鐵皮石斛智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

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(jì)。通過(guò)對(duì)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(dòng)客戶端的開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)，達(dá)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、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(jì)；開(kāi)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(bǔ)腎、健脾養(yǎng)胃、潤(rùn)肺生津等功效[1]。鐵皮石斛由于過(guò)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(duì)培養(yǎng)環(huán)境條件要求比較苛刻。本項(xiàng)目通過(guò)在鐵皮石斛種植基地引入智能物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、精確和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測(cè)鐵皮石斛種植的環(huán)境參數(shù)，實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)，傳輸至終端進(jìn)行分析處理，以便及時(shí)調(diào)整和控制鐵皮石斛的種植管理工藝，實(shí)現(xiàn)鐵皮石斛低耗、優(yōu)質(zhì)、高效的規(guī)模化擴(kuò)繁，實(shí)時(shí)、科學(xué)和精確的馴化和種植管理，最終實(shí)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(jì)

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(yùn)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(shí)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(jì)

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(yuǎn)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(gè)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(gè)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(shí)每個(gè)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(jī)采集按鍵的信息，通過(guò)隔離電路將信號(hào)傳送到通訊模塊。（3）通訊電路，用單片機(jī)和4G通訊電路實(shí)現(xiàn)整機(jī)的無(wú)線通訊，將面板采集到的用戶的按鍵信息通過(guò)云端發(fā)送到控制設(shè)備上實(shí)現(xiàn)對(duì)受控設(shè)備的手動(dòng)控制。采用基于XML與WebService組件化開(kāi)發(fā)模式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)模塊/組件的松藕合。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

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(gè)部分。根據(jù)對(duì)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(guò)有線以太網(wǎng)或GPRS無(wú)線傳輸兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸，用戶通過(guò)手機(jī)或電腦就可輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域環(huán)境信息的實(shí)時(shí)查看與遠(yuǎn)程控制。智能適配器給外接傳感器供電，單個(gè)模塊可接6路傳感器?？刂破魍ㄟ^(guò)發(fā)布命令來(lái)完成協(xié)調(diào)和指揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作，包括指令寄存器、程序計(jì)數(shù)器、時(shí)序產(chǎn)生器、指令譯碼器和操作控制器。

本項(xiàng)目基于2.4 GHz的無(wú)線自組網(wǎng)傳輸終端，同時(shí)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(gè)傳輸終端可同時(shí)接入5到10路傳感器；可選配GPS定位模塊，通過(guò)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(duì)接。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要由分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)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(chǔ)平臺(tái)

基于“云計(jì)算”技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與解析應(yīng)用軟件，系統(tǒng)前端采用負(fù)載均衡單元，分布式調(diào)度存儲(chǔ)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(chǔ)平臺(tái)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(tái)服務(wù)程序，運(yùn)行有數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)關(guān)接收節(jié)點(diǎn)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(kù)中。數(shù)據(jù)采集儀是傳感器采集物理信息的設(shè)備。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)INT類型的節(jié)點(diǎn)號(hào)進(jìn)行標(biāo)示（NodeID），可以接入多個(gè)傳感器。數(shù)據(jù)表主要用來(lái)存儲(chǔ)、分析及處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由傳感器歷史數(shù)據(jù)表、傳感器實(shí)時(shí)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(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表主要用于上層應(yīng)用中定時(shí)刷新、實(shí)時(shí)顯示等功能；傳感器信息表由DataCenter服務(wù)程序自動(dòng)寫(xiě)入，詳細(xì)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(jì)量單位信息等。

1.3.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

遠(yuǎn)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?cái)?shù)據(jù)的管理，可展示電腦與手機(jī)終端上實(shí)時(shí)、直觀的數(shù)據(jù)。采用ZigBee無(wú)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(diǎn)上。用戶可以在平臺(tái)上查看實(shí)時(shí)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(jì)圖、打印報(bào)表、數(shù)據(jù)庫(kù)備份等。

1.3.3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

設(shè)備遠(yuǎn)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(guò)繼電器可以自由控制各種生產(chǎn)設(shè)備[7]。用戶通過(guò)電腦和手機(jī)終端從遠(yuǎn)程登入系統(tǒng)，查看設(shè)備的工作情況，并對(duì)設(shè)備直接下達(dá)控制命令；還可通過(guò)GSM或NET向下位機(jī)發(fā)送命令來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)大小、自動(dòng)化等功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的功能。

2 鐵皮石斛智能栽培管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 環(huán)境控制系統(tǒng)開(kāi)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(zhǎng)需求，結(jié)合設(shè)定模型，自動(dòng)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(zhǎng)情況，自動(dòng)控制溫室天窗、簾幕、濕簾、風(fēng)機(jī)、空調(diào)等設(shè)備；根據(jù)所需參數(shù)精準(zhǔn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)鐵皮石斛生長(zhǎng)所需的氣候環(huán)境、灌溉和水肥，從而提高精準(zhǔn)種植的水平。

2.2 中控控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)控制裝置有手/自動(dòng)切換功能，可以在中央監(jiān)控與管理計(jì)算機(jī)界面上分別設(shè)置每個(gè)區(qū)的環(huán)境控制操作。采用NVR對(duì)溫室內(nèi)安裝的所有高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行中心控制，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像的實(shí)時(shí)傳輸與監(jiān)控，同時(shí)通過(guò)視頻圖像實(shí)時(shí)觀察鐵皮石斛的生長(zhǎng)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(shí)別設(shè)備組成，主要作用是感知識(shí)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(cè)到的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。傳輸層主要作用是利用各種不同類型的無(wú)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(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)，可在手機(jī)上查看鐵皮石斛的生長(zhǎng)環(huán)境狀況。應(yīng)用層可實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉、土壤檢測(cè)、病蟲(chóng)害預(yù)防、視頻監(jiān)控等功能的遠(yuǎn)程遙控操作。

2.3 智能控制管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

在智能管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析頁(yè)中，通過(guò)軟件進(jìn)行單個(gè)數(shù)據(jù)的曲線分析，或多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的對(duì)比分析；并通過(guò)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(duì)智能設(shè)備進(jìn)行智能控制[8]。

2.4 移動(dòng)客戶端的實(shí)現(xiàn)

客戶端實(shí)現(xiàn)采用PHP語(yǔ)言，實(shí)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(guò)手機(jī)客戶端可實(shí)時(shí)查詢現(xiàn)場(chǎng)傳感器信息以及對(duì)通風(fēng)、加濕等設(shè)備進(jìn)行控制，提高管理效率。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與市級(jí)智慧農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)平臺(tái)的對(duì)接，視頻、傳感等信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享；同時(shí)與浙江省智慧農(nóng)業(yè)云視頻可視化平臺(tái)無(wú)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(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)及鐵皮石斛種植要求，設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)控制模塊，并針對(duì)可靠性、可擴(kuò)展性和低功耗進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；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(fù)責(zé)采集溫室環(huán)境參數(shù)，配有傳感器、微處理器和無(wú)線通信模塊；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用自適應(yīng)加權(quán)平均值數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，解決海量歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和智能化調(diào)控。

4 結(jié)語(yǔ)

智能管理系統(tǒng)通過(guò)采用先進(jìn)的現(xiàn)代化高新技術(shù)，對(duì)鐵皮石斛的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(jī)、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(guò)WiFi或各類移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)站進(jìn)行訪問(wèn)，瀏覽各種傳感器信息，并實(shí)施對(duì)各種設(shè)備的控制[7]。同時(shí)，還可針對(duì)蘋(píng)果、安卓等系統(tǒng)定制APP，使得操作更加便捷、功能更加強(qiáng)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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