基于数字孪生的温室大棚可视化监控系统研究

赖禄安，陈婷，常杰，王浩

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）

0 引言

农业是社会稳定与发展的基础。随着我国城市化发展和全球气候变暖，农业面临诸如土地资源紧缺、生态环境压力大等突出问题，农产品的产量和品质成为农民和政府关注的焦点。越来越多的种植户使用温室大棚种植农作物，以提高农产品的产量和品质，但大部分还是依靠种植人员的经验进行粗放式管理，没有发挥温室大棚最大的作用。

互联网等现代信息技术的发展推动了传统农业的转型升级，温室大棚中安装监控系统已随处可见。基于物联网的温室大棚监控系统具有环境参数精准采集、实时监控、减少劳动力和成本投入的特点[1-4]。孙阳等[5]基于物联网技术，设计了对农产品生长环境监控和溯源的物联网植物工厂监管系统。韩毅等[6]基于物联网技术开发了日光温室智能监控系统。ZigBee 无线通信技术被应用到温室大棚的监控系统中，提高了系统的精度、稳定性[7-10]。

数字孪生技术的概念被Grieves 提出后，经过十几年的发展，数字孪生技术已被广泛应用于各行各业。陶飞等[11]提出数字孪生五维模型，探讨了其在卫星/空间通信网络等10 个领域的应用思路与方案，同时也指出了在农业领域的应用。虽然数字孪生的应用热点在制造业，但是还是有学者将数字孪生技术应用到农业领域。毛雨晗[12]研究了温室自动化多层栽培装备数字孪生监控方法，实现了环境数据的监测与温室场景的可视化；梁晨光[13]基于数字孪生技术理论搭建了稻田环境监测系统，解决了农业上因环境因素不确定性带来的数据误差问题；王志强等[14]将数字孪生与区块链技术结合，以金银花采摘应用场景对该系统进行了设计；顾生浩[15]等探讨了数字孪生系统在农业生产中的应用，为推进我国农业生产智能化提供了参考。

综上所述，基于数字孪生的温室大棚可视化监控系统目前还没有得到较多应用，数字孪生温室大棚的应用可以实时监测温室大棚环境信息，查询历史环境信息，提高管理效率，为种植户提供种植参考依据，同时场景漫游查看农作物信息，比传统的监控系统更具优势。

1 分析与设计

1.1 需求分析

目前，市面上的温室大棚监控系统虽然实现了环境监控、数据展示、故障预警等功能，但是还未实现虚实映射，用户使用体验感较低，基于数字孪生的温室大棚可视化监控系统恰好解决了这一问题。数字孪生温室大棚是温室大棚物理实体、虚拟实体、孪生数据、服务和连接的集成融合，温室大棚物理实体和温室大棚虚拟实体通过连接进行孪生数据传输，服务连接孪生数据实现了数据的实时交互和真实映射。本文通过可视化监控从几何维度展现数字孪生温室大棚，并从监控需求出发，建立了温室大棚可视化监控系统五维模型，如图1 所示。

图1 温室大棚可视化监控系统五维模型Fig.1 Five dimensional model of visual monitoring system for greenhouse

温室大棚数字孪生可视化监控系统，要求能对温室大棚的环境参数进行状态监控并通过界面展示实时、历史环境数据信息、温室大棚三维环境、警报信息和场景漫游。

1.2 系统功能设计

基于数字孪生的温室大棚可视化监控系统分为2 部分：数字孪生可视化展示和场景漫游功能，功能框图如图2 所示。

图2 系统功能框图Fig.2 System function block diagram

数字孪生可视化展示包含实时环境参数可视化、历史环境参数可视化、温室大棚三维环境可视化和警报信息。实时环境参数可视化功能实时展示传感器获取得到的环境数据参数；历史环境参数展示功能对存储在数据库中的环境数据参数进行展示；温室大棚三维环境展示是根据实际温室大棚的建筑结构、布局建立的虚拟温室大棚三维模型场景，包含了各类农作物，以三维模型的形式进行1∶1的展示，以及温室大棚环境参数不适合农作物生长则在界面上显示警报信息。

数字孪生场景漫游包含场景漫游功能，用户可使用鼠标在主界面和历史数据界面进行场景漫游，查看温室大棚的农作物信息，使用户如同身临其境。

1.3 平台架构设计

针对温室大棚可视化监控系统的功能需求，对温室大棚可视化监控系统进行了总体设计。本文采用Uinty3D 引擎的C/S 两层架构，服务端采用MySQL 数据库存储数据，数据库中存储了温室大棚的环境参数信息，通过编辑C#脚本连接MySQL数据库实现Unity3D 与数据的交互和显示。

2 系统的实现

2.1 硬件设备

本系统使用Arduino UNO 开发板读取传感器的数据，采集温室大棚的空气温湿度、光照强度、土壤湿度等环境参数数据。Arduino UNO 开发板如图3 所示，选用的传感器如图4 所示。

图3 Arduino 开发板Fig.3 Arduino development board

图4 传感器Fig.4 Sensor

（1）空气温湿度传感器的选择。本文选用AM2301A 型温湿度传感器，其温度测量范围为-40～+80 ℃，精度为±0.5 ℃；湿度测量范围为0～99.9% RH，精度为±3% RH。

（2）光照传感器的选择。选用GY-302 光强度光照度模块传感器，测量范围为0～65 535 Lux。

（3）土壤湿度传感器的选择。选用土壤湿度传感器模块4 线制，其输出值有2 种类型。当土壤湿度低于设定的阈值时，DO 输出高电平，同时其模块的提示灯会变亮；当湿度高于设定的阈值时，DO 输出低电平，同时其模块的提示灯会变亮。该型号传感器的工作电压为3.3～5.0 V，其测量范围也有所不同。当接通3 V 电压，空气中AO 读取的值最大为695，浸泡在水里的最小值245；当接通5 V 电压时，空气中AO 读取的值最大为1 023，浸泡在水里的最小值245。

2.2 虚拟温室大棚场景建模

数字孪生完美实现了现实世界与虚拟世界的虚实交互，而三维模型是对现实世界对象进行忠实映射的载体，是数字孪生的骨骼，因此模型的逼真程度决定了温室大棚数字孪生系统的使用体验。本文使用Unity 3D 中Asset Store 的温室大棚模型，并结合实际研究内容对模型进行适当修改，使物理实体与虚拟实体尽可能保持一致，提高数字孪生的温室大棚可视化监控系统的逼真程度，增加用户的体验感。温室大棚模型如图5 所示。

图5 温室大棚模型Fig.5 Greenhouse model

2.3 数据获取及存储

在Arduino IDE 上编写代码，验证无误后将代码上传（烧录）到Arduino UNO 开发板，通过Arduino IDE串口监视器即可查看实时的环境数据，如图6 所示。编写的核心代码如下：

图6 串口监视器信息Fig.6 Serial monitor information

由于采集到的温室大棚环境数据需要和Unity3D 游戏引擎实时交互、传输数据，而Arduino IDE 串口监视器只能查看实时的环境数据并不能存储数据，因此需要将采集得到的环境数据进行存储，小型关系型的MySQL 数据库是最好的选择。在Python 文件中导入serial、pymysql 库配置环境信息，编写代码实时读取串口数据，最后将串口数据保存在MySQL数据库中。数据结构表如图7所示。

图7 数据结构表Fig.7 Data structure table

2.4 功能模块开发

监控系统使用Unity3D 游戏引擎对UI 界面布局。在场景中创建UI 组件后，该组件自动放置在Canvas 组件中，系统也会自动创建一个EventSystem 组件。Unity3D 的常见组件类型有Image 组件、Text 组件、Button 组件、Toggle 组件、Slider 组件、Input Field 组件等，根据UI 界面的要求，将各组件组合使用、设置UI 组件的参数完成UI 界面的开发工作。本文的系统UI 界面包含开始界面、主界面和历史数据界面。

UI 界面开发完成后，创建编辑C#脚本使Unity3D 获取MySQL 数据库的数据，通过自带的Update 函数将温室大棚的环境参数实时显示到UI主界面上，进而实现在主界面上实时查看温室大棚的环境参数信息和警报信息；通过C#脚本获取鼠标的输入，使得在主界面和历史数据界面都具有场景漫游功能，实现温室大棚三维环境的可视化，查看温室大棚的农作物信息。查阅文献资料设定警报信息的预警界限范围：温度18～37℃，空气湿度50～85 RH，光照2 000～10 000 Lux，超出此范围均有警报信息。

3 系统测试和验证

系统设计完成后对系统进行测试，以验证其稳定性、可靠性。设置每秒获取一次传感器数据。将传感器置于温室大棚适当位置，打开系统运行测试。为了检验测试性能，在试验中人为调节温度、湿度和光照强度，以检验环境参数变化时系统的灵敏度。测试结果表明，系统能够实现对温室大棚的温湿度、光照强度等参数实时监测，超出预警范围发出警报信息，能在系统内实现漫游功能，系统性能、数据存储占用也符合要求。系统主界面如图8所示，历史界面数据如图9 所示。

图8 系统主界面Fig.8 System main interface

图9 历史数据界面Fig.9 Historical data interface

4 结语

本文结合数字孪生技术设计实现了温室大棚可视化监控系统，通过传感器采集温室大棚环境数据并保存到MySQL 数据库，在Unity 3D 引擎中编辑C#脚本连接MySQL 数据库实现数据的交互显示。系统可方便种植户实时监控温室大棚环境，查看历史数据，发出警报信息，让种植户及时决策调节环境参数，促进作物在最佳环境中健康生长。种植户可将温室大棚的环境数据发送给专业机构分析、整理，进一步提高温室大棚农作物的产量和品质。本文只是实现了温室大棚的可视化监控，并没有与大棚的灌溉控制系统等进行连接，不能实现“以虚控实”，此外数据的传输还是采用传统的缆线连接。下一步研究将采用蓝牙传输数据，同时接入温室大棚的控制系统，实现真正的以虚控实。