基于云服务的大棚温湿度远程监控系统研究

段萍 高雪 朱志辉

摘 要： 针对传统农业大棚管理效率低下的问题，在此设计一套基于云服务的大棚温湿度远程监控系统。该系统在大棚监控区域内设置检测节点，检测节点采用树莓派为核心控制板，利用MQTT协议实现DHT11模块对监控区域内温湿度环境参数的采集，并将采集到的数据存放在云服务器当中进行分析。同时管理人员可以通过监控客户端的上位机观测到分析结果，并对大棚环境进行反馈控制，通过这样的远程监控方式可以使大棚内的农作物一直处在适宜状态的生活环境中。经测试结果表明，该系统运行正常，切实可行，满足现代农业的发展需要。

关键词： 云服务； 树莓派； MQTT协议； 远程监控； 农业大棚管理； 现代农业

中图分类号： TN948.64?34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）14?0178?04

Research of greenhouse temperature and humidity remote monitoring

system based on cloud service

DUAN Ping， GAO Xue， ZHU Zhihui

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300132， China）

Abstract： In allusion to the problem of low management efficiency of the traditional agricultural greenhouse， a greenhouse temperature and humidity remote monitoring system based on cloud service is designed. In the system， the detection nodes with the raspberry pi as the core control board are set in the monitoring area of the greenhouse， the MQTT protocol is employed to realize the DHT11 module′s acquisition of temperature and humidity environmental parameters of the monitoring area， and the collected data is stored in the cloud server for analysis. Management personnel can observe the analysis results by monitoring the upper computer in the client terminal， and conduct feedback control of the greenhouse environment. Such a remote monitoring pattern can ensure that the crops in the greenhouse grow in a living environment with suitable conditions. The test results show that the system runs normally， is feasible， and can meet the development requirement of modern agriculture.

Keywords： cloud service； raspberry pi； MQTT protocol； remote monitoring； agricultural greenhouse management； modern agriculture

0 引 言

我国是农业大国，农业生产的质量对我国具有非常重要的意义，但是通过一段时间的实际调研考察，意识到我国农业大棚发展比较晚，农业大棚的发展状况还没有完全智能化，云控制技术没有普及到农业生产中，致使农业生产效率低下。

將云服务应用到农业环境的监控中来，可以更高效地管理环境状况[1?3]。云计算作为一种全新的网络服务模式，具有海量存储、分配计算、动态扩展、系统可靠性高等特点[4?5]。企业可以通过云计算的方式在云端构建一个数据存储和处理分析中心，把数据的存储和分析等任务全部交给云端来完成。

我国的云服务在农业方面的应用还有待挖掘与普及。农民种植蔬菜依然采用传统方式，保温措施：冷棚只采用塑料保温，暖棚在上面加上保温被等，并配以通风口：冷棚一般为一个通风口，处于大棚的最高点位置；暖棚则为两个通风口，顶端最高点一个，下边距离土壤1.5～1.7 m处设有一个，两个通风口之间形成对流。湿度维持措施则只是人工浇注或依靠降雨。这样一年四季极易受变换不定的天气影响。所以我国的农业发展也急需一套属于自己国家技术特色的智能化远程控制系统。

本研究则设计了一套基于云服务的大棚温湿度远程监控系统 [5?7]。使大棚内农作物免受天气影响，方便用户更好更及时地进行管理。系统以温湿度环境参数为例进行深入研究。

1 系统整体架构

本系统总共分为3个层面构成：感知层、通信层和控制层[8]。系统总体架构如图1所示。

1） 感知层：利用监控节点中的温湿度传感器对大棚室内环境进行监控，并将获得的环境参数实时传递到云端服务器。

2） 通信层：通信层负责把采集上来的数据存储在云服务器当中，并在云服务器中对数据进行处理和分析，得出大棚内的环境状态。

3） 控制层：控制层负责实现对大棚环境参数的远程反馈控制。该系统中的控制模式有两种：人工控制（半自动化控制）和全自动化控制。当远程控制界面监控到温湿度数据异常时，会下发控制指令到相应设备，报警指示灯亮并报警，增加安全保障。

2 系统硬件设计

远程终端检测节点包括树莓派开发板，温湿度传感器，一些外接设备如：报警器、卷帘机、暖风机、加湿器等。繼电器采用的是SPD?05VDC?SL?C。本系统以树莓派开发板为核心，其装有温湿度传感器模块，监测室内温湿度实时变化。通过继电器，外接有各种执行设备。如图2所示即为系统硬件结构示意图。

2.1 核心控制板树莓派

本系统采用的核心控制板是Raspberry Pi 2 Model B V1.1 用其进行温湿度的数据采集，树莓派具有很强大的功能，本系统的设计中恰好利用树莓派的各种便捷强大的功能，其相当于电脑的一个主板，树莓派除了可以上传数据以外，还可以进行实时视频传输，拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，具备所有PC的基本功能。本系统利用树莓派这一强大功能特点，将树莓派通过CSI接口与摄像头相连接，通过MQTT传输监控视频到云服务器，再到上位机实时监控界面中，方便用户对大棚内情况进行监控。

2.2 温湿度传感器

温湿度传感器采用的是DHT11模块。该模块的输出形式是数字输出，树莓派开发板能够直接采集数字量，所以不用进行模/数转换，便可用温湿度传感器直接接到树莓派上进行数据采集。可以检测周围环境的温度和湿度，湿度检测范围为20%～95%（0～50 ℃范围），湿度测量误差为±5%；温度测量范围是0～50 ℃，温度测量误差为±2 ℃。工作电压为3.3～5 V。并且该模块具有可靠性高、稳定性好、响应快、抗干扰性好、性价比高等优点，所以为大棚温湿度测量的最优选择。DHT11模块与树莓派的连接：VCC?VCC（+） GND?GND（-） DATA?GPIO。

2.3 摄像头模块

摄像头模块是树莓派配套的鱼眼摄像头，感光芯片0V5647，与树莓派之间通过排线与CSI接口相连接。500万像素，与B型树莓派完美相融，能录制30 f/s的1 080 P全高清视频，可调焦，170°的视角。普通的树莓派RPI NOIR摄像头板，可监控视场角只有72.4°。两者比较取最优，鱼眼摄像头更适合在大棚环境监测中使用。

3 系统的软件设计

监控系统的主程序环节主要是初始化，温湿度数据采集，通过MQTT上传数据到云服务器中，在云服务器中进行数据存储与处理，将处理结果上传到上位机中，上位机操作界面由LabVIEW软件进行开发设计，实现人机交互。上位机接收数据，进行判断，在数据值异常时报警，监控中心下发控制指令，树莓派接收控制指令。经数据处理分析，可以有效地预测温湿度变化趋势，及时地采取措施进行控制。通过继电器电路控制相应设备进行温湿度实时调节，调节完成的数据也实时显示到监控中心监控界面。反复执行此过程，保持大棚室内温湿度值在可控阈值范围内上下浮动。远程监控系统的总流程图如图3所示。

3.1 远程终端下位机温湿度数据采集

在远程终端监控节点处，树莓派主要采集大棚室内实时温湿度数据。当监控中心下达采集数据指令时，通过WiFi通信模块，传达给下位机树莓派开发板，树莓派接到指令后开始进行数据采集。主机发送开始信号后，主机至少拉低18 ms，延时等待20～40 ?s后读取DHT11的回应信号，读取总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高，准备发送数据。温湿度传感器采集室内温湿度数据的主要程序为：

humidity_bit = data[0：8] //8bit湿度整数数据

humidity_point_bit = data[8：16] //8bit湿度小数数据

temperature_bit = data[16：24] //8bit温度整数数据

temperature_point_bit = data[24：32] //8bit温度小数数据check_bit = data[32：40] //8bit校验和

humidity = 0 //湿度整数部分初始值

humidity_point = 0 //湿度小数部分初始值

temperature = 0 //温度整数部分初始值

temperature_point = 0 //温度小数部分初始值

check = 0 //校验位初始值

for i in range（8）： //从DHT11读取一次数据

humidity += humidity_bit[i] * 2 * （7?i）

humidity_point+= humidity_point_bit[i] * 2 * （7?i）

temperature+= temperature_bit[i] * 2 *（7?i）temperature_point+=temperature_point_bit[i] * 2 *（7?i）

check += check_bit[i] * 2 *（7?i）

3.2 MQTT协议实现数据发布订阅

应用最为广泛的物联网四大协议是：CoAP协议，XMPP协议、HTTP协议、MQTT协议。经调查比较可知：CoAP协议是相互连接设备数量受限制的应用协议；XMPP协议较复杂、冗余；HTTP协议的实时性差；MQTT协议简洁、可扩展性强、速度快、实时性好。

综上考虑，本系统采用的物联网协议是MQTT协议。MQTT是IBM开发的一个即时通信协议，MQTT协议实际上是一个客户端与服务器端长连接的过程，是一种发布/订阅式的消息协议，提供一对多的消息發布。

3.3 远程监控客户端上位机软件设计

远程监控客户端的上位机界面采用NI公司的LabVIEW软件进行设计。LabVIEW软件提供了很多和现实实物相似的控件，用这些控件可以很方便地制作出客户端监控界面，让操控人员可以更直观、更方便地监控大棚室内温湿度环境情况。在上位机软件中丰富地设计添加监控客户端功能，方便其在监控界面实时接收到室内的温湿度数据，并下达控制指令向各个执行控制节点。上位机软件界面如图4所示。

系统功能设计主要应体现在以下几个方面：

1） 摄像头监控功能。在上位机上用户可以在远程监控界面上实时观看通过USB摄像头上传过来的大棚内农作物的监控录像。方便观察农作物生长的当前状态。

2） 用户管理功能。为了保障系统的安全性，设置了用户管理功能，进行了权限设置。上位机输入正确的用户名和密码才可以登录打开远程监控界面。并且用户中也设有管理员和非管理员，非管理员只能进行界面上监控部分的相关操作，但不能对用户进行设置。而管理员除了可以进行监控操作外，还可以对用户进行设置。这样在一定程度上对系统的安全性做了保障。

3） 温湿度值数据库查看功能。上位机上有温湿度的数据库操作按钮，方便用户对温湿度实时历史数据进行查看、分析。对数据进行存档。

4） 报警功能。当某一节点处的数据出现异常时，其对应的报警指示灯亮，报警警报声响起，并会弹出报警提示信息及时对其作出处理。

5） 执行设备调节功能。在用户监控界面设有节点对应的执行设备的操控按钮，当该节点处的报警响起时，用户便可以通过旋转相应的控制设备操控按钮来对设备进行控制。

4 实 验

切实去监测了天津地区3月初番茄暖棚内外一天24 h的温湿度变化，此时番茄恰好处于一个刚开花的阶段，属于生长期。番茄暖棚走向为东西走向。暖棚内空气温湿度传感器DHT11放在距离棚门10 m，距离土壤高度1.5 m左右的空间位置去测量整个大棚内的空气温湿度值，并挂有温湿度计方便现场查看。进行一天24 h的实时监测，观察一天内的数据变化情况，将监测上来的数据实时地上传到云服务器，并实时写入云服务器数据库中，可方便进行历史数据的查看。由于是在云控制领域内的研究，所以很好地展现了云服务极大的优势，可以不受时间限制，不受空间限制地去监控，并具有几乎0延时的实时性，不管用户在任何地方，只要打开手机APP或笔记本电脑，打开发布的链接，均可访问到监控界面，查看数据，监控实时情况。大棚里果蔬需要的环境条件非常的苛刻，这也就促进了如今现代农业的发展，智能化监控，提高了农作物的产量[9]。实际调研了暖棚内番茄培育的合适的温湿度值阈，如表1，表2所示。

通过番茄暖棚内外温湿度数据对比，也证实了该系统的实用性、正确性[10]。下面是监测到的温湿度数据以及变化曲线图。温湿度分别各测了3组数据：大棚室内温湿度，大棚室外温湿度，加入控制系统后的室内外温湿度。然后将3组数据与理想状态值做对比，见图5、图6。

5 结 论

本系统实现了三种功能：能够实现温湿度环境参数的智能控制，保证农作物始终处在一个适宜的生长环境中，免于遭受外界环境条件的影响；上传到云端服务器，实现物联网，不受时间空间限制去进行智能监控；设置人机交互，操作简单方便直观。系统还设置了报警设备，能够增加安全性。系统是一个闭环控制模式，可以上传数据信息，同时又可下发控制指令到相应调节设备，具有双向性。该系统的实用性通过实际的实验测量得到了验证。其在大棚领域的应用是对云控制的一个应用研究，云控制技术的发展很大程度地促进了农业迈向现代化，促进了农作物产量，提高经济效益，对我国的经济发展、科技进步都有极大的促进作用。并且后期可以对该系统进行改进，加入土壤湿度传感器、光照传感器、气体传感器等多种传感器，进行更全方位监控。

参考文献

[1] 谢天钧.智慧医疗云服务平台研究与实现[D].北京：北京工业大学，2015.

XIE Tianjun. Research and implementation for smart healthcare cloud service platform [D]. Beijing： Beijing University of Technology， 2015.

[2] 张泽建，王晓东，晏芳.基于物联网技术的仓储环境感知系统设计[J].物流技术，2016，35（8）：119?121.

ZHANG Zejian， WANG Xiaodong， YAN Fang. Design of warehouse environment sensing system based on IoT technologies [J]. Logistics technology， 2016， 35（8）： 119?121.

[3] 吴朋林.温室大棚智能控制系统研究[D].济南：山东大学，2015.

WU Penglin. The research of greenhouse intelligent control system [D]. Jinan： Shandong University， 2015.

[4] 施荣华，李长斌，王国才，等.农产品储运环境实时监测系统设计[J].计算技术与自动化，2015（1）：48?50.

SHI Ronghua， LI Changbin， WANG Guocai， et al. Design of integrated remote real?time monitoring system of agricultural products storage and transportation environment [J]. Computing technology and automation， 2015（1）： 48?50.

[5] 史佩昌，王怀民，尹刚，等.云服务传递网络资源动态分配模型[J].计算机学报，2011，34（12）：2305?2318.

SHI Peichang， WANG Huaimin， YIN Gang， et al. The dynamic allocation model for the resources of cloud services delivery networks [J]. Chinese journal of computers， 2011， 34（12）： 2305?2318.

[6] Wikimedia Foundation， Inc. Cloud computing [EB/OL]. [2018?05?25]. https：//en.wikipedia.org/wiki/Cloud_computing.

[7] 韩毅.基于物联网的设施农业温室大棚智能控制系统研究[D].太原：太原理工大学， 2016.

HAN Yi. Study on intelligent control system based on Internet of Things in facility agricultural greenhouse [D]. Taiyuan： Taiyuan University of Technology， 2016.

[8] 张伟滨.基于ZigBee温室大棚远程监控系统研究与实现[D].大庆：东北石油大学，2014.

ZHANG Weibin. Research and implementation of remote monitoring system for greenhouse based on Zigbee [D]. Daqing： Northeast Petroleum University， 2014.

[9] 王晓微.基于CFD的大棚微气候与通风调控研究[D].武汉：武汉大学，2013.

WANG Xiaowei. Study on microclimate and ventilation of plastic?film covered sunlight greenhouse based on CFD [D]. Wuhan： Wuhan University， 2013.

[10] 符国槐，张波，杨再强，等.塑料大棚小气候特征及预报模型的研究[J].中国农学通报，2011，27（13）：242?248.

FU Guohuai， ZHANG Bo， YANG Zaiqiang， et al. Research on the microclimate characteristics and inside temperature prediction model for plastic greenhouse [J]. Chinese agricultural science bulletin， 2011， 27（13）： 242?248.