摘 要 針對溫室作業(yè)環(huán)境分散復(fù)雜＼監(jiān)控系統(tǒng)不易進(jìn)行大規(guī)模部署等問題，設(shè)計一種基于邊緣計算與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（GEMS）。1）在建立邊緣計算與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相互融合的系統(tǒng)體系構(gòu)架基礎(chǔ)上，對溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的上位機(jī)、下位機(jī)進(jìn)行需求建模。2）根據(jù)需求模型對上、下位機(jī)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。上位機(jī)包括后臺管理、實(shí)時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)分析等模塊。下位機(jī)系統(tǒng)是由Arduino與多種環(huán)境傳感器組成的數(shù)據(jù)采集模塊、采用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)耐ㄐ拍K、能對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的邊緣計算模塊和實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間相互通訊的網(wǎng)關(guān)模塊組成。3）基于B/S架構(gòu)，采用Django Web框架、WebSocket協(xié)議、Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)GEMS原型系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；邊緣計算；溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；Django Web框架；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.17.056

目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正朝著現(xiàn)代化、智能化、規(guī)模化的方向發(fā)展，邊緣計算與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)被廣泛使用[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，溫室作業(yè)環(huán)境分散，不易進(jìn)行大規(guī)模監(jiān)測控制系統(tǒng)的分配部署[2-3]。同時，由于萬物互聯(lián)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量激增，導(dǎo)致計算資源的延遲問題越來越嚴(yán)重。因此，應(yīng)用邊緣計算和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)一套溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究不斷增多，使得農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟[4]。Mancuso等通過RTD24模塊實(shí)現(xiàn)了對西紅柿栽培過程中，環(huán)境信息的無線采集[5]。Morais等通過布設(shè)太陽能傳感器節(jié)點(diǎn)來對每個區(qū)域內(nèi)的環(huán)境因素進(jìn)行采集，將數(shù)據(jù)以RF鏈路方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，從而實(shí)現(xiàn)對葡萄種植區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的高效采集和無錯誤傳輸[6]。Park等基于ZigBee技術(shù)設(shè)計了一個能采集空氣溫濕度、葉片溫濕度數(shù)據(jù)，并能通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)自動對溫室內(nèi)的溫濕度進(jìn)行調(diào)控的監(jiān)測系統(tǒng)[7]。我國首個智慧溫室在北京市通州區(qū)投產(chǎn)后，溫室的發(fā)展經(jīng)歷了改良型日光溫室、大型玻璃溫室和現(xiàn)代化溫室3個階段[8-9]。隨后，我國進(jìn)入了設(shè)施農(nóng)業(yè)高速發(fā)展時期[10-11]。特別在邊緣計算與物聯(lián)網(wǎng)的推動下，溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。王環(huán)宇等研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室中的應(yīng)用，提出了溫室智能化設(shè)計方案[12]。段鋒銳從節(jié)能角度出發(fā)，設(shè)計了一套可節(jié)能92.06%的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[13]。王良帆基于CC2530感知器和STM32控制器，研發(fā)了能夠全面采集和存儲生長環(huán)境參數(shù)，并能監(jiān)控和調(diào)節(jié)植物生長條件的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[14]。汪靜波設(shè)計了基于邊緣計算的蟲害圖像和環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端，通過樹莓派完成蟲害圖像、環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，異常數(shù)據(jù)的處理，減少了無效數(shù)據(jù)的傳輸，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)資源，緩解網(wǎng)絡(luò)了壓力，保證了數(shù)據(jù)的魯棒性[15]。

溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)快速發(fā)展的同時，也暴露出很多問題。例如：對溫室環(huán)境信息的感知缺乏準(zhǔn)確性[1]；信號傳輸依然以有線通信為主；監(jiān)測系統(tǒng)搭建多采用C/S架構(gòu)，升級維護(hù)成本高；上層應(yīng)用軟件人機(jī)交互性差等[16-19]。再加之農(nóng)業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，傳感器采集的數(shù)據(jù)會參雜很多噪音，耗費(fèi)大量網(wǎng)絡(luò)資源和云端資源，造成網(wǎng)絡(luò)堵塞和數(shù)據(jù)傳輸中斷。針對上述問題，本文提出了基于邊緣計算與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（Greenhouse Environment Monitoring System Based on Edge Computing and Agricultural Internet of Things，GEMS）研究。在將邊緣計算與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互融合的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包含物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層、邊緣計算層、應(yīng)用層的系統(tǒng)體系構(gòu)架。在此構(gòu)架下對系統(tǒng)上、下位機(jī)進(jìn)行需求建模和詳細(xì)設(shè)計。下位機(jī)系統(tǒng)是由Arduino與多種環(huán)境傳感器組成的數(shù)據(jù)采集模塊、采用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)耐ㄐ拍K、能對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的邊緣計算模塊和實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間相互通訊的網(wǎng)關(guān)模塊組成。上位機(jī)包括了后臺管理、實(shí)時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)分析等模塊。最后，基于B/S架構(gòu)，采用Django Web框架、WebSocket協(xié)議、Ajax技術(shù)來實(shí)現(xiàn)GEMS原型系統(tǒng)。

1" 溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1" 基于邊緣計算與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

本文提出了一種基于邊緣計算與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)體系架構(gòu)（如圖1），其將上位機(jī)、下位機(jī)、邊緣計算與物聯(lián)網(wǎng)相融合，使得整個構(gòu)架具有良好的穩(wěn)定性、操控性和可維護(hù)性。該構(gòu)架是由物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層、邊緣計算層、應(yīng)用層組成。物聯(lián)網(wǎng)感知層通過各類傳感器、控制器，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測物理信息的獲取。傳輸層包含各類通信網(wǎng)絡(luò)，通過有線或無線方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。邊緣計算層提供對數(shù)據(jù)的預(yù)處理、壓縮、暫存、前端調(diào)控、網(wǎng)絡(luò)通信管理，是整個體系構(gòu)架的核心組件。應(yīng)用層提供了互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)和其他物聯(lián)網(wǎng)的接入，同時面向特定領(lǐng)域的應(yīng)用，為用戶提供可視化的交互平臺。

1.2" 系統(tǒng)需求建模

需求建模的過程就是用例的獲取過程，通過UML用例圖來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)需求建模。

1.2.1" 下位機(jī)需求建模

溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的下位機(jī)包括數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和邊緣計算模塊。數(shù)據(jù)采集模塊以溫室中空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境因子作為監(jiān)測對象。無線通信模塊要滿足自組網(wǎng)、定點(diǎn)傳輸、廣播傳輸、信道監(jiān)聽和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓δ苄枨蟆＞W(wǎng)關(guān)模塊能依據(jù)上位機(jī)需求，選擇上傳的節(jié)點(diǎn)信息或屏蔽對節(jié)點(diǎn)信息的接收。邊緣計算模塊具有數(shù)據(jù)處理和存儲能力，能對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、壓縮和處理。通過對圖像數(shù)據(jù)壓縮，來減輕上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理壓力及數(shù)據(jù)上傳時的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。還能搭載輕量級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對圖片進(jìn)行分析，去除異常圖片。同時，能對遠(yuǎn)端的采集設(shè)備進(jìn)行自動調(diào)控和網(wǎng)路通信管理，使采集設(shè)備具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)力。圖2為下位機(jī)的用例模型。

1.2.2" 上位機(jī)需求建模

溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的上位機(jī)由后臺管理模塊、實(shí)時監(jiān)測模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊和數(shù)據(jù)分析模塊等組成（見圖3）。系統(tǒng)將用戶角色分為系統(tǒng)管理員和操作用戶。系統(tǒng)管理員享有最高權(quán)限，操作用戶首先需要注冊、授權(quán)后方可登錄系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。后臺管理模塊只對系統(tǒng)管理員開放權(quán)限，該模塊可以對用戶、節(jié)點(diǎn)和設(shè)備進(jìn)行管理。實(shí)時監(jiān)測模塊可接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫并以圖表的形式實(shí)時展示在前端界面。歷史查詢模塊可對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。數(shù)據(jù)分析模塊提供了一種可自定義結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

1.3" 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

在對上下位機(jī)功能需求分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能模塊（見圖4）。下位機(jī)由數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和邊緣計算模塊組成。上位機(jī)包括了后臺管理模塊、實(shí)時監(jiān)測模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。

2" 溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)上下位機(jī)設(shè)計

2.1" 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)下位機(jī)系統(tǒng)需求分析進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，其整體架構(gòu)如圖5所示。下位機(jī)以樹莓派為邊緣計算網(wǎng)關(guān)，并將Arduino UNO單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集模塊的控制單元。數(shù)據(jù)采集模塊包含了溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、二氧化碳傳感器等采集節(jié)點(diǎn)，與控制單元、LoRa無線通信模塊和網(wǎng)關(guān)組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)監(jiān)聽各傳感器節(jié)點(diǎn)的LoRa信道，樹莓派對采集信息進(jìn)行處理，再基于MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)布到MQTT代理中，以便上位機(jī)采用訂閱的方式獲取下位機(jī)的發(fā)布數(shù)據(jù)。

2.2" 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

上位機(jī)系統(tǒng)采用如圖6的B/S架構(gòu)，分為前端、后端和數(shù)據(jù)庫3個部分。上位機(jī)系統(tǒng)開發(fā)使用Django Web框架，通過集成Channels庫使其支持WebSocket等全雙工通信協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測信息的可視化功能。前端通過HTML、CSS、JavaScript、JQuery等技術(shù)開發(fā)各模塊接口界面，可向服務(wù)器發(fā)送靜態(tài)、動態(tài)請求與產(chǎn)生信息交互，后端由Web服務(wù)器和Web框架組成。服務(wù)器使用的是Django Web框架自帶的輕量級Web服務(wù)器。

2.2.1" 后臺管理模塊動態(tài)結(jié)構(gòu)模型

后臺管理模塊包括用戶信息管理、節(jié)點(diǎn)信息管理和設(shè)備信息管理功能（見圖7）。系統(tǒng)管理員在登錄后臺管理站點(diǎn)后，可根據(jù)實(shí)際需求對普通用戶進(jìn)行增加、刪除、修改、查詢、權(quán)限等操作。還能對節(jié)點(diǎn)信息和設(shè)備信息進(jìn)行管理操作，并就其關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查詢。所有操作均需與服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生信息交互。

2.2.2" 實(shí)時監(jiān)測模塊動態(tài)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)實(shí)時監(jiān)測模塊需求分析，設(shè)計模塊工作時序（見圖8）。該模塊采用Ajax輪詢和WebSocket協(xié)議的通信方式[20]為用戶提供了實(shí)時數(shù)據(jù)的可視化顯示。模塊包含綜合監(jiān)測頁面、空氣溫度頁面、空氣濕度頁面、土壤濕度頁面和光照強(qiáng)度頁面。用戶在瀏覽器端選擇需要監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)，并向服務(wù)器發(fā)出開始采集命令后，服務(wù)器與瀏覽器建立WebSocket連接，再向?yàn)g覽器推送環(huán)境因子實(shí)時信息的同時與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，將數(shù)據(jù)保存進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。

2.2.3" 歷史數(shù)據(jù)查詢模塊動態(tài)結(jié)構(gòu)模型

歷史數(shù)據(jù)查詢模塊工作時序：用戶確定查詢的起止時間，選擇查詢節(jié)點(diǎn)，在對環(huán)境因子進(jìn)行選擇后，瀏覽器通過Ajax向后臺服務(wù)器請求數(shù)據(jù)，服務(wù)器對數(shù)據(jù)庫查詢后，將數(shù)據(jù)返回給歷史數(shù)據(jù)界面（見圖9）。

2.2.4" 數(shù)據(jù)分析模塊動態(tài)結(jié)構(gòu)模型

數(shù)據(jù)分析模塊的數(shù)據(jù)處理時序：首先，用戶需要在算法訓(xùn)練界面設(shè)置輸入層、隱含層、輸出層、訓(xùn)練次數(shù)、學(xué)習(xí)率等基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，然后設(shè)置樣本特征數(shù)、目標(biāo)值和樣本數(shù)量等網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練基本參數(shù)。填入詳細(xì)數(shù)據(jù)后，提交到服務(wù)器，對后臺的算法模型進(jìn)行構(gòu)建并進(jìn)行訓(xùn)練，后臺將訓(xùn)練的結(jié)果返回給前端（見圖10）。

3" 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面所述對基于邊緣計算與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)模型研究，再基于B/S架構(gòu)，采用集成Channels庫的Django Web框架、WebSocket協(xié)議、Ajax輪詢技術(shù)和MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫等工具來實(shí)現(xiàn)GEMS原型系統(tǒng)（見圖11）。通過程序開發(fā)、軟件調(diào)試、軟件測試等驗(yàn)證了該原型系統(tǒng)的有效性。

4" 結(jié)論

本文采用了邊緣計算和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在UML的支持下，構(gòu)建了基于邊緣計算與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件體系模型。該模型使得基于Web的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模式得以有效實(shí)現(xiàn)，同時使系統(tǒng)具有較好的復(fù)用性、可擴(kuò)展性。最后，采用Django Web框架、WebSocket協(xié)議、Ajax輪詢技術(shù)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)了WEMS原型系統(tǒng)。對軟件全生命周期的可視化建模，有效地降低了開發(fā)的風(fēng)險和成本，極大地提高了開發(fā)效率，對針對特定領(lǐng)域軟件的開發(fā)具有很好的實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]" 馬嬌.試驗(yàn)溫室溫度混雜系統(tǒng)的建模與預(yù)測控制[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2018.

[2]" 李萍萍，王紀(jì)章.溫室環(huán)境信息智能化管理研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014，45（4）：236-243.

[3]" 王鵬輝.基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)溫室控制管理系統(tǒng)設(shè)計[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2019.

[4]" 陳玉兵.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測及灌溉控制系統(tǒng)研制[D].西安：西安郵電大學(xué)，2019.

[5]" MANCUSO M， BUSTAFFA F. A wireless sensors network for monitoring environmental variable in atomato greenhouse[C]//International Workshop on Factory Communication Systems.IEEE， 2006.

[6]" MORAIS R， FERNANDES M A， MATOS S G， et al. A Zigbee mufti-powered wireless acquisition device for remote sensing applications in precision viticulture[J].Computers and Electronics in Agriculture， 2008， 62（2）：94-106.

[7]" PARK D H， KANG B J， CHO K R， et al. A study on greenhouse automatic control system basedon wireless sensor network[J].Wireless Personal Communications，2009，56：117-130.

[8]" 胡東亞，童孟軍.溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史及趨勢[J].計算機(jī)時代，2017（3）：6-9，13.

[9]" 趙一燃.現(xiàn)代溫室的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].新農(nóng)業(yè)，2018（9）：33-34.

[10] 蔣鵬.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的濕地水環(huán)境數(shù)據(jù)視頻監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2009，22（2）：244-248.

[11] 白冰.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的北方設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2013.

[12] 王懷宇，趙建軍，李景麗，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015，37（1）：123-127.

[13] 段鋒銳.基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].重慶：西南大學(xué)，2016.

[14] 王良帆.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

[15] 汪靜波.基于AIoT的農(nóng)業(yè)害蟲測報研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2021.

[16] MONTOYA F G，GOMEZ J， CAMA A ，et al.A monitoring system for intensive agriculture based on mesh networks and the android system[J].Computers and Electronics in Agriculture， 2013， 99：14-20.

[17] JAYARAMAN P P， YAVARI A， GEORGAKOPOULOS D， et al. Internet of things platform for smart farming： experiences and lessons learnt[J]. Sensors，2016，16（11）：1884.

[18] PEKOSLAWSKI B， KRASINSKI P， SIEDLECKI M， et al. Autonomous wireless sensor network for greenhouse environmental conditions monitoring[C]//Proceedings of the 20th International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems，2013：503-507.

[19] BERTINO E， CHOO K， GEORGAKOPOLOUS D， et al.Internet of things （IoT） ：smart and secure service delivery[J]. ACM Transactions on Internet Technology， 2016， 16（4）：1-7.

[20] 潘玉春， 胡劍鋒， 朱玉付. WEB可視化技術(shù)在電網(wǎng)大數(shù)據(jù)場景下的應(yīng)用研究[J].電力大數(shù)據(jù)，2019，22（3）：8-12.

（責(zé)任編輯：敬廷桃）

基金項(xiàng)目：云南省綠色食品牌項(xiàng)目。

作者簡介：普金安（1973—），本科，高級農(nóng)藝師，從事經(jīng)濟(jì)作物栽培。

*為通信作者，E-mail：29545343@qq.com。