基于物聯(lián)網(wǎng)的微型植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

左志宇，譚 潔，毛罕平，卓敏敏，胡勝堯，唐學平，張文忠，趙 常

(1.江蘇大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇白雪電器股份有限公司，江蘇 蘇州 215500)

0 引言

近年來，由于我國可耕地面積減少、自然災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)狀，使得傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)已經(jīng)不符合我國農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，需要向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，設(shè)施農(nóng)業(yè)是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個趨勢[1]。

植物工廠作為設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展最高階段的產(chǎn)物，具有受自然條件影響小、無污染、自動化程度高及作物生長周期可調(diào)控等優(yōu)點，指引著未來世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向[2-4]。密閉的植物工廠使用人工合成光替代自然日光，同時可以通過對其內(nèi)部環(huán)境的合理精確控制，為作物提供理想的生長環(huán)境[5-7]。隨著人們生活品質(zhì)的不斷提高，綠色、便捷的家庭用微型植物工廠應(yīng)運而生。微型植物工廠與大型植物工廠相比，縮小了空間，簡化了結(jié)構(gòu)，便于家庭使用，具有微型化、智能化的特點。

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)同互聯(lián)網(wǎng)、移動終端和智能控制結(jié)合起來[8-12]，基于Android和J2EE平臺，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的微型植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶不在家時依然可以通過手機、電腦，或?qū)⑵渫泄芙o服務(wù)器，遠程管理微型植物工廠，很大程度上緩解了城市居民缺乏時間或經(jīng)驗管理微型植物工廠的問題。

1 整體方案設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的微型植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)分為感知層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層等3層，如圖1所示。工作原理：感知層實現(xiàn)對本地微型植物工廠的信息獲取，主要通過相應(yīng)的傳感器采集微型植物工廠內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息及作物生長信息；獲取到的數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)層(Internet)傳輸至云服務(wù)器平臺集中處理,基于應(yīng)用層的具體功能設(shè)計各類終端應(yīng)用軟件，便于用戶、專家、系統(tǒng)管理員等不同身份的使用者遠程管理微型植物工廠。

圖1 系統(tǒng)整體方案示意圖Fig.1 System overall scheme diagram

系統(tǒng)整體設(shè)計分為數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行機構(gòu)模塊、主控制器、云服務(wù)器、Web端智能監(jiān)控管理系統(tǒng)(以下簡稱Web端應(yīng)用軟件)和Android端應(yīng)用軟件等6個部分，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度傳感器、液位傳感器和圖像傳感器。溫濕度傳感器選用AM2302數(shù)字溫濕度傳感器，液位傳感器采用側(cè)裝式浮球開關(guān)，圖像傳感器采用OV2640芯片對微型植物工廠內(nèi)部的植株生長情況進行記錄；執(zhí)行機構(gòu)模塊包括降溫設(shè)備、加熱設(shè)備、內(nèi)空氣循環(huán)設(shè)備、營養(yǎng)液循環(huán)設(shè)備以及補光設(shè)備等；主控制器選用STM32F407VGT6單片機；服務(wù)器選用可以彈性配置的阿里云服務(wù)器；Web智能監(jiān)控管理系統(tǒng)基于J2EE平臺開發(fā)，主要完成同服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交互，提供友好的界面供專家和用戶進行相應(yīng)操作，以及便于系統(tǒng)操作員管理系統(tǒng)內(nèi)的所有微型植物工廠和不同角色使用者之間的信息共享；手機端應(yīng)用軟件基于Android系統(tǒng)開發(fā)，完成同服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計圖Fig.2 Functional design diagram of the system

2 Android客戶端應(yīng)用軟件設(shè)計

2.1 軟件架構(gòu)

Android是Google開發(fā)的基于Linux平臺的開源手機操作系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)、用戶界面和應(yīng)用程序，在Eclipse集成開發(fā)環(huán)境下進行應(yīng)用軟件的開發(fā)。Android應(yīng)用軟件分為實時監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)查看、服務(wù)器托管和專家托管5個模塊。采用Android Java開發(fā)，利用自身數(shù)據(jù)庫SQLite實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，并結(jié)合SOCKET通信方式完成網(wǎng)絡(luò)通信，最終編譯運行生成APK文件，在使用Android操作系統(tǒng)的手機上直接安裝運行。

2.2 軟件開發(fā)環(huán)境

Android手機客戶端開發(fā)系統(tǒng)采用Android SDK+JAVA JDK6 + Eclipse搭建，云服務(wù)器可同時與多個手機移動端通信，并為每個移動端配置通信參數(shù)，包括1個IP地址和端口號，用戶登錄系統(tǒng)后通過獲取當前微型植物工廠的通信參數(shù)，并連接至云服務(wù)器。

2.3 界面設(shè)計

Android客戶端應(yīng)用軟件采用xml語言完成界面設(shè)計，本系統(tǒng)主要包含登錄界面，主功能界面，參數(shù)設(shè)置界面以及微型植物工廠的主控制界面等。1號微型植物工廠的Android客戶端應(yīng)用軟件界面如圖3所示。該控制界面通過與服務(wù)器連接將微信植物工廠的實時工作狀態(tài)顯示在該界面上，如顯示實時溫度、濕度、生長燈亮滅情況、當前批次的種植蔬菜名稱，以及微型植物工廠的托管狀態(tài)等信息。

圖3 Android客戶端應(yīng)用軟件界面Fig.3 Interface of Android client software

Android客戶端應(yīng)用軟件主要包含6個Activity，不同Activity之間通過Intent中間件進行通信以及變量的數(shù)據(jù)傳遞。界面屬性以及界面上控件的屬性、權(quán)限在配置文件manifest.xml中定義。

3 Web端智能監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計

考慮到B/S架構(gòu)用戶體驗良好且適用于廣域網(wǎng)的特點，本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)將服務(wù)端與客戶端分離，客戶端僅需借助瀏覽器，便可以通過網(wǎng)絡(luò)直接訪問數(shù)據(jù)。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)微型植物工廠Web端應(yīng)用軟件的實際需求，采用3層架構(gòu)，架構(gòu)的各部分組成如圖4所示。第1層：人機接口層，作為用戶、專家、管理員及不同角色人員進入軟件的功能接口，接收系統(tǒng)訪問者的輸入輸出請求，在網(wǎng)站前端顯示W(wǎng)eb服務(wù)器的執(zhí)行結(jié)果。第2層：各功能部件內(nèi)部接口層，是連接數(shù)據(jù)訪問層和表示層的橋梁，將軟件組件化實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)。第3層：數(shù)據(jù)庫訪問層，為人機接口層和各功能部件內(nèi)部接口層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，主要實現(xiàn)對后臺數(shù)據(jù)庫的管理功能。

圖4 智能監(jiān)控管理系統(tǒng)功能圖Fig.4 Functional diagram of the intelligent micro plant factory system

3.1.1 人機接口層界面設(shè)計

人機接口層為3層架構(gòu)中的第1層，提供人機交互界面。Web端界面使用HTML5+CSS3+JavaScript開發(fā)，使用Node.js作為JavaScript運行環(huán)境。微型植物工廠智能化監(jiān)控與管理系統(tǒng)主要包括以下幾個重要界面：用戶注冊與登錄、設(shè)備查看、手動控制、參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)查看及托管服務(wù)器等。由于本系統(tǒng)功能界面多且各功能界面中的表單子元素較多，采用Vue.js漸進式框架的自頂向上增量開發(fā)的設(shè)計，通過簡單的API實現(xiàn)響應(yīng)的數(shù)據(jù)綁定和組合，并采用其組件功能來制作各功能界面的表單，擴展HTML元素，封裝可重用的代碼。

3.1.2 功能部件接口層設(shè)計

接口層的設(shè)計需要結(jié)合微型植物工廠Web端應(yīng)用軟件各部分的主要功能，從而建立不同業(yè)務(wù)邏輯對應(yīng)的組件，主要包括用戶管理組件、設(shè)備管理組件、批次管理組件、實時監(jiān)控組件、參數(shù)設(shè)置組件、手動控制組件、托管服務(wù)器內(nèi)嵌組件，以及歷史數(shù)據(jù)查詢組件等。

3.1.3 數(shù)據(jù)庫中關(guān)鍵數(shù)據(jù)表設(shè)計

本文采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL建立服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫，并選擇可視化軟件MySQL-Front管理數(shù)據(jù)庫。微型植物工廠Web端智能監(jiān)控管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量多、類型豐富、數(shù)據(jù)相互之間關(guān)系復(fù)雜的特點，因此設(shè)計合理的數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵。根據(jù)對系統(tǒng)實際應(yīng)用的需求分析，創(chuàng)建名為weifactory的數(shù)據(jù)庫，共含有57張數(shù)據(jù)表。其中，涉及主要功能實現(xiàn)的數(shù)據(jù)表包括t-user表、t-device表、t-hand-control表、t-param-set表、t-batch表和s-param-set表。

在t-user表中存放用戶的基本信息，如用戶名、密碼、手機號及微信賬號等；在t-device表中存放所有在線的微型植物工廠的基本信息，如序列號、用戶及型號等；在t-hand-control表中存儲手動操作指令的相關(guān)信息，如換新風、施營養(yǎng)液、開營養(yǎng)液消毒燈管、開空氣消毒燈管、排營養(yǎng)液及開生長燈等；在t-param-set表中存放自動運行模式下的參數(shù)設(shè)置信息，如白天開始時間、白天結(jié)束時間、晚上開始時間、晚上結(jié)束時間、白天光照時長、白天光照間隔、白天溫度及晚上溫度等；在t-batch表中存儲具體某一臺微型植物工廠的種植批次信息，如作物類型、批次生成時間、溫度、濕度及生長燈亮滅情況等；在s-param-set表中存儲微型植物工廠在托管給服務(wù)器管理狀態(tài)下的默認參數(shù)設(shè)置信息，數(shù)據(jù)表中的具體字段同t-param-set表。

3.2 通信協(xié)議制定

Web端應(yīng)用軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)微型植物工廠環(huán)境參數(shù)的遠程采集及控制功能。為了確保數(shù)據(jù)傳輸功能的有效實現(xiàn)，通過標記的方式對傳輸信息加以區(qū)分。數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用如下格式：ZWGC#數(shù)據(jù)長長度#功能標識碼#指令編號#數(shù)據(jù)#時間戳$，數(shù)據(jù)協(xié)議中通過“#”對不同字段進行分隔，沒有數(shù)據(jù)的字段補0，并且協(xié)議以“$”結(jié)尾。功能模塊和指令碼對應(yīng)關(guān)系如表1所示。如ZWGC#00000001#0001#101#1#20170315080856$的含義為對目標微型植物工廠執(zhí)行手動控制功能，并打開其第1層的空氣循環(huán)開關(guān)，服務(wù)器執(zhí)行當前操作的時間為2017年3月15日8點8分56秒。

表1 功能模塊和指令碼對應(yīng)關(guān)系Table1 Functional module and command code correspondence

3.3 軟件整體開發(fā)與部署

3.3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

Web端應(yīng)用軟件是運用Eclipse使用Java語言開發(fā)的，在完成軟件開發(fā)以后，需要將網(wǎng)站發(fā)送到Tomcat服務(wù)器。網(wǎng)站的發(fā)布過程：

1)下載Tomcat到服務(wù)器硬盤的某具體路徑下，再在Eclipse中配置好Server運行環(huán)境，添加Tomcat服務(wù)器的本地安裝路徑；

2)在Eclipse中啟動Tomcat服務(wù)器，并運行Web端應(yīng)用軟件的系統(tǒng)程序；

3)用戶使用瀏覽器訪問微型植物工廠Web端智能監(jiān)控管理系統(tǒng)運行發(fā)布的網(wǎng)頁鏈接，直接訪問系統(tǒng)。

3.3.2 軟件部署環(huán)境

采用阿里云端服務(wù)器實現(xiàn)Web端智能監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件的部署。根據(jù)系統(tǒng)訪問量需求，CPU選擇2核4GB內(nèi)存配置，操作系統(tǒng)為64位CentOS V6.8，系統(tǒng)盤為40GB，通過付費方式購買彈性的云端服務(wù)器配置。

3.3.3 軟件部署流程

軟件部分部署在CentOS V6.8 Linux服務(wù)器上。在操作系統(tǒng)上同時運行Web服務(wù)、反向代理服務(wù)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)，分別使用Tomcat服務(wù)器和MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。在完成基礎(chǔ)通信組件的部署后，再依次完成Web前端組件的部署和圖片傳輸功能組件的部署，最后完成核心Web項目的部署。

4 系統(tǒng)應(yīng)用試驗

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

為了驗證基于物聯(lián)網(wǎng)的微型植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)的功能，在江蘇大學和江蘇白雪電器股份有限公司聯(lián)合研制的微型植物工廠中進行生菜種植試驗。

4.2 試驗設(shè)計

試驗于2018年3-5月進行，種植作物為生菜，生菜種子經(jīng)低溫催芽后在育苗室中育苗。待生菜苗長至4葉1心時，移入微型植物工廠栽培架上。營養(yǎng)液采用霍格蘭改進配方，調(diào)整pH值在6.0±0.5范圍內(nèi)，循環(huán)方式采取定時供應(yīng)營養(yǎng)液。試驗中溫度設(shè)置為白天25℃、夜間18℃；每栽培層光照條件相同，均為紅藍光配比為5∶1的LED生長燈，光周期設(shè)置為12h。試驗中的微型植物工廠如圖5所示。

4.3 Web端應(yīng)用軟件實現(xiàn)效果

基于物聯(lián)網(wǎng)的微型植物工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)Web端實現(xiàn)了登錄與注冊、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查看、遠程及時干預(yù)控制、自動運行參數(shù)設(shè)置、在線付費，以及將微型植物工廠托管給云服務(wù)器管理等功能。

試驗結(jié)果表明：用戶成功登錄系統(tǒng)以后，可以遠程查看對應(yīng)的微型植物工廠的運行情況(見圖6)，用戶還可以實現(xiàn)對微型植物工廠進行及時干預(yù)控制的功能(見圖7)，系統(tǒng)還可以實現(xiàn)用戶查看具體某一臺微型植物工廠的歷史數(shù)據(jù)的功能，對某段時間歷史溫度數(shù)據(jù)查看，如圖8所示。

圖5 試驗中的微型植物工廠Fig.5 The micro plant factory in experiment

圖6 實時狀態(tài)查看界面Fig.6 Real time state view interface for equipment

圖7 手動控制界面Fig.7 Manual control interface

圖8 歷史溫度查看界面Fig.8 Historical temperature view interface

5 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將本地傳感器信息采集、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、手機端應(yīng)用軟件和Web端應(yīng)用軟件相結(jié)合，開發(fā)出了一套應(yīng)用于微型植物工廠的遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)用戶可以遠程實時查看微型植物工廠狀態(tài)信息，即時干預(yù)控制；查看微型植物工廠的歷史環(huán)境信息，分析作物的長勢與環(huán)境信息的關(guān)系，為下一批次作物種植的環(huán)境優(yōu)化調(diào)控提供參考；用戶缺乏時間或經(jīng)驗管理微型植物工廠時，可以將其托管給專家或服務(wù)器代為管理。試驗結(jié)果表明：在應(yīng)用試驗中各功能模塊工作正常，作物長勢良好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡單方便，便于家庭使用。