溫室大棚積雪報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

張權(quán)，楊振宇，郭亞

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

2018年初大范圍暴雪，安徽、湖北、湖南等省部分地區(qū)種植養(yǎng)殖業(yè)大棚大面積損毀，農(nóng)作物受災(zāi)嚴(yán)重，受災(zāi)面積達(dá)34.13萬hm2，其中絕收1.65萬hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)25.1億元[1]。而這其中因薄膜大棚積雪未受到及時(shí)清理所造成的經(jīng)濟(jì)損失占了絕大部分[2]。據(jù)相關(guān)調(diào)查報(bào)告顯示，我國北方的降雪量將會(huì)逐年上升，這也意味著積雪將成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中越來越嚴(yán)重的隱患[3]。受災(zāi)大棚大多是塑料薄膜大棚，即頂部和四周覆蓋材料都是塑料薄膜的連棟溫室，與玻璃溫室和陽光板溫室在覆蓋材料和骨架構(gòu)建上有著一定的區(qū)別[4]。連棟薄膜溫室的骨架一般都比較輕便，價(jià)格也比較便宜。溫室薄膜在中國應(yīng)用多年，但高端薄膜的應(yīng)用并不是很普遍[5]，市場上走高端路線的進(jìn)口薄膜主要來自日本、以色列、希臘等國家[6]。雖然近幾年中國花卉行業(yè)對進(jìn)口膜的需求量有所增長，但仍然在小規(guī)模試用階段。

國內(nèi)對溫室大棚積雪檢測大多都是通過衛(wèi)星遙感圖像獲得大面積區(qū)域的積雪厚度或利用RGB傳感器，采集多通道彩色光譜信息，通過積雪的表面反射光譜曲線及變化特征來分析積雪厚度。但衛(wèi)星遙感只適用于大范圍積雪的積雪厚度；RGB傳感器采集的多通道彩色圖像的計(jì)算量較大，兩者均不適合小型系統(tǒng)在線使用[7]。

我國農(nóng)業(yè)用大棚主要為質(zhì)量一般價(jià)格低廉的薄膜大棚，其抗沖擊性和承重力都會(huì)受其成本的制約。在我國大面積使用普通薄膜大棚的情況下[8]，寒冷暴雪天氣又時(shí)常出現(xiàn)，棚頂積雪也就很容易導(dǎo)致大棚坍塌。目前，農(nóng)民清除積雪的方式主要為人工鏟雪，農(nóng)戶需憑借著多年的種植經(jīng)驗(yàn)預(yù)估大棚積雪的情況來進(jìn)行除雪，這種情況往往風(fēng)險(xiǎn)較高且受種植經(jīng)驗(yàn)限制[9]。而通過大棚積雪報(bào)警器發(fā)送信息來提醒主人及時(shí)清理積雪，能夠有效地減少農(nóng)業(yè)上的經(jīng)濟(jì)損失，具有極高的研究意義和使用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

通過設(shè)備終端搭載的薄膜壓力傳感器采集積雪對大棚實(shí)時(shí)的壓力，傳輸?shù)轿⒖刂茊卧?MCU)進(jìn)行處理，通過搭載的NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器進(jìn)行處理和儲(chǔ)存。再通過客戶端微信小程序進(jìn)入系統(tǒng)，查看當(dāng)前以及未來幾天的天氣數(shù)據(jù)，通過向服務(wù)器發(fā)送請求，接受服務(wù)器響應(yīng)并處理，生成一個(gè)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)壓力曲線。最后結(jié)合當(dāng)前天氣數(shù)據(jù)以及壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估和預(yù)判，看是否達(dá)到設(shè)定的閾值，若未達(dá)到預(yù)估還需多久達(dá)到閾值。真正做到采集、傳輸、處理、展示、分析一體化和智能化的積雪報(bào)警系統(tǒng)(圖1)。

圖1 系統(tǒng)的流程

1.2 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選用的MCU主要包括STM32與BC95模塊。STM32L151單片機(jī)功耗較低，能夠在大棚中工作較長時(shí)間；性價(jià)比高，滿足廣大農(nóng)戶對于成本低的需要；配置較為靈活[10]，使用起來更加方便。通信模塊選用的BC95模塊由移遠(yuǎn)通信公司生產(chǎn)[11]，通過電信NB-IOT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，該網(wǎng)絡(luò)覆蓋好，傳輸穩(wěn)定(圖2)。

圖2 STM32的連接電路

本系統(tǒng)的工作流程如下：FSR薄膜壓力傳感器將壓力數(shù)值轉(zhuǎn)換為電阻的數(shù)值變換，接入信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)便于STM32接收，再由AO(Analogy Input，模擬量輸出)接口輸出，同時(shí)STM32發(fā)送AT指令給BC95模塊，等待注網(wǎng)成功后接收數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)組合為BC95的發(fā)送格式，通過轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)，使得NB終端能夠訪問任意公網(wǎng)地址。而該轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)目前只支持UDP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)[12]，所以本節(jié)點(diǎn)通過UDP協(xié)議發(fā)送包裝好的數(shù)據(jù)。

服務(wù)器端監(jiān)控端口，接收到BC95發(fā)送的數(shù)據(jù)后將序號(hào)、時(shí)間、壓力信息分別記錄下來，服務(wù)器端可以使用Excel格式保存，也可以使用串口調(diào)試工具查看。

用戶端使用微信小程序，小程序通過訪問服務(wù)器來請求數(shù)據(jù)，服務(wù)器接收到請求后將數(shù)據(jù)發(fā)送給小程序，用戶便可以在手機(jī)上查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)根據(jù)用戶大棚的具體情況設(shè)置警戒值，在壓力達(dá)到閾值之前向用戶發(fā)出警告。

1.3 傳輸技術(shù)

考慮到大棚的應(yīng)用場景，本系統(tǒng)采用NB-IOT技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，模塊則采用移遠(yuǎn)技術(shù)公司的BC95模塊[13]。只占用大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)[14]。大棚作為戶外設(shè)施，NB-IOT網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)對各個(gè)地區(qū)信號(hào)的較完美覆蓋，且功耗低、工作周期長，完美契合大棚積雪報(bào)警系統(tǒng)的需求，是數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)的最佳選擇。

1.4 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在服務(wù)器端采用時(shí)下流行的云服務(wù)器，云服務(wù)器是一種簡單高效、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù)器[15]。其管理方式比物理服務(wù)器更簡單高效。無需提前購買硬件，即可迅速創(chuàng)建或釋放任意多臺(tái)云服務(wù)器，降低開發(fā)運(yùn)維的難度和整體IT成本。符合本項(xiàng)目低成本、拓展性高的需求。同時(shí)，云服務(wù)器作為客戶端的服務(wù)器，響應(yīng)請求的能力[16]，具有極高的優(yōu)越性。

在服務(wù)器端利用Python編寫的程序接收來自指定端口的序號(hào)、時(shí)間、壓力數(shù)據(jù)，執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定文件中。當(dāng)Java后臺(tái)服務(wù)器程序接收到來自客戶端微信小程序的數(shù)據(jù)請求時(shí)，執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取操作，將結(jié)果以Json格式發(fā)送回客戶端(圖3)。

圖3 服務(wù)器的接收數(shù)據(jù)

1.5 客戶端設(shè)計(jì)

隨著智能手機(jī)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，微信的不斷普及，微信小程序相較于傳統(tǒng)APP的優(yōu)勢越發(fā)顯現(xiàn)出來[17]。它不需要下載安裝即可使用，方便對手機(jī)操作不太熟悉的農(nóng)民使用。圖4為用戶操作的主界面。

圖4 用戶操作的主界面

在邏輯層面，微信小程序在用戶點(diǎn)擊獲取壓力數(shù)據(jù)按鈕時(shí)，小程序?qū)⑾蚍?wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求。在接收到服務(wù)器返回的Json數(shù)據(jù)后，程序?qū)ζ溥M(jìn)行解析，提取有用的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可視化處理[18]，并且根據(jù)當(dāng)前壓力值及天氣狀況對之后可能發(fā)生的危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)判，給出提示。圖5為客戶端流程圖。

圖5 客戶端的流程

2 測試

我們將該系統(tǒng)放置了大概10 h，在10 h中服務(wù)器端儲(chǔ)存了大概29 000個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)數(shù)值平緩，傳輸穩(wěn)定，且能夠靈敏地檢測到壓力的變化，能夠滿足對壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控與長時(shí)間監(jiān)測的需要。用戶也能夠在手機(jī)上接收到服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并以直觀的圖表形式呈現(xiàn)，便于用戶理解。圖6為服務(wù)器測試時(shí)接收數(shù)據(jù)的圖像，可以看到在傳感器沒有接收到壓力時(shí)，電壓數(shù)值一直穩(wěn)定在4 090 mV上下，即此時(shí)傳感器端壓力為0 N，在施加力之后服務(wù)器接收到的數(shù)值立刻發(fā)生了變化，降到281 mV，此時(shí)傳感器上的壓力大約為60 N。能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，且運(yùn)行穩(wěn)定(圖7)。

圖6 服務(wù)器端接受的數(shù)據(jù)

圖7 實(shí)際測試的壓力曲線

3 小結(jié)

本文根據(jù)農(nóng)業(yè)薄膜大棚的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于NB-IOT與FSR薄膜傳感器的薄膜溫室大棚積雪報(bào)警系統(tǒng)。能夠?qū)崟r(shí)檢測大棚積雪程度并做出可視化模型，并在達(dá)到閾值前向用戶發(fā)出警告，提醒用戶及時(shí)清雪。硬件部分采用STM-32L151與BC95模塊，可靠性高。傳輸層采用NB-IOT網(wǎng)絡(luò)，具有較高的覆蓋性，信號(hào)穩(wěn)定。系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用中運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)控的實(shí)時(shí)性好，且功率消耗小，具有較高的性價(jià)比，能夠有效地減少積雪對大棚農(nóng)戶造成的損失。本設(shè)計(jì)成本較低，適用于中小規(guī)模的農(nóng)戶。