基于物聯(lián)網植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)的設計

孫 陽，白皓然，初留珠，王方艷，李 秀

(青島農業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

基于物聯(lián)網植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)的設計

孫 陽，白皓然，初留珠，王方艷，李 秀

(青島農業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

利用現(xiàn)代物聯(lián)網技術，設計了基于物聯(lián)網植物工廠監(jiān)管系統(tǒng)，包含農產品生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和農產品追溯系統(tǒng)兩部分。下位機通過在溫室大棚內布設ZigBee無線傳感網絡，精確感知溫室大棚內的環(huán)境因子，并通過ZigBee-Wifi網關將采集的數(shù)據(jù)通過分布式中間件利用Web service技術傳送到上位機網站；用戶可以通過電腦登陸農產品生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)查看實時環(huán)境信息，遠程操作大棚內的滴灌、溫控和補光等設施；還可以在大棚內種植農產品過程中使用電腦登陸農產品追溯系統(tǒng)，按追溯編號錄入農產品的種植日期、名稱、采摘時間、物流信息、銷售路徑等信息。銷售時，將生成的載有農產品信息的二維碼貼在包裝盒上，消費者可以通過手機掃二維碼標簽查詢農產品從種植到銷售的詳細信息。

植物工廠；物聯(lián)網；可追溯；遠程操作；Web Service

0 引言

傳統(tǒng)農業(yè)主要依靠農戶對農作物人工進行打藥、施肥憑經驗和感覺的耕作，這種耕作方式效率很低，工作量大；而現(xiàn)代農業(yè)引入物聯(lián)網技術，打破傳統(tǒng)農業(yè)存在的種種弊端，利用傳感器技術、RFID無線射頻技術和計算機網絡技術使農業(yè)生產實現(xiàn)“環(huán)境監(jiān)測、生產控制、質量追溯”的目的，從根本上改變農業(yè)生產管理方式[1]。物聯(lián)網的基本工作流程由 4 部分組成，即信息采集系統(tǒng)(RFID 系統(tǒng))、PML 信息服務器、產品命名服務器(ONS)和應用管理系統(tǒng)[2]。以日本、荷蘭等國家為代表的設施種植物聯(lián)網[3]，有著自動化技術高及管理工廠化的特點。

我國物聯(lián)網技術進入農業(yè)領域始于20世紀90年代，農業(yè)科技人員乃至農民都可以隨時隨地獲取各種科技信息、管理信息、市場供求信息、氣象和土壤信息、作物和病蟲害信息等[4]。

隨著物聯(lián)網的發(fā)展，將其應用于食品安全的追溯也已經成為潮流。物聯(lián)網技術為實現(xiàn)食品供應鏈自動化的跟蹤和追溯提供了基礎平臺，解決了蔬菜生產、加工、流通等一條龍追溯[5-7]。

近年來，農產品食物中毒事件不斷發(fā)生，市場上的農產品存在殘留超標農藥[8]，消費者無法辨別是否有毒，食用后常出現(xiàn)頭暈嘔吐癥狀。農戶種植的農產品一般通過供應商進入市場銷售，消費者對所購買的蔬菜等農產品的了解停留在供應商提供的標價上，無法獲得更詳細的信息，遇到有問題的農產品也無方向可查，很難放心食用。

歐盟委員會2002年178號法令中“可追溯性”被定義為：食品、飼料、畜產品和飼料原料在生產、加工、流通的所有階段具有的跟蹤追尋其痕跡的能力[9]?？勺匪蒹w系有助于確定食品的身份、歷史和來源，增強通過生產與銷售鏈追溯食品的能力， 是食品質量安全管理體系成功的要素之一[10]。在我國，農產品溯源發(fā)展比較晚，政府實施“無公害食品行動計劃”在全國開展，我國農產品溯源的建設從此拉開帷幕[11]。2008年，北京奧運會上，可以實現(xiàn)對全部運動員的食品進行溯源，是我國建設食品溯源系統(tǒng)以來一個很好的應用[12]。

本文針對物聯(lián)網溫室大棚的管理與控制，設計了一套精準感知、遠程監(jiān)控、防偽追溯的農產品生產管理系統(tǒng)，以提高農產品生產效率，促進農產品生產的精準化管理，使消費者吃得放心，同時為農戶在溫室的管理上帶來方便。

1 系統(tǒng)的結構

1.1 農作物生存環(huán)境檢測子系統(tǒng)

本設計在溫室內安裝采集器，下位機組建ZigBee無線傳感網絡，不斷地接收空氣溫度、光照強度、CO2濃度等信息，并經過網關傳輸?shù)竭h程網站。農戶可通過下位機上傳的數(shù)據(jù)對農作物的生存環(huán)境進行分析，從而科學合理地對農作物進行配比施肥，通過無線控制器對大棚里的農作物進行補光、通風及滴灌等動作，從而達到對農作物生存環(huán)境的調節(jié)。

1.2 農產品溯源子系統(tǒng)

種植戶通過登陸農產品溯源系統(tǒng)，按設計好的追溯編碼在后臺錄入農產品的種植日期、名稱、采摘時間、物流信息及銷售路徑等信息。銷售時，將生成的載有農產品信息的二維碼貼在包裝盒上，消費者可以掃二維碼標簽查詢農產品從種植到銷售的詳細信息。

2 系統(tǒng)總體設計

將農產品的基本信息和物流信息存入數(shù)據(jù)庫，然后生成并打印二維碼標簽，通過掃描器掃描二維碼就可以清楚地了解農產品的信息。

2.1 農產品生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)下位機由ZigBee采集器采集溫室內的光照強度、土壤水分含量等環(huán)境數(shù)據(jù)，經ZigBee-Wifi網關通過分布式中間件將采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機顯示，種植戶可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)通過控制器(無線網絡繼電器)來控制水泵、CO2發(fā)生器等設備，實現(xiàn)對溫室環(huán)境的調節(jié)。另外，本系統(tǒng)也實現(xiàn)了對溫室大棚的無人值守遠程監(jiān)控功能。

2.2 農產品追溯系統(tǒng)

管理員通過系統(tǒng)后臺將農產品的基本信息(包括種植日期，種植地，品種等)和物流信息存入SQLSERVER數(shù)據(jù)庫，然后生成并打印二維碼標簽；農戶和消費者可以通過手機和其他設備上的二維碼掃描器通過掃描標簽上的二維碼就可以清楚地了解農產品的生產日期、產地、采摘日期及食用方法等信息，進一步提高食品安全。

3 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

3.1 ZigBee無線傳輸網絡

核心芯片CC2530是一種片上系統(tǒng)芯片，主要應用在ZigBee中實現(xiàn)無線網絡的搭建，支持新RemoTI的ZigBee RF4CE CC2530，這是業(yè)界首款符合ZigBee RF4CE兼容的協(xié)議棧，在發(fā)射功率、鏈路預算、射頻噪聲抑制能力、低功耗及ESD防護能力方面優(yōu)勢明顯，支持系統(tǒng)編程。此外，CC2530芯片內部含有一個高性能的RF收發(fā)器，采用21內核，內置一個8051微處理器，支持中斷、DMA等功能，以及其他強大的支持功能和外設。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設計

該模塊內部含有一個ZigBee終端節(jié)點，該節(jié)點采用工業(yè)級ZigBee模塊，內部接有CC2591芯片，是一種射頻增強模塊，與2.4G全向天線結合使用，能夠實現(xiàn)500m的可靠穩(wěn)定的傳輸距離，同時當設備掉線時可以支持300m內自動重連。

節(jié)點外圍連接了5個傳感器用于采集溫室里的各種環(huán)境信息，包括空氣溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、土壤濕度、土壤溫度和光照強度傳感器。

3.3 控制器模塊的設計

控制器采用無線繼電器控制溫室內的照明等設施。

1)輸入端。VCC:繼電器模塊工作電壓正極；GND:繼電器模塊工作電壓負極；IN:控制信號輸入口。

2)輸出端。NO:繼電器常開端；COM:繼電器公共端；OFF:繼電器常閉端。

3.4 監(jiān)控模塊概述

本設計采用IP網絡攝像機，是一種內置TCP/IP協(xié)議棧的攝像機，內嵌無線網卡，有唯一的MAC地址，與普通相機或網眼的最大的區(qū)別是IPCAM是集成視頻服務器和CCD相機，自帶微處理器和內存，擁有屬于自己的IP地址。用戶使用時只需插上電源和以太網網線，通過IE瀏覽器輸入IP地址就可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。在設計實時圖像視頻功能模塊時，配置IP網絡攝像機的IP地址為靜態(tài)IP，視頻圖像嵌入在頁面中即可。

4 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)下位機使用TI公式的ZigBee 2007 Pro協(xié)議棧在IAR集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)，上位機使用微軟.NET平臺開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2013，開發(fā)語言使用面向對象語言C#。

4.1 下位機ZigBee節(jié)點的軟件設計

當采集器通電成功加入網絡后，通過網關向電腦端傳送確認信息并把該節(jié)點的IEEE地址、節(jié)點類型及采集節(jié)點使用定時器周期性采集環(huán)境參數(shù)上傳到網站。用戶通過給下位機發(fā)送讀取環(huán)境數(shù)據(jù)的指令后，協(xié)調器以廣播的形式發(fā)送到大棚內的采集器，最后再將采集器采集的數(shù)據(jù)發(fā)往上位機。

CC2530芯片外部連接有8路繼電器控制，通過無線網絡接收ZigBee-Wifi網關發(fā)來的通斷命令，實現(xiàn)控制設備的啟動與停止，如控制照明燈，滴灌設備、風機、植物補光燈及卷膜機等。當控制器通電成功加入傳感網絡后，通過ZigBee-Wifi網關，向中間件傳送確認成功信息，并發(fā)送該節(jié)點的IEEE地址、節(jié)點類型及網絡地址等信息。

ZigBee-Wifi模塊在本系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，它一端連接ZigBee無線網絡，另一端連接到互聯(lián)網，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同網絡協(xié)議間的傳輸。

4.2 分布式中間件軟件設計

4.2.1 中間件簡介

中間件是在服務器和應用程序客戶端轉達信息的組件，為了特定目的監(jiān)聽和回應消息，某些中間件會完成一些中間任務，有一些中間件會最終生成回應消息。現(xiàn)在的操作系統(tǒng)(如 Unix、Windows)或高級程序設計語言(如 Java、C#)均提供了像套接字(Socket)這樣相對簡單的網絡編程開發(fā)接口，支持編寫跨網絡交互的代碼； 但分布式中間件開發(fā)時有一缺點，就是必須使用多線程進行socket編程，開發(fā)和調試起來比較復雜。

4.2.2 socket編程設計

在網絡通信中，TCP協(xié)議屬于傳輸層，所以編寫的應用層服務要想使用傳輸層的服務，必須提供必要的服務接口，而這個接口服務就是通過套接字來實現(xiàn)的。socket套接字中包含兩個最重要的信息：本地終端、遠端IP和端口號。一臺電腦中的應用層要想與另一臺遠程主機的某個應用層進行通信，必須通過一個唯一的ID號來標識， IP地址和端口號就代表了網絡中唯一的應用層。

4.2.3 分布式中間件設計實現(xiàn)

本設計采用分布式中間件，主要功能是通過webservice跨平臺技術銜接上位機網站客戶端系統(tǒng)，通過端口監(jiān)聽與下位機ZigBee-Wifi網關實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上下行通信，以及數(shù)據(jù)格式解析、存儲，可部署在云端中任意計算機。本設計網站、下位機zigbee-wifi網關中的串口轉wifi模塊是 TCP/IP 協(xié)議中的客戶端，分布式中間件是服務器端。點擊“開始監(jiān)聽”按鈕，中間件會監(jiān)聽所在計算機的5000端口，當有客戶端連接請求時接受遠程連接，并左下角顯示遠程終端信息，同時顯示在線的節(jié)點IEEE地址。選中“啟動調試模式”后，點擊“獲取傳感數(shù)據(jù)”按鈕，可以在右側獲得傳輸?shù)囊允M制字符串顯示的數(shù)據(jù)格式。

Web Service主要實現(xiàn)跨平臺數(shù)據(jù)共享。通過SOAP協(xié)議，在 Web服務器上提供服務，使用WSDL文件說明使用方法，并通過UDDI注冊。該技術基于XML(可擴展標記語言)進行數(shù)據(jù)傳輸，中間件調用Web服務實現(xiàn)通信。

4.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計實現(xiàn)

SQL Server數(shù)據(jù)庫采用SQL Server身份驗證，用戶為sa，享有數(shù)據(jù)庫操作的最高權限。 SQL Server根據(jù)內部用戶權限，確定用戶在數(shù)據(jù)庫中權限。考慮到最后要將數(shù)據(jù)庫發(fā)布到遠程虛擬空間，本設計采用第2種SQL Server身份驗證方式登錄到數(shù)據(jù)庫，使網站更方便、更安全地鏈接到數(shù)據(jù)庫。

4.4 農產品追溯子系統(tǒng)

當用戶輸入追溯編碼或者種植戶查看查詢農產品信息時，頁面會轉到農產品具體信息頁面，顯示產品的詳細信息。界面中除了顯示農產品的詳細信息外，還提供了生成和打印二維碼功能。當該頁面首次加載時，會獲取當前頁面的URL路徑；點擊頁面中的圖片，就會將獲得的URL路徑生成二維碼，用戶通過掃描二維碼，就會轉到農產品詳細信息界面；當服務器連接了二維碼標簽打印機、點擊“打印”按鈕時，會將二維碼打印出來并貼到對應的農產品包裝盒上供消費者查詢。

很多系統(tǒng)供消費者可查詢的可追溯信息比較單一，僅僅局限于生產環(huán)節(jié)(包括蔬菜產地、生產日期和生產商等信息)，對于蔬菜質量安全比較重要的蔬菜種植環(huán)節(jié)信息、存儲和流通環(huán)節(jié)信息，以及全程質量安全追溯體系涉及的信息全面性考慮比較少。今后在數(shù)據(jù)方面要加大力度，以保證可追溯信息包含整個產業(yè)鏈[13]。

4.5 農產品生長環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)顯示頁面、監(jiān)控界面、遠程控制界面及查詢歷史數(shù)據(jù)界面。

1)實時傳感控制頁面主要用來顯示采集器采集的溫室大棚內的環(huán)境數(shù)據(jù)，分布式中間件調用Web服務器提供的方法，將數(shù)據(jù)以XML格式傳遞到電腦端，并保存到數(shù)據(jù)庫中。

2)無線監(jiān)控頁面主要實現(xiàn)對溫室大棚的實時監(jiān)控，采用無線網絡攝像頭，并在路由器端做端口映射，通過攝像頭控制面板，使用監(jiān)聽、錄像等功能，對溫室實時監(jiān)控。

3)遠程控制頁面可以遠程控制溫室內的開關設備，包括風機、照明燈設施。點擊閉合按鈕，設備就會動作。后臺啟用一個Timer定時器，用來不斷地刷新頁面讀取設備的狀態(tài)；后臺編寫對應的WebService方法，實現(xiàn)與中間件的通信。

4)歷史數(shù)據(jù)查詢頁面可以實現(xiàn)大棚環(huán)境歷史數(shù)據(jù)的查詢，數(shù)據(jù)顯示控件同樣使用了GridView控件；而數(shù)據(jù)源選擇存放傳感數(shù)據(jù)的XML文件，該頁面使用Timer定時器，每隔一段時間將傳感數(shù)據(jù)定時的存儲到數(shù)據(jù)庫中。

5 試驗驗證

系統(tǒng)設計完成后，試用于青島現(xiàn)代農業(yè)示范園內，遠程監(jiān)控生長環(huán)境信息及控制棚內的基礎設施。

該大棚屬于塑料大棚，長約60m，寬約10m，北面有2m多高的土墻，南面為半拱圓的棚面。棚內藍莓采用手動控制的滴灌進行灌溉，棚頂安裝半自動的卷簾機用于卷簾，棚區(qū)內覆蓋網絡。

從成本、測量范圍及控制設備角度考慮，在棚區(qū)內架設3個ZigBee采集節(jié)點，每個采集節(jié)點都配備溫濕度傳感器、CO2傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器及光照強度傳感器；1個ZigBee控制節(jié)點可控制8個設備，從安全角度考慮半自動卷簾機不考慮在內。

登錄生長環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)，默認進入實時傳感控制界面。實時傳感控制模塊包括檢測新傳感器節(jié)點的加入、傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)服務的啟停、傳感器節(jié)點的卸載、最新環(huán)境數(shù)據(jù)、按時間曲線顯示環(huán)境數(shù)據(jù)等功能，界面如圖1所示。

圖1 實時傳感數(shù)據(jù)顯示界面Fig.1 Real time sensing and control

實時圖像監(jiān)測模塊包括多畫面顯示視頻圖像及攝像頭云臺的轉動、語音、錄像、抓屏等功能，抓屏截圖如圖2所示。

圖2 多畫面監(jiān)控Fig.2 Multi screen display

對本系統(tǒng)在示范園內的硬件的部署、軟件操作步驟，以及安裝完成后對生長環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)和生產信息可追溯子系統(tǒng)進行測試，驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性，結果表明：系統(tǒng)運行正常，數(shù)據(jù)正確，達到預期要求。

6 結論

基于ZigBee無線網絡、傳感測量技術、計算機視覺技術及C#編寫上位機軟件，通過SQL數(shù)據(jù)庫和C# asp .net技術，形成了一個基于物聯(lián)網的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以提供不受時間和地理位置限制的靈活訪問方式,用戶可以根據(jù)需要隨時訪問系統(tǒng)的服務站點。管理者可以通過電腦、手持設備遠程登錄該系統(tǒng)掌握植物的生長環(huán)境，及時采取措施進行環(huán)境控制，對果實成熟度更及時地了解，便于采摘，并可以實現(xiàn)產品基本信息的追溯。該系統(tǒng)成本低，使用過程中操作簡單，適合普通種植戶使用，順應農業(yè)發(fā)展趨勢。系統(tǒng)將產品質量可追溯技術應用在該系統(tǒng)中，使產品從原料到生產到加工再至物流信息透明地呈現(xiàn)在消費者面前，具有一定的現(xiàn)實意義。

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Design of the Plant Factory Supervision System Based on Internet of Things

Sun Yang, Bai Haoran, Chu Liuzhu, Wang Fangyan, Li Xiu

(College of Engineering, QingDao Agricultural University, QingDao 266109, China)

By using modern Internet of Things technology, a plant factory supervision system is designed. The system includes two parts: agricultural product growth environment monitoring system and agricultural product traceability system. The zigbee wireless sensor network is installed in the greenhouses, and the lower computer can accurately perceive the environmental factors in the greenhouses. The collected data will be transmitted to the host computer website through the distributed middleware using the web service technology through the zigbee-wifi gateway. By logging into the computer environment monitoring system for agricultural products to view real-time environmental information, the user can remotely operate the greenhouse drip irrigation, temperature control and fill light and other facilities. In the process of planting agricultural products in the greenhouse, the user can use the computer to log on the agricultural product traceability system, and input the planting date, name, picking time, logistics information and sales path of the agricultural product according to the retrospective number.After the two-dimensional code containing the agricultural product information is attached to the box, the two-dimensional code label is scanned by the mobile phone, and the consumer can inquire the detailed information of the agricultural product from planting to selling.

plant factory; internet of things; traceability; remote operation; Web Service

2016-12-05

青島市民生科技計劃項目(14-2-3-54);山東省自然基金項目(ZR2013CL021);國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0 701204-2)

孫 陽(1991-),男，山東淄博人，碩士研究生，(E-mail) sunyang08_14@126.com。

白皓然(1968-)，男，山東青島人，副教授，碩士生導師，(E-mail)baihaoran111@126.com。

S24

A

1003-188X(2018)02-0197-05