多功能可视联网监控装置应用

孙蓉蓉

关键字：物联网、可视化监控、精细化管理

农产品是社会主义国民经济发展的基石，是人类赖以生存的重要基础。在现代产业文明引领下，农业智能化、信息化的新时代已然来临。辽宁、山东、河北共占有全国农业大棚面积的20.1%，2014 农业大棚总量（ 塑料温室大棚占主要部分） 已经超过了1000 公顷。虽然智能化种植业目前也处在高速发展時期，但尚未广泛投入生产使用，不少地方仍然使用中国传统的栽培方式。中国的农作物大棚生长点主要面临着这样的一些困难。

①由于主要靠太阳和煤炉供暖，极易遭受雨雪的自然影响，而且工作人员长期在封闭的大棚生长点里工作很容易引起CO 中毒现象。

②主要依靠个人的生活经验确定了农作物的生长发育状态，给农作物的生长发育造成了极大风险。

③所有生产的过程全靠人力，机械化程度不高，生产效率低下。

④由于农民的个体经营不能形成规模化，所以生产工艺比较落后，规模也较小，所以产出质量和土地效益都不高[1]。

根据上述情况，我们利用嵌入式技术研发了一个多功能可视化平台，通过移动监测设备无死角地监测整个温室大棚，从而及时掌握温室大棚内的不同地方农作物生长发育的情况，便于管理混合栽培的农作物。本系统通过集成机器学习技术对粮食作物品种进行识别，以适合于各种经济作物的综合种植；严格控制了阻碍粮食作物正常生长发育的环境因素，为粮食作物的正常成长和发育提供了优越的生长发育环境，对粮食作物生长状况进行了精细化控制。本系统还能够提升生产效益，节约家庭劳作力量，从而大大降低了成本，提高了农民收入。

一、监控系统的硬件设计

（一）硬件结构

可视化的农业监测管理系统按控制模块大小可分五大块，依次为集中控制管理模块、移动监控模组、设备管理模组、数据库系统模组和网站模组，系统的基本结构设计如图1 所示。

移动监控模块主要包含收集环境信号的各类感应器和移动监控，移动监控主要是在温室上设置轨道用移动车辆，带动监控仪实现在温室大棚内的无死角监测，将参数直接传送给集中控制模块进行数据分析管理，并把收集到的环境监测信号连同感应器所收集的数据，透过WIFI 传给客户端系统。

（二）供电电路

供电回路相当于整个系统的基础回路，它影响着整个控制系统是否启动工作，所以供电电源必须保持稳定状态[3]。本控制系统是把12V 的镍氢电池放置在可动小车中，给步进式电机的系统供电，在电路系统中设置时有所不同的支路通常要求有所不同的电力。

（三）复位电路

复位维持装置内的电路稳定工作，主要作用是对线路实施“清零操作”，还原到初始状态。在线路供电中，线路发现异常导致系统出现问题中，系统中程序运行时需要及时进行复位动作。

（四）存储器电路设计

整个Flash 器件存储过程都是在空单元或是已被擦出的模块中完成，因此Nand Flash 的擦除频率是普通Nor Flash 的十倍，并且由于Nand Flash 具有SDRAM 接口，所以寻址也非常细节化[4]。我们将采用目前最有利于信息存储的Nand Flash 存储设备技术。

（五） SDRAM 接口电路

SDRAM 也是属于DRAM，是一个内存数组中始终都在刷新的同步动态随机存储器，能够避免线路延时的危害。

（六）WIFI 模块的设计

本文的集中控制单元大部分集中在可移动小车中，因此必须通过无线方式把收集到的信息传输给服务器系统。而WIFI 和Zigbee 也都可以用于短距离无线数据传输，但是因为该网络的视频控制功能需要大容量高效率的传输，而且同时影响了监控的即时性，所以必须选用WIFI 模块才能实现传输。

我们将使用乐鑫的ESP8266WIFI 模组，并采用了透明数据的方式传输，在系统中通过UART 口把数据给了ESP8266。传输长度大约二十公里，当遇到规模较大的如暖房大棚等时，可使用WIFI 中继器来扩大网络的覆盖面积。

二、传感器设计与选择

（一）温度传感器

温室大棚内的温度主要与光照条件和供暖方式相关，通常植株的生长期温度范围为16℃ ～28℃，成熟期的温度范围为21℃ ～27℃左右。由于温室大棚内的相对湿度主要与植物生长和土壤中的蒸腾作用相关，大棚内相对湿度太大很容易引起病虫害防治，因此一般的最大相对湿度范围可掌握在34% 左右。该装置通过奥松电子公司的AM2305 感应器，对大棚内的气温、相对湿度等进行了数据收集。

（二）光强传感器

光照强度主要影响作物生长的质量和口感，根据不同的植株反射光的需求量不同，以及针对的品种不同，还可以控制系统做出适当的遮光和补光处理。该控制系统使用功率很小的MAX44009 环境光感应器，最大精度±6%，具备高灵敏性、高精度、安装简单的优势。MAX44009 整合了光电的二极体和ADC 的环境感应器，将光照强度转换为电流密度进行处理和存储。同时使用光传感器的SCL 和SDL 线分别从集中式监控模块的GPE14 和GPE15 接口中读出数据信息。在INTE 位置为一，若发光强度高于所设定的阈值，则在INTS 的位置位，由于INT 引脚为低电压，因此集中式监控模块读出时复位为零。

（三）二氧化碳浓度传感器

光合作用是绿化植被赖以生存的物质，它可以使二氧化碳和水分在光的参与下转变为供绿化植物生长的有机物。由于温室大棚的高度密闭性，在白天植株内开展光配合用的氧气就会造成二氧化碳含量减少，进而直接抑制植株的光配合用，严重影响了植株生长发展。所以适当地减少二氧化碳含量，是植株健壮发育的重要基础。该装置使用了MG8111.1 超临界二氧化碳传感器，测试范围为0～5000 ppm。每次输出8 个数据位和1 个停止位。

（四）摄像头选型

该芯片的移动控制功能使用了CMOS 技术制作的图像传感器OV5640，选择了QSXGAOV5640 摄像机头，数据信息清晰度为2592*1944。工作电压：3.0V～5.5V，物理分辨率較高，并具有自动对焦、手动白平衡等功能、自动逆光补偿等功能。

三、软件平台设计

（一）摄像头外设驱动

V4L2（Video4 for Linux2） 是基于Linux 核心中的一种基于视频设备的核心驱动器。主要是透过利用一些回调函数来使程式找到并利用装置。在Linux 操作系统中，每个外接设备都被视为设备文件提供存取管理，可以透过内存映射的方法实现连续视频采集[5]。

视频信号的收集必须遵循V4L2 规则，通过系统的调用函数ioctl（） 实现。视频拍摄流程：

①首先要指定程序帧采集保存路径；

②打开摄像头在Linux 下的设备名字，设置为可读可写不堵塞；

③利用ioctl 获取驱动信息；

④选择视频的格式；

⑤申请帧缓存；

⑥获取地址长度；

⑦映射到用户空间；

⑧将缓冲加入队列；

⑨利用采集命令符采集图像；

⑩出队数据获取；

?访问帧缓冲；

?将帧缓冲重新入队。

（二）Apache Tomcat 服务器的构建

WEB 服务器指的是存在于网络的一个被动类型的程序，必须发送大量数据请求，才能够允许人们自由访问下载存储的网络档案或信息资料。ApacheHTTPServer（Apache） 是目前效率最快的Web Sever，但是必须通过插件才能够支撑动态网页，所以我们通过Apache 扩展的Apache Tomcat 应用服务器，即可执行Servlet（Server Applet）/JSP（Java Server Page）。

（三）网页客户端的设计

可视化农业监控就是Eclipse 为主要研发环境并利用Java Web 动态页面技术设计的门户网站，利用JSP 和CSS（Cascading Style Sheets，层叠样式表）为开发的网络页面布局方式展示网络数据分析信息。JSP 能够设定为实时监控、历史数据等，功能界面要求实时更新动态网站界面。可视化农业监测管理系统的网站界面一共设计了七个JSP 主页，依次是登录主页、首页（如图2）、实时监视、溯源界面、远程控制（如图3）和用户管理。

实时监控管理系统包括有实时的监控图像、真实的环境参数和植物识别，操作系统可以对检测得到的图像加以鉴别，并分类保存在系统的数据库中，因此监控管理系统可以直接提供给用户较为直接的监控接口。而环境参数则主要是当前气温的平均值和百分比，表示的是当前气温与处于温度区域之间的比例，温室大棚中的二氧化碳含量在28%～50%比较适宜。大棚中二氧化碳含量在35%～60% 比较适宜。温室大棚内最适宜的相对湿度范围是28%～58%。最低光照强度0lx～100000lx。

四、结束语

该系统结合了当前智能农产品大棚的研发成果，并根据目前智能农产品设备中遇到的部分难题进行了分析研究，而设计出的一套农业可视化系统。该系统利用嵌入式产品和图像处理技术，实现了种植者对农产品的精细化管理，大大提高了农作物产量与效益。同时，消费者借助该系统能对农作物生产过程进行追溯，打消了食品安全方面的顾虑，能帮助消费者更好地选择商品。