基于阿里云的智能大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

李琳杰，趙偉博，齊鍇亮，李宇晗，楊 杰

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院，咸陽712000；2.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，咸陽712000）

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展極大地促進(jìn)了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，國外的大型農(nóng)場(chǎng)大多已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集農(nóng)場(chǎng)的參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)智能化控制[1-3]；美日等國家已基本實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品種植智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)出與之相配套溫室大棚智能控制系統(tǒng)。然而，國內(nèi)已有的大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)大都存在穩(wěn)定性差，無法實(shí)時(shí)調(diào)控環(huán)境因素，遠(yuǎn)程控制不穩(wěn)定等問題[4-6]。

隨著國內(nèi)5G 通訊、智能控制、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的迅速發(fā)展，云端大數(shù)據(jù)分析將廣泛應(yīng)用于溫室大棚。文獻(xiàn)[7]采用PLC 對(duì)大棚的溫度、濕度和光強(qiáng)等外部環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚自動(dòng)化控制；文獻(xiàn)[8]采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合GPRS 無線通信實(shí)現(xiàn)大棚的智能遠(yuǎn)程控制；文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了基于STM32 單片機(jī)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)； 文獻(xiàn)[10]采用ZigBee 技術(shù)，結(jié)合Android 移動(dòng)客戶端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫室大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控。針對(duì)現(xiàn)有溫室大棚所存在問題，在此設(shè)計(jì)了基于阿里云的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)路由器發(fā)送給阿里云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)溫室大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 溫室大棚組成

本文作者及項(xiàng)目組成員為安康市流水鎮(zhèn)香山村援建的溫室大棚，如圖1 所示。該溫室大棚占地面積200 m2，其控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)由噴淋、風(fēng)機(jī)、卷膜等部分組成。當(dāng)大棚內(nèi)CO2濃度、溫度超過參數(shù)設(shè)置值時(shí)，風(fēng)機(jī)和卷膜電機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行換氣降溫；當(dāng)大棚內(nèi)濕度降低時(shí)， 噴淋系統(tǒng)工作對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行澆灌，增加大棚內(nèi)的濕度； 當(dāng)光照強(qiáng)度大于參數(shù)設(shè)定值時(shí)，卷膜機(jī)工作調(diào)整遮陽網(wǎng)的覆蓋面積進(jìn)行光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。

圖1 菌菇種植大棚外觀照片F(xiàn)ig.1 Appearance photo of mushroom cultivation greenhouses

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。該項(xiàng)目采用樹莓派開發(fā)板作為總控系統(tǒng)，處理傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)， 并通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)和4G 路由器傳輸至云端進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。與此同時(shí)，通過阿里云服務(wù)器將大棚內(nèi)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)液晶監(jiān)控面板。總控系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后反饋給現(xiàn)場(chǎng)電氣控制系統(tǒng)， 進(jìn)而控制溫室大棚風(fēng)機(jī)、噴淋和卷膜系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System architecture

由于該大棚長為20 m，寬為10 m，空間較大。因此，大棚內(nèi)傳感器的布置按照前中后三段陣列式分布，由此對(duì)棚內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 電氣控制系統(tǒng)

主控系統(tǒng)讀取傳感器檢測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過與農(nóng)作物生長所需的環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)比處理來進(jìn)行大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控。主控系統(tǒng)通過阿里云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖形化處理，并通過主控系統(tǒng)的繼電器輸出實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)的I/O 控制。整個(gè)電氣控制電路可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制2 種模式。

大棚部分電氣控制電路如圖3 所示。圖中，旋鈕開關(guān)SB3 可切換自動(dòng)和手動(dòng)模式，KA1 為接主控系統(tǒng)繼電器輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能控制。同樣，卷膜電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也是通過主控系統(tǒng)的繼電器輸出實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。圖中，L1 和L2 為風(fēng)機(jī)運(yùn)行指示燈；L3 和L4 為噴淋系統(tǒng)運(yùn)行指示燈。

圖3 大棚部分電氣控制電路Fig.3 Electric control circuit of greenhouse

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

大棚通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)和路由器將傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸至阿里云。大棚智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)如圖4 所示。整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、樹莓派主控系統(tǒng)、卷膜系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成。所有傳感器數(shù)據(jù)傳輸給樹莓派主控系統(tǒng)，通過與設(shè)置的農(nóng)作物參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，反饋輸出信號(hào)給外部繼電器模組，控制外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

圖4 智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)Fig.4 Intelligent remote control system

圖5 軟件工作流程Fig.5 Software work flow chart

軟件工作流程如圖5 所示。在此，以溫度傳感器DHT22 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控為例，對(duì)系統(tǒng)軟件工作流程進(jìn)行說明。當(dāng)配電柜旋鈕切換至自動(dòng)模式時(shí)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)啟動(dòng)， 主控系統(tǒng)讀取溫度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)。若大棚溫度在設(shè)置的區(qū)間內(nèi)，等待5 s 后進(jìn)行下一次讀取； 若不在區(qū)間內(nèi)且溫度低于參數(shù)的下限值，將打開卷膜讓陽光透入進(jìn)行升溫處理；當(dāng)溫度高于參數(shù)的上限值時(shí)， 將開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱處理，若溫度恢復(fù)到正常區(qū)間內(nèi)時(shí)，關(guān)閉風(fēng)機(jī)，停止散熱。在此需要注意的是， 由于大棚自然環(huán)境因素復(fù)雜，傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差，因此，在檢測(cè)到溫度數(shù)據(jù)恢復(fù)到正常區(qū)間時(shí)，風(fēng)機(jī)需要延時(shí)關(guān)閉，延時(shí)時(shí)間的設(shè)定需要根據(jù)不同農(nóng)作物的種植參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

3.2 云端監(jiān)控系統(tǒng)

大棚現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，視頻數(shù)據(jù)可通過手機(jī)App 直接查看，也可通過IP 地址訪問云端數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫面如圖6 所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫面Fig.6 Scene monitoring screen

樹莓派主控系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)前中后三段傳感器陣列檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸至云端實(shí)時(shí)顯示，云端界面如圖7 所示。用戶可通過IP 地址進(jìn)行遠(yuǎn)程登陸，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖7 云端數(shù)據(jù)顯示界面Fig.7 Cloud data display interface

4 系統(tǒng)的運(yùn)行情況

目前，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已在援建的菌菇種植大棚得到實(shí)時(shí)運(yùn)行。利用該系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可實(shí)時(shí)掌握農(nóng)作物的生長情況，同時(shí)，1 位農(nóng)技員可以同時(shí)控制多個(gè)大棚的種植， 相對(duì)于普通溫室可以節(jié)約大量的人力投入，為該地區(qū)的精準(zhǔn)扶貧提供了參考范例。

在系統(tǒng)運(yùn)行期間， 環(huán)境因素尚存在以下問題：①由于大棚內(nèi)種植菌菇，大棚內(nèi)高溫高濕的環(huán)境對(duì)電子器件存在影響，需要定期對(duì)其進(jìn)行維護(hù)；②由于大棚建在山區(qū)， 盡管使用了路由器增益天線，但偶爾會(huì)出現(xiàn)斷電和信號(hào)弱等非技術(shù)性問題；③該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制界面尚有待進(jìn)一步開發(fā)，在實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的同時(shí)，可以根據(jù)農(nóng)作物的生長情況實(shí)時(shí)改變參數(shù)。

盡管如此，該系統(tǒng)的實(shí)施運(yùn)行仍為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)后續(xù)開發(fā)基于5G 通訊的智能大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，提供了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)積累。

5 結(jié)語

為了解決傳統(tǒng)溫室大棚種植需要對(duì)專業(yè)農(nóng)技人員進(jìn)行技能培訓(xùn)，人力成本高等問題，在此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于阿里云的智能大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)的組成和工作模式，給出了大棚主控系統(tǒng)架構(gòu)以及大棚現(xiàn)場(chǎng)智能控制電氣系統(tǒng)，并結(jié)合手動(dòng)和自動(dòng)2 種控制模式給出了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，分析了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的工作過程。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明， 智能大棚遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能準(zhǔn)確顯示現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)對(duì)于普通大棚的升級(jí)改造具有很好的借鑒意義。