程監(jiān)測，解決海量歷史數(shù)據(jù)的存儲問題，實現(xiàn)對設(shè)施設(shè)備的遠程控制和智能化調(diào)控。

4 結(jié)語

智能管理系統(tǒng)通過采用先進的現(xiàn)代化高新技術(shù)，對鐵皮石斛的生產(chǎn)過程進行動態(tài)監(jiān)測和控制，并根據(jù)其結(jié)果采取相應(yīng)的措施。智能管理系統(tǒng)可以支持手機、iPad等各種便攜式終端的瀏覽，用戶即使身在田間地頭，也可以通過WiFi或各類移動運營商網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)站進行訪問，瀏覽各種傳感器信息，并實施對各種設(shè)備的控制[7]。同時，還可針對蘋果、安卓等系統(tǒng)定制APP，使得操作更加便捷、功能更加強大，農(nóng)民易于接受，還可為名貴中藥材產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供有力支持。

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[8]胡玉林.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].杭州：浙江農(nóng)林大學(xué)，2018.