一種基于物聯(lián)網(wǎng)智能栽種系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳楚君 翁濤 詹霖凡 楊烘銘 邱振濤 王克強(qiáng)

摘 要：本文設(shè)計(jì)的智能栽種系統(tǒng)包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集、種植環(huán)境調(diào)整、數(shù)據(jù)可視化和實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，依托物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)從溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集到種植環(huán)境調(diào)整等的遠(yuǎn)程監(jiān)控，本文從方案入手闡述這套溫室智能栽種系統(tǒng)的各個(gè)功能設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：溫室; 物聯(lián)網(wǎng);方案設(shè)計(jì)

1. 研究背景

全新的智慧溫室大棚種植模式可以幫助人們實(shí)時(shí)掌握蔬菜的生長(zhǎng)情況，檢測(cè)蔬菜的種植環(huán)境，另外還可以通過專業(yè)的輔助系統(tǒng)，幫助蔬菜實(shí)現(xiàn)澆水、施肥、噴灑農(nóng)藥等相關(guān)工序[1]。但是，市面上的智能栽種系統(tǒng)，由于造價(jià)高昂、使用困難、維護(hù)成本高等問題，對(duì)于個(gè)體農(nóng)戶或小體量農(nóng)商來(lái)說(shuō)仍有相當(dāng)大的普及困難。因此，針對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能栽種系統(tǒng)的研究對(duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)智能化普及有非常重要的意義。

2. 研究目標(biāo)

本文研究的小型智能栽種系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)交互、數(shù)據(jù)可視化、實(shí)時(shí)視頻等功能技術(shù)的方案設(shè)計(jì)。

3. 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

3.1 主控方案設(shè)計(jì)

主控采用樹莓派4B，搭配Raspbian系統(tǒng)，具有豐富的網(wǎng)絡(luò)及硬件接口，同時(shí)支持HEVC視屏的4K60P硬件解碼，基本滿足物聯(lián)網(wǎng)和視頻推流的同時(shí)進(jìn)行。

3.2 傳感器方案設(shè)計(jì)

傳感器的選擇優(yōu)先從精度和硬件接口出發(fā)：光照強(qiáng)度傳感器采用BH1750FVI，芯片具有識(shí)別范圍寬、分辨率高的特性，光照強(qiáng)度識(shí)別最大值可以達(dá)到65535/LUX、分辨率為1/LUX。溫濕度傳感器采用GXHT30典型精度可達(dá)濕度±3%RH、溫度±0.3℃、分辨率為0.01，溫漂小于0.03℃/年、0.25%RH/年，符合設(shè)計(jì)所需的穩(wěn)定、精度高的要求。土壤濕度傳感器采用FC-28傳感器模塊，具有成本低，閾值可調(diào)，輸出信號(hào)可選等特性。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)方案

在BAT三大物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)具有傳輸方便、開發(fā)簡(jiǎn)單，可進(jìn)行時(shí)序透析、可視化分析、SQL開發(fā)等特性。在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中使用MQTT協(xié)議接入時(shí)，數(shù)據(jù)需要通過Alink協(xié)議進(jìn)行封裝，Alink協(xié)議是阿里云平臺(tái)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的JSON報(bào)文數(shù)據(jù)交換規(guī)范，用于設(shè)備端和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的雙向通信，在阿里云平臺(tái)上，數(shù)據(jù)的傳輸需要通過標(biāo)準(zhǔn)的Alink JSON格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行[2]。阿里云平臺(tái)的IOT交互頁(yè)面設(shè)計(jì)，采用在平臺(tái)網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行圖形化開發(fā)的方式，平臺(tái)本身提供了許多相關(guān)可視化的組件，比如儀表盤，滑條，曲線圖等常用組件[3]?？梢允褂脤?duì)應(yīng)組件，配置室內(nèi)環(huán)境預(yù)支，控制補(bǔ)光燈、水泵等實(shí)現(xiàn)種植環(huán)境的自動(dòng)調(diào)整。

3.4 實(shí)時(shí)視頻方案

主流實(shí)時(shí)視頻實(shí)現(xiàn)采用推流技術(shù)，本設(shè)計(jì)中采用Nginx搭建RTMP服務(wù)搭配GStreamer配置流媒體管道實(shí)現(xiàn)的。

Nginx是可以配置反向代理服務(wù)，且可以使用對(duì)應(yīng)RTMP工具配置RTMP服務(wù)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器。而GStreamer實(shí)質(zhì)是一個(gè)數(shù)據(jù)流處理框架，他提供了包括API和處理機(jī)制等，采用GStreamer的主要原因在于其對(duì)于流媒體數(shù)據(jù)采用硬解碼方式，可以降低對(duì)CPU資源的消耗。其次，其包含lunch等豐富工具也便于降低開發(fā)難度，減少開發(fā)成本。

使用GStreamer配置流媒體管道，以攝像頭輸入作為rmtp src即管道輸入接口，遠(yuǎn)程服務(wù)器/直播平臺(tái)作為rtmp sink即管道輸出接口，即實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻推流。

4 結(jié)論

植物需要的種植環(huán)境應(yīng)當(dāng)處于一個(gè)恒定的最優(yōu)數(shù)值下，本設(shè)計(jì)雖然可以實(shí)現(xiàn)基于閾值的種植環(huán)境調(diào)整，但對(duì)與恒定環(huán)境的研究還是需要加深。后期可以根據(jù)對(duì)應(yīng)植物的環(huán)境研究，加入經(jīng)典PID控制子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)恒定環(huán)境的自動(dòng)控制。

參考文獻(xiàn)

[1]王宣智.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧溫室大棚蔬菜種植技術(shù)應(yīng)用探析[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2021，41（36）：55-56.

[2]王輕， 吳連威， 何龍祥，等. 基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的醫(yī)療數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件， 2021， 42（12）：5.

[3]程德昊、何元清、蔡春昊. 基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)可視化[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)：學(xué)術(shù)版， 2020， 16（22）：3.