摘要:隨著生活水平的提高，人們對于安全、衛(wèi)生、綠色的蔬菜需求越來越大，因此適用于家庭使用的微型植物工廠越來越受到關(guān)注。針對這一需求，開發(fā)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)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)用戶通過Web瀏覽器或手機APP遠(yuǎn)程查看微型植物工廠運行狀態(tài)、修改控制系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)和即時干預(yù)控制設(shè)置;用戶也可以將微型植物工廠托管給專家或服務(wù)器。試驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，環(huán)境參數(shù)的采集設(shè)定、用戶及時干預(yù)、歷史數(shù)據(jù)的查看，以及在線付費完成服務(wù)器托管等功能均能達(dá)到實際應(yīng)用需求。

　　關(guān)鍵詞:微型植物工廠;物聯(lián)網(wǎng);監(jiān)控系統(tǒng)

　　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(yuǎn)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。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(yuǎn)程管理微型植物工廠。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。

　　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(jìn)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(jìn)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。

　　2Android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(jìn)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AndroidJava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AndroidSDK+JAVAJDK6+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(dāng)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。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(dāng)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。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(jìn)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。

　　3Web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)。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(jìn)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。

　　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(jìn)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(kuò)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(fēng)、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(rèn)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(yuǎn)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(biāo)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(biāo)識碼#指令編號#數(shù)據(jù)#時間戳$，數(shù)據(jù)協(xié)議中通過“#”對不同字段進(jìn)行分隔，沒有數(shù)據(jù)的字段補0，并且協(xié)議以“$”結(jié)尾。如ZWGC#00000001#0001#101#1#20170315080856$的含義為對目標(biāo)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(dāng)前操作的時間為2017年3月15日8點8分56秒。

　　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CentOSV6.8，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CentOSV6.8Linux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?/p>

　　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(xué)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(jìn)行生菜種植試驗。

　　4.2試驗設(shè)計

　　試驗于2018年3-5月進(jìn)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(jìn)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(lán)光配比為5∶1的LED生長燈，光周期設(shè)置為12h。

　　4.3Web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(yuǎn)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(yuǎn)程查看對應(yīng)的微型植物工廠的運行情況，用戶還可以實現(xiàn)對微型植物工廠進(jìn)行及時干預(yù)控制的功能，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。

　　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(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)用戶可以遠(yuǎn)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。

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　　農(nóng)業(yè)刊物推薦：《農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)問題》月刊，1980年創(chuàng)刊，著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家薛暮橋題寫刊名，是由農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)問題雜志社承辦的、由中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)會和中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所聯(lián)合主辦的國家級經(jīng)濟(jì)學(xué)核心期刊，是國家自然科學(xué)基金委員會管理學(xué)部認(rèn)定的17種重點期刊之一，1998年入選《中文社會科學(xué)引文索引》(CSSCI)經(jīng)濟(jì)學(xué)科來源期刊，1999年被中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(CSCD)收錄為管理學(xué)類來源期刊。