物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)在溫室大棚控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫潔，李廣林

(華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山063009)

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物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)在溫室大棚控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫潔，李廣林

(華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山063009)

溫室大棚；控制系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算

由于溫室大棚企業(yè)需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)種類較多，相應(yīng)的硬件和軟件購買及維護(hù)費(fèi)用支出比較大，這對(duì)大棚種植用戶來說也是一項(xiàng)不小的開支。針對(duì)上述問題提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的溫室大棚控制系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)是通過互聯(lián)網(wǎng)使監(jiān)測終端進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)物物相連。大棚用戶可以把軟件安到云計(jì)算平臺(tái)，將用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)傳到云計(jì)算平臺(tái)中，并在云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析，以此來指導(dǎo)大棚的種植。只需租賃廉價(jià)的服務(wù)器不僅節(jié)省了購買軟硬件的費(fèi)用支出，而且也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和創(chuàng)新性。

0 引言

自20 世紀(jì)以來，物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)發(fā)展迅速，云計(jì)算技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵核心技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)處理方面起到不可或缺的作用。對(duì)于規(guī)模龐大的溫室大棚企業(yè)來說，傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)無法將訪問壓力平均分配到多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)而造成多種后續(xù)問題；而且需要為硬件服務(wù)器和軟件系統(tǒng)支付昂貴的費(fèi)用。云計(jì)算技術(shù)是把軟件安到云計(jì)算平臺(tái)，不需要在本地PC 上安裝[1]，并將采集到數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到租賃的云計(jì)算平臺(tái)中。企業(yè)可以通過互聯(lián)網(wǎng)登陸平臺(tái)查詢數(shù)據(jù)，平臺(tái)采用并行計(jì)算等高級(jí)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以更好地指導(dǎo)大棚種植。在云計(jì)算集中化數(shù)據(jù)中心資源池環(huán)境中，由于GE 以太網(wǎng)絡(luò)延伸作用，遠(yuǎn)端RAM/SSD 的容量與本地存儲(chǔ)相差不超過1 個(gè)數(shù)量級(jí)，數(shù)據(jù)訪問延時(shí)則比本地HHD 減少30 倍，帶寬降低1 倍。

1 系統(tǒng)總體方案

基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的溫室大棚控制系統(tǒng)由以下三部分組成：監(jiān)控設(shè)備部分(感知部分)、網(wǎng)絡(luò)傳輸部分和應(yīng)用部分。應(yīng)用部分就是數(shù)據(jù)和服務(wù)的總和?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　溫室大棚控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)監(jiān)控設(shè)備部分

監(jiān)控設(shè)備部分也就是感知部分，通過在溫室大棚內(nèi)放置大量的采集節(jié)點(diǎn)，包括監(jiān)測大棚參數(shù)的主要傳感器，如溫濕度傳感器、CO2傳感器、光照傳感器等，對(duì)蔬菜生長的環(huán)境信息進(jìn)行感知和數(shù)據(jù)采集。

(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸部分

通過ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地傳輸?shù)皆破脚_(tái)，將各種傳感器和監(jiān)測設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸和通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)物物相連和對(duì)環(huán)境參數(shù)的高速數(shù)據(jù)傳輸。

(3)應(yīng)用接口部分

應(yīng)用接口包括數(shù)據(jù)管理和云服務(wù)[2]。數(shù)據(jù)管理也就是云計(jì)算平臺(tái)，在平臺(tái)上可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行計(jì)算處理等高級(jí)計(jì)算方法，統(tǒng)一管理大棚的數(shù)據(jù)信息。云服務(wù)就是通過Web 服務(wù)訪問云平臺(tái)，用戶可以利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)觀測大棚的數(shù)據(jù)和生長情況，有問題還可以對(duì)在線監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在上述3層結(jié)構(gòu)中，大棚產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，需要云計(jì)算平臺(tái)優(yōu)化存儲(chǔ)和管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1ZigBee 無線通信模塊

要進(jìn)行ZigBee 的無線傳感網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，需要有對(duì)應(yīng)的硬件支撐，尤其是支持ZigBee協(xié)議棧的硬件，對(duì)于不同的傳感器來說還需要不同的傳感器信號(hào)調(diào)理電路。不過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)通信部分的硬件電路是不變的。還需要下載器把程序下載到相應(yīng)的硬件當(dāng)中[3]。本方案采CC2530-EB 核心板。主要包括CC2530 單片機(jī)、天線接口、I/O 擴(kuò)展接口以及晶振。CC2530 單片機(jī)是支持IEEE 802.15.4 協(xié)議的無線射頻單片機(jī)，同時(shí)完全兼容8051 內(nèi)核。具有非易失性存儲(chǔ)器，允許應(yīng)用程序保存必要的數(shù)據(jù)，保證這些數(shù)據(jù)在設(shè)備重啟后繼續(xù)可用。

2.2數(shù)據(jù)采集

傳感器是將被測量的物理或化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，是系統(tǒng)中比較重要的部件，關(guān)系到采集數(shù)據(jù)的精確度、系統(tǒng)的價(jià)位和功耗，所以選擇傳感器型號(hào)至關(guān)重要。

2.2.1 空氣溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)采用美國Humier 公司產(chǎn)品Humier-15。此傳感器功能強(qiáng)大，具有極好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，測量范圍廣，將空氣溫度濕度數(shù)據(jù)上傳至終端節(jié)點(diǎn)，記錄的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出“EXECL”報(bào)表。

2.2.2 土壤濕度傳感器

本設(shè)計(jì)采集的濕度信號(hào)為土壤濕度，選用KTR-100 濕度傳感器，模擬式傳感器，此傳感器具有優(yōu)良的線性，如高性價(jià)比高、能耗低、測量范圍寬、響應(yīng)迅速、抗污染能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2.2.3 CO2濃度傳感器

本設(shè)計(jì)采用KTR-CO2-NDIR 濃度傳感器，模擬式傳感器，485接口或4～20 mA 輸出，量程可選為0～2 000 ppm、0～5 000 ppm、0～10 000 ppm 。該傳感器功能強(qiáng)大，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測大棚內(nèi)CO2濃度，提供準(zhǔn)確的指標(biāo)讀數(shù)。

2.2.4 光照強(qiáng)度傳感器

NHZD10 無線光照強(qiáng)度變送器支持多種終端訪問，具有多種無線、有線數(shù)據(jù)傳輸多樣化的解決方案，可將光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)上報(bào)，并具有安裝簡單、人機(jī)界面友好的特點(diǎn)[4]。

2.3云計(jì)算硬件平臺(tái)

大棚企業(yè)不需要自己搭建云計(jì)算硬件平臺(tái)，只需租賃Amazon 公司廉價(jià)的平臺(tái)即可。因?yàn)樽约捍罱ú粌H要考慮硬件資源問題，還有系統(tǒng)維護(hù)與管理人員成本開銷問題。下面簡單介紹硬件平臺(tái)。

所謂硬件平臺(tái)其實(shí)就是云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心，包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器等在內(nèi)的所有硬件設(shè)施。硬件平臺(tái)具有可擴(kuò)展性，根據(jù)使用量來支付服務(wù)費(fèi)。在平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)大棚數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)管理一體化。在數(shù)據(jù)中心，統(tǒng)一管理如下大棚數(shù)據(jù)：辦公數(shù)據(jù)(日常辦公的文檔、表格等文件)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)(各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)攝像頭采集的視頻監(jiān)控信息)、歷史數(shù)據(jù)(各監(jiān)控中心收集的蔬菜生長環(huán)境數(shù)據(jù))、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備瞬時(shí)采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù))、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)[5](對(duì)以上幾種數(shù)據(jù)的匯總和分析后所得到的數(shù)據(jù))。

云計(jì)算Hadoop 平臺(tái)的硬件配置非常簡單，將所有的計(jì)算機(jī)通過交換機(jī)連接上網(wǎng)線，將其部署到一個(gè)局域網(wǎng)里，并且為各臺(tái)計(jì)算機(jī)分配一個(gè)IP 地址，Hadoop 平臺(tái)的硬件部分就可配置完成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括ZigBee 無線通信節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)和云平臺(tái)程序設(shè)計(jì)。

3.1ZigBee 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

IAR 的開發(fā)環(huán)境用于軟件的編寫。一般情況下，協(xié)調(diào)器代碼需要單獨(dú)編寫，路由器和終端節(jié)點(diǎn)可以使用同一個(gè)源文件，只要在編譯時(shí)選用不同的選項(xiàng)即可[6]。協(xié)調(diào)器需要跟用戶PC機(jī)進(jìn)行交互，因此可以使用串口來實(shí)現(xiàn)，協(xié)調(diào)器代碼需要包含串口初始化以及串口接受數(shù)據(jù)處理部分，有已知代碼可實(shí)現(xiàn)任務(wù)初始化函數(shù)。協(xié)議棧提供的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)代碼內(nèi)容如下：

aFStatus_t AF_DataRequest(afAddrType_t *dstAddr,

endPointDesc_t *srcEP,

uint16 cID,

uint16 len,

uint8 *trants ID,

uint8 options,

uint8 radius)

該函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，當(dāng)需要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)時(shí)，可以設(shè)置一個(gè)事件，在事件處理函數(shù)中實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的發(fā)送等工作。圖2 為協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的流程圖。

圖2　協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)流程圖

3.2云平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

云平臺(tái)軟件中心包括辦公中心、服務(wù)中心、數(shù)據(jù)中心、云存儲(chǔ)中心、控制中心和數(shù)據(jù)源管理器幾部分。云平臺(tái)軟件中心內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。數(shù)據(jù)源管理器是數(shù)據(jù)中心和各個(gè)監(jiān)控設(shè)備和現(xiàn)有系統(tǒng)的接口，能完成數(shù)據(jù)包解碼并按照數(shù)據(jù)模型存放到數(shù)據(jù)中心。服務(wù)中心對(duì)大量實(shí)時(shí)和歷史大棚數(shù)據(jù)進(jìn)行高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)環(huán)境狀況和變化趨勢作出準(zhǔn)確判斷[7]。辦公中心為平臺(tái)的大棚用戶提供個(gè)性化的界面和服務(wù)?？刂浦行氖钦麄€(gè)平臺(tái)的控制平臺(tái)，控制著數(shù)據(jù)源管理器、數(shù)據(jù)中心和服務(wù)中心。

圖3　云計(jì)算平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

另外，云服務(wù)客戶通過瀏覽器來訪問這些云服務(wù)。在瀏覽器上，可以基于JavaScript等技術(shù)提供動(dòng)態(tài)的網(wǎng)頁。云服務(wù)層次圖如圖4 所示。

圖4　云服務(wù)層次圖

數(shù)據(jù)庫訪問層也叫信息集成層,用于屏蔽所有的數(shù)據(jù)庫操作。該層完成對(duì)象在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的保存、更新、查詢和刪除操作。可以通過Java 持久化API 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)這個(gè)層次。對(duì)象層提供了一套API，在細(xì)粒度上描述各個(gè)對(duì)象。一般而言，一個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)著一個(gè)數(shù)據(jù)庫的表。服務(wù)層只是調(diào)用對(duì)象層的對(duì)象來進(jìn)行相關(guān)操作。服務(wù)接口提供了服務(wù)的接口和具體實(shí)現(xiàn)，可以通過EJB 來實(shí)現(xiàn)。Web 層用戶通過門戶層訪問云服務(wù)?？梢允褂肳eb2.0 技術(shù)提供動(dòng)態(tài)交互功能來實(shí)現(xiàn)客戶層[8]。

使用J2EE 平臺(tái)開發(fā)云服務(wù)，將所有的JSP、EJB、HTML、部署信息等組合成一個(gè)EAR 文件。EAR 是一個(gè)以.ear 為后綴的JAR 文件。該EAR 文件可以被部署到任何與J2EE 平臺(tái)兼容的系統(tǒng)上。通過EAR 文件，可以將一個(gè)云服務(wù)集合組成不同的子集，來為系統(tǒng)提供不同的云服務(wù)。

4 結(jié)論

(1)將終端檢測設(shè)備與ZigBee 相連組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，不僅能準(zhǔn)確、有效地檢測環(huán)境參數(shù)，還能輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)作物各個(gè)生長環(huán)境階段的監(jiān)控。在數(shù)據(jù)傳輸方面也具有很高的安全性和高效性。數(shù)據(jù)在云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，節(jié)省了用戶大規(guī)模的硬件投資，使收益獲得較大的提高。云計(jì)算采用并行計(jì)算和分布式計(jì)算等高級(jí)計(jì)算方法完成數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)共享。

(2)云計(jì)算平臺(tái)通過創(chuàng)建虛擬設(shè)備和虛擬容器來統(tǒng)一各類存儲(chǔ)設(shè)備和文件系統(tǒng)的接口，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間的統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)并行訪問、數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)，并保證了性能和空間動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。

[1]葛文杰,趙春江.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,(07):222-230.

[2]丁治明,高需.面向物聯(lián)網(wǎng)海量傳感器采樣數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫集群系統(tǒng)框架[J].計(jì)算機(jī)學(xué) 報(bào),2012,(06):1175-1191.

[3]錢志鴻,王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào),2013,(01):215-227.

[4]顏波,石平,丁德龍.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制[J].管理工程學(xué)報(bào),2014,(03):196-202.

[5]張懷南,楊成.我國云計(jì)算教育應(yīng)用的研究綜述[J].中國遠(yuǎn)程教育,2013,(01):20-26.

[6]羅軍舟,金嘉暉,宋愛波等.云計(jì)算:體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J].通信學(xué)報(bào),2011,(07):3-21.

[7]畢玉革,麻碩士.我國現(xiàn)代溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009,(3)：226-227.

[8]李翠然,吳昊.物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)[J].中興通訊技術(shù),2012,12(4):21-22.

Application of Internet of Things and Cloud Computing Technology in Control System of Greenhouses

SUN Jie, LI Guang-lin

(College of Electrical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063000, China)

greenhouse; control system; Internet of things; cloud computing

Because there are many types of data to monitor the greenhouse enterprises, the corresponding hardware and software to purchase and maintenance costs are relatively large, which is not a small greenhouse for the user's spending. A greenhouse control system based on Internet of things and cloud computing is proposed for the above problems. Internet of things is through the Internet to monitor the terminal for communication to achieve physical objects. Greenhouse users can use the software to the cloud computingplatform, using network technology to collect the data is transmitted to the cloud computing platform, and the data storage and statistical analysis on the cloud platform, in order to guide the greenhouse planting. Only renting cheap servers not only saves the cost of hardware and software, but also improves the stability and innovation of the system.

2095-2716(2016)03-0103-05

TP393.03

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