基于云平臺的水稻育苗智能溫室系統(tǒng)的設(shè)計

黃 鵬，杜 旭，杜佳偉，龍 穎，何 斌

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

近年來，國家強調(diào)應(yīng)用現(xiàn)代科技手段“大力發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”，多渠道增加農(nóng)民收入促進農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展戰(zhàn)略。應(yīng)用科技手段發(fā)展農(nóng)業(yè)是提升我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的主要方式，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、3G技術(shù)等現(xiàn)代通信技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)支點，利用物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代通信技術(shù)實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營進行智能化管理，是提高農(nóng)業(yè)的精細(xì)化生產(chǎn)，智能化決策的重要節(jié)點。通過信息技術(shù)對地塊的土壤、肥力、溫濕度等環(huán)境參數(shù)進行采集并分析，然后據(jù)此提供與種植、施肥相關(guān)的解決方案，大大提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。利用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、單片機、HTLM5等技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)顯示到智能手機等移動終端上。提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然環(huán)境風(fēng)險的應(yīng)對能力，使弱勢的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)成為具有高效率的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)[1]。

本設(shè)計采用國內(nèi)流行的阿里云平臺，基于STC單片機最小系統(tǒng)，SIM800無線通信模塊，485協(xié)議有線通信以及農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集傳感器，實現(xiàn)用戶通過網(wǎng)頁實時查詢或線下大屏幕實時顯示農(nóng)業(yè)現(xiàn)場傳感器采集的信息。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)基于物聯(lián)網(wǎng)智能溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計的總體目標(biāo)，本系統(tǒng)整體架構(gòu)以物聯(lián)網(wǎng)DCM三層架構(gòu)的思想構(gòu)建集成[2]。主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)通過終端軟件的設(shè)計實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測；感知層主要是通過傳感器來采集環(huán)境參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)層主要是將采集到的信息通過公用網(wǎng)絡(luò)傳送給云服務(wù)器，云服務(wù)器進行分析并存儲；應(yīng)用層主要是搭建一款上位機軟件，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時可視化顯示，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件部分主要由單片機數(shù)據(jù)采集電路、LED大屏幕驅(qū)動板、溫濕度和光照度等各種環(huán)境傳感器組成。

系統(tǒng)采用STC15W4K58S4單片機為核心控制器,它有著運行速度快、運行穩(wěn)定和最多能支持4路串口通信等諸多優(yōu)點，且相對于STM32價格更加便宜[3]。如圖2所示，單片機通過串口3與MAX232建立通信連接，用來給LED屏幕驅(qū)動板發(fā)送信號。通過串口4與RS485建立通信連接，用來獲取傳感器傳回的棚內(nèi)參數(shù)。硬件系統(tǒng)的通訊部分采用了SIM800通信模塊，電路圖如圖3所示。此模塊可以將采集到的數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給云服務(wù)器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要由上位機軟件和下位機軟件兩大部分組成。

圖2 單片機及通訊電路電路圖

圖3 SIM800模塊電路圖

3.1 上位機軟件

上位機軟件是應(yīng)用層的核心部分，構(gòu)建思路如下：

為了實現(xiàn)移動終端軟件設(shè)計，完成數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示，上位機采用了B/S 架構(gòu)(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式)。只要能上網(wǎng)，即可隨時隨地訪問系統(tǒng)。網(wǎng)站內(nèi)部使用三層架構(gòu)模式：界面層使用HTML5實現(xiàn)快速加載，使用Bootstrapt實現(xiàn)多平臺兼容，提高用戶的使用體驗度。業(yè)務(wù)邏輯層根據(jù)界面層異步提交的請求數(shù)據(jù)進行登陸、注冊、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備監(jiān)控和管理用戶等邏輯處理。數(shù)據(jù)訪問層通過與云平臺交互實現(xiàn)歷史紀(jì)錄查詢、增加用戶和刪除數(shù)據(jù)等操作，然后把獲取到的數(shù)據(jù)傳回業(yè)務(wù)邏輯層分析進而傳給界面層展示。

圖4 上位機軟件實時數(shù)據(jù)顯示界面

3.2 下位機軟件

下位機軟件利用keil 5編程環(huán)境給單片機進行程序編寫，以便于控制整個網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)協(xié)同工作。程序首先對定時器、串口通信、SIM800、大屏幕和傳感器進行初始化。然后進入死循環(huán)程序按一定時間對數(shù)據(jù)進行采集、發(fā)送和實時顯示在LED大屏幕上，此時間可以根據(jù)用戶需求在30 s-5 min區(qū)間內(nèi)可調(diào)。如發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)將會發(fā)出警報信息。下位機軟件程序框圖如圖5所示。

圖5 下位機軟件流程圖

4 系統(tǒng)特色

4.1 云平臺

Web開發(fā)的過程中，傳統(tǒng)的方法都是自建服務(wù)器，但是對于中小型企業(yè)來說，自建服務(wù)器成本高、維護困難 、且穩(wěn)定性不佳、可拓展性不高。相比于此，云平臺的發(fā)明很好地克服了上述問題。

云平臺是本套監(jiān)控系統(tǒng)的核心系統(tǒng)，上位機上的所有數(shù)據(jù)來源和功能的實現(xiàn)都依靠于此。云平臺的軟件構(gòu)架以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，用云服務(wù)器上的接發(fā)程序與硬件系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議建立通信連接,接收傳感器采集到的數(shù)據(jù),并存入數(shù)據(jù)庫[4]。云服務(wù)器也提供接口與上位機建立網(wǎng)絡(luò)連接，上位機軟件可以時刻調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2 GPRS通信

實際應(yīng)用中，育苗大棚大多建設(shè)在偏遠(yuǎn)山村，其光纖及4G信號覆蓋率仍然不高。所以此套系統(tǒng)采用了GPRS通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。

GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)的簡稱，屬于第二代移動通信中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，傳輸速率范圍為56 Kbps～114 Kbps。可完全滿足系統(tǒng)所需傳輸速度的要求。并且支持TCP/IP協(xié)議?？梢耘c分組數(shù)據(jù)網(wǎng)(internet等)直接互通。GPRS通過串口與單片機建立數(shù)據(jù)連接。單片機通過AT指令來控制GPRS進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

5 現(xiàn)場實施

經(jīng)過以上設(shè)計之后，此套設(shè)備的硬件部分在室內(nèi)進行了拼接和安裝，安裝畫面如圖6所示。

圖6 網(wǎng)關(guān)及LED驅(qū)動的安裝

以佳木斯市江濱農(nóng)場項目為例，進行了相關(guān)的調(diào)試試驗。經(jīng)調(diào)試，網(wǎng)關(guān)及LED驅(qū)動電路工作正常，整套系統(tǒng)工作正常。并可以將相關(guān)參數(shù)顯示在LED屏幕上。如圖7所示。

圖7 LED屏幕顯示

6 結(jié)語

在此套智能水稻育苗溫室系統(tǒng)中，通過運用檢測模塊及環(huán)境設(shè)備，可以對溫室內(nèi)的溫度、光強和土壤濕度等環(huán)境參數(shù)進行采集，并可以通過線上網(wǎng)頁和線下LED大屏幕兩種方式共同將數(shù)據(jù)顯示出來。本套系統(tǒng)還編寫了參數(shù)異常預(yù)警功能，可以給農(nóng)戶一個直觀的參考，從而提高秧苗的存活率和質(zhì)量。經(jīng)測試表明，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，達到了預(yù)期的設(shè)計效果。