基于物联网植物工厂监控系统的设计

孙 阳，白皓然，初留珠，王方艳，李 秀

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)

基于物联网植物工厂监控系统的设计

孙 阳，白皓然，初留珠，王方艳，李 秀

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)

利用现代物联网技术，设计了基于物联网植物工厂监管系统，包含农产品生长环境监控系统和农产品追溯系统两部分。下位机通过在温室大棚内布设ZigBee无线传感网络，精确感知温室大棚内的环境因子，并通过ZigBee-Wifi网关将采集的数据通过分布式中间件利用Web service技术传送到上位机网站；用户可以通过电脑登陆农产品生长环境监控系统查看实时环境信息，远程操作大棚内的滴灌、温控和补光等设施；还可以在大棚内种植农产品过程中使用电脑登陆农产品追溯系统，按追溯编号录入农产品的种植日期、名称、采摘时间、物流信息、销售路径等信息。销售时，将生成的载有农产品信息的二维码贴在包装盒上，消费者可以通过手机扫二维码标签查询农产品从种植到销售的详细信息。

植物工厂；物联网；可追溯；远程操作；Web Service

0 引言

传统农业主要依靠农户对农作物人工进行打药、施肥凭经验和感觉的耕作，这种耕作方式效率很低，工作量大；而现代农业引入物联网技术，打破传统农业存在的种种弊端，利用传感器技术、RFID无线射频技术和计算机网络技术使农业生产实现“环境监测、生产控制、质量追溯”的目的，从根本上改变农业生产管理方式[1]。物联网的基本工作流程由 4 部分组成，即信息采集系统(RFID 系统)、PML 信息服务器、产品命名服务器(ONS)和应用管理系统[2]。以日本、荷兰等国家为代表的设施种植物联网[3]，有着自动化技术高及管理工厂化的特点。

我国物联网技术进入农业领域始于20世纪90年代，农业科技人员乃至农民都可以随时随地获取各种科技信息、管理信息、市场供求信息、气象和土壤信息、作物和病虫害信息等[4]。

随着物联网的发展，将其应用于食品安全的追溯也已经成为潮流。物联网技术为实现食品供应链自动化的跟踪和追溯提供了基础平台，解决了蔬菜生产、加工、流通等一条龙追溯[5-7]。

近年来，农产品食物中毒事件不断发生，市场上的农产品存在残留超标农药[8]，消费者无法辨别是否有毒，食用后常出现头晕呕吐症状。农户种植的农产品一般通过供应商进入市场销售，消费者对所购买的蔬菜等农产品的了解停留在供应商提供的标价上，无法获得更详细的信息，遇到有问题的农产品也无方向可查，很难放心食用。

欧盟委员会2002年178号法令中“可追溯性”被定义为：食品、饲料、畜产品和饲料原料在生产、加工、流通的所有阶段具有的跟踪追寻其痕迹的能力[9]。可追溯体系有助于确定食品的身份、历史和来源，增强通过生产与销售链追溯食品的能力， 是食品质量安全管理体系成功的要素之一[10]。在我国，农产品溯源发展比较晚，政府实施“无公害食品行动计划”在全国开展，我国农产品溯源的建设从此拉开帷幕[11]。2008年，北京奥运会上，可以实现对全部运动员的食品进行溯源，是我国建设食品溯源系统以来一个很好的应用[12]。

本文针对物联网温室大棚的管理与控制，设计了一套精准感知、远程监控、防伪追溯的农产品生产管理系统，以提高农产品生产效率，促进农产品生产的精准化管理，使消费者吃得放心，同时为农户在温室的管理上带来方便。

1 系统的结构

1.1 农作物生存环境检测子系统

本设计在温室内安装采集器，下位机组建ZigBee无线传感网络，不断地接收空气温度、光照强度、CO2浓度等信息，并经过网关传输到远程网站。农户可通过下位机上传的数据对农作物的生存环境进行分析，从而科学合理地对农作物进行配比施肥，通过无线控制器对大棚里的农作物进行补光、通风及滴灌等动作，从而达到对农作物生存环境的调节。

1.2 农产品溯源子系统

种植户通过登陆农产品溯源系统，按设计好的追溯编码在后台录入农产品的种植日期、名称、采摘时间、物流信息及销售路径等信息。销售时，将生成的载有农产品信息的二维码贴在包装盒上，消费者可以扫二维码标签查询农产品从种植到销售的详细信息。

2 系统总体设计

将农产品的基本信息和物流信息存入数据库，然后生成并打印二维码标签，通过扫描器扫描二维码就可以清楚地了解农产品的信息。

2.1 农产品生长环境监控系统

该系统下位机由ZigBee采集器采集温室内的光照强度、土壤水分含量等环境数据，经ZigBee-Wifi网关通过分布式中间件将采集的数据传送到上位机显示，种植户可以根据采集到的数据通过控制器(无线网络继电器)来控制水泵、CO2发生器等设备，实现对温室环境的调节。另外，本系统也实现了对温室大棚的无人值守远程监控功能。

2.2 农产品追溯系统

管理员通过系统后台将农产品的基本信息(包括种植日期，种植地，品种等)和物流信息存入SQLSERVER数据库，然后生成并打印二维码标签；农户和消费者可以通过手机和其他设备上的二维码扫描器通过扫描标签上的二维码就可以清楚地了解农产品的生产日期、产地、采摘日期及食用方法等信息，进一步提高食品安全。

3 系统硬件设计与实现

3.1 ZigBee无线传输网络

核心芯片CC2530是一种片上系统芯片，主要应用在ZigBee中实现无线网络的搭建，支持新RemoTI的ZigBee RF4CE CC2530，这是业界首款符合ZigBee RF4CE兼容的协议栈，在发射功率、链路预算、射频噪声抑制能力、低功耗及ESD防护能力方面优势明显，支持系统编程。此外，CC2530芯片内部含有一个高性能的RF收发器，采用21内核，内置一个8051微处理器，支持中断、DMA等功能，以及其他强大的支持功能和外设。

3.2 数据采集模块的设计

该模块内部含有一个ZigBee终端节点，该节点采用工业级ZigBee模块，内部接有CC2591芯片，是一种射频增强模块，与2.4G全向天线结合使用，能够实现500m的可靠稳定的传输距离，同时当设备掉线时可以支持300m内自动重连。

节点外围连接了5个传感器用于采集温室里的各种环境信息，包括空气温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤湿度、土壤温度和光照强度传感器。

3.3 控制器模块的设计

控制器采用无线继电器控制温室内的照明等设施。

1)输入端。VCC:继电器模块工作电压正极；GND:继电器模块工作电压负极；IN:控制信号输入口。

2)输出端。NO:继电器常开端；COM:继电器公共端；OFF:继电器常闭端。

3.4 监控模块概述

本设计采用IP网络摄像机，是一种内置TCP/IP协议栈的摄像机，内嵌无线网卡，有唯一的MAC地址，与普通相机或网眼的最大的区别是IPCAM是集成视频服务器和CCD相机，自带微处理器和内存，拥有属于自己的IP地址。用户使用时只需插上电源和以太网网线，通过IE浏览器输入IP地址就可以实现远程监控。在设计实时图像视频功能模块时，配置IP网络摄像机的IP地址为静态IP，视频图像嵌入在页面中即可。

4 系统软件设计与实现

本系统下位机使用TI公式的ZigBee 2007 Pro协议栈在IAR集成开发环境下开发，上位机使用微软.NET平台开发，开发环境为Visual Studio 2013，开发语言使用面向对象语言C#。

4.1 下位机ZigBee节点的软件设计

当采集器通电成功加入网络后，通过网关向电脑端传送确认信息并把该节点的IEEE地址、节点类型及采集节点使用定时器周期性采集环境参数上传到网站。用户通过给下位机发送读取环境数据的指令后，协调器以广播的形式发送到大棚内的采集器，最后再将采集器采集的数据发往上位机。

CC2530芯片外部连接有8路继电器控制，通过无线网络接收ZigBee-Wifi网关发来的通断命令，实现控制设备的启动与停止，如控制照明灯，滴灌设备、风机、植物补光灯及卷膜机等。当控制器通电成功加入传感网络后，通过ZigBee-Wifi网关，向中间件传送确认成功信息，并发送该节点的IEEE地址、节点类型及网络地址等信息。

ZigBee-Wifi模块在本系统中起到承上启下的作用，它一端连接ZigBee无线网络，另一端连接到互联网，实现数据在不同网络协议间的传输。

4.2 分布式中间件软件设计

4.2.1 中间件简介

中间件是在服务器和应用程序客户端转达信息的组件，为了特定目的监听和回应消息，某些中间件会完成一些中间任务，有一些中间件会最终生成回应消息。现在的操作系统(如 Unix、Windows)或高级程序设计语言(如 Java、C#)均提供了像套接字(Socket)这样相对简单的网络编程开发接口，支持编写跨网络交互的代码； 但分布式中间件开发时有一缺点，就是必须使用多线程进行socket编程，开发和调试起来比较复杂。

4.2.2 socket编程设计

在网络通信中，TCP协议属于传输层，所以编写的应用层服务要想使用传输层的服务，必须提供必要的服务接口，而这个接口服务就是通过套接字来实现的。socket套接字中包含两个最重要的信息：本地终端、远端IP和端口号。一台电脑中的应用层要想与另一台远程主机的某个应用层进行通信，必须通过一个唯一的ID号来标识， IP地址和端口号就代表了网络中唯一的应用层。

4.2.3 分布式中间件设计实现

本设计采用分布式中间件，主要功能是通过webservice跨平台技术衔接上位机网站客户端系统，通过端口监听与下位机ZigBee-Wifi网关实现数据的上下行通信，以及数据格式解析、存储，可部署在云端中任意计算机。本设计网站、下位机zigbee-wifi网关中的串口转wifi模块是 TCP/IP 协议中的客户端，分布式中间件是服务器端。点击“开始监听”按钮，中间件会监听所在计算机的5000端口，当有客户端连接请求时接受远程连接，并左下角显示远程终端信息，同时显示在线的节点IEEE地址。选中“启动调试模式”后，点击“获取传感数据”按钮，可以在右侧获得传输的以十六进制字符串显示的数据格式。

Web Service主要实现跨平台数据共享。通过SOAP协议，在 Web服务器上提供服务，使用WSDL文件说明使用方法，并通过UDDI注册。该技术基于XML(可扩展标记语言)进行数据传输，中间件调用Web服务实现通信。

4.3 数据库系统的设计实现

SQL Server数据库采用SQL Server身份验证，用户为sa，享有数据库操作的最高权限。 SQL Server根据内部用户权限，确定用户在数据库中权限。考虑到最后要将数据库发布到远程虚拟空间，本设计采用第2种SQL Server身份验证方式登录到数据库，使网站更方便、更安全地链接到数据库。

4.4 农产品追溯子系统

当用户输入追溯编码或者种植户查看查询农产品信息时，页面会转到农产品具体信息页面，显示产品的详细信息。界面中除了显示农产品的详细信息外，还提供了生成和打印二维码功能。当该页面首次加载时，会获取当前页面的URL路径；点击页面中的图片，就会将获得的URL路径生成二维码，用户通过扫描二维码，就会转到农产品详细信息界面；当服务器连接了二维码标签打印机、点击“打印”按钮时，会将二维码打印出来并贴到对应的农产品包装盒上供消费者查询。

很多系统供消费者可查询的可追溯信息比较单一，仅仅局限于生产环节(包括蔬菜产地、生产日期和生产商等信息)，对于蔬菜质量安全比较重要的蔬菜种植环节信息、存储和流通环节信息，以及全程质量安全追溯体系涉及的信息全面性考虑比较少。今后在数据方面要加大力度，以保证可追溯信息包含整个产业链[13]。

4.5 农产品生长环境监控子系统

本系统主要包括数据显示页面、监控界面、远程控制界面及查询历史数据界面。

1)实时传感控制页面主要用来显示采集器采集的温室大棚内的环境数据，分布式中间件调用Web服务器提供的方法，将数据以XML格式传递到电脑端，并保存到数据库中。

2)无线监控页面主要实现对温室大棚的实时监控，采用无线网络摄像头，并在路由器端做端口映射，通过摄像头控制面板，使用监听、录像等功能，对温室实时监控。

3)远程控制页面可以远程控制温室内的开关设备，包括风机、照明灯设施。点击闭合按钮，设备就会动作。后台启用一个Timer定时器，用来不断地刷新页面读取设备的状态；后台编写对应的WebService方法，实现与中间件的通信。

4)历史数据查询页面可以实现大棚环境历史数据的查询，数据显示控件同样使用了GridView控件；而数据源选择存放传感数据的XML文件，该页面使用Timer定时器，每隔一段时间将传感数据定时的存储到数据库中。

5 试验验证

系统设计完成后，试用于青岛现代农业示范园内，远程监控生长环境信息及控制棚内的基础设施。

该大棚属于塑料大棚，长约60m，宽约10m，北面有2m多高的土墙，南面为半拱圆的棚面。棚内蓝莓采用手动控制的滴灌进行灌溉，棚顶安装半自动的卷帘机用于卷帘，棚区内覆盖网络。

从成本、测量范围及控制设备角度考虑，在棚区内架设3个ZigBee采集节点，每个采集节点都配备温湿度传感器、CO2传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器及光照强度传感器；1个ZigBee控制节点可控制8个设备，从安全角度考虑半自动卷帘机不考虑在内。

登录生长环境监控子系统，默认进入实时传感控制界面。实时传感控制模块包括检测新传感器节点的加入、传感器节点数据服务的启停、传感器节点的卸载、最新环境数据、按时间曲线显示环境数据等功能，界面如图1所示。

图1 实时传感数据显示界面Fig.1 Real time sensing and control

实时图像监测模块包括多画面显示视频图像及摄像头云台的转动、语音、录像、抓屏等功能，抓屏截图如图2所示。

图2 多画面监控Fig.2 Multi screen display

对本系统在示范园内的硬件的部署、软件操作步骤，以及安装完成后对生长环境监控子系统和生产信息可追溯子系统进行测试，验证系统的稳定性以及可靠性，结果表明：系统运行正常，数据正确，达到预期要求。

6 结论

基于ZigBee无线网络、传感测量技术、计算机视觉技术及C#编写上位机软件，通过SQL数据库和C# asp .net技术，形成了一个基于物联网的远程监控系统，可以提供不受时间和地理位置限制的灵活访问方式,用户可以根据需要随时访问系统的服务站点。管理者可以通过电脑、手持设备远程登录该系统掌握植物的生长环境，及时采取措施进行环境控制，对果实成熟度更及时地了解，便于采摘，并可以实现产品基本信息的追溯。该系统成本低，使用过程中操作简单，适合普通种植户使用，顺应农业发展趋势。系统将产品质量可追溯技术应用在该系统中，使产品从原料到生产到加工再至物流信息透明地呈现在消费者面前，具有一定的现实意义。

[1] 周萌，陈跃东.基于物联网的有机蔬菜大棚监测系统[J].南阳理工学院学报,2012(11):40-43.

[2] Sarma S，Brock D，Ashton K．The networked physical world[J].White paper MIT，MIT Auto-ID Center，2001(2):25-27.

[3] 韩华锋，杜克明，孙忠富，等．基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统的设计与应用[J]．农业工程学报，2009，25(7):158-163．

[4] 张烈平，杨帆．基于zigbee的温室监测系统设计[J]．中国农机化，2013,34(2):113-116.

[5] 杨信廷,钱建平,孙传恒,等.蔬菜安全生产管理及质量追溯系统设计与实现[J].农业工程学报,2008,24(3):162-166.

[6] 邓勋飞,吕晓男,郑素英,等.基于GIS 的农产品安全溯源体系[J].农业工程学报,2008,24(2):172-176.

[7] 卢磊,张峰.基于物联网的蔬菜可追溯系统的设计与实现[J].电子设计工程,2011,19(7):19-22.

[8] 张丹, 王建华,吴玉华.物联网技术在农业温室大棚中的应用研究[J].安徽农业科学,2013,41(7):3218-3219,3246.

[9] 赵丽，邢斌，李文勇，等．基于手机二维码识别的 农产品质量安全追溯系统[J].农业机械学报，2012,43(7):124-129．

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[13] 杨信廷,钱建平,孙传恒,等.蔬菜安全生产管理及 质量追溯系统设计与实现[J].农业工程学报,2008,24(3):162-166.

Design of the Plant Factory Supervision System Based on Internet of Things

Sun Yang, Bai Haoran, Chu Liuzhu, Wang Fangyan, Li Xiu

(College of Engineering, QingDao Agricultural University, QingDao 266109, China)

By using modern Internet of Things technology, a plant factory supervision system is designed. The system includes two parts: agricultural product growth environment monitoring system and agricultural product traceability system. The zigbee wireless sensor network is installed in the greenhouses, and the lower computer can accurately perceive the environmental factors in the greenhouses. The collected data will be transmitted to the host computer website through the distributed middleware using the web service technology through the zigbee-wifi gateway. By logging into the computer environment monitoring system for agricultural products to view real-time environmental information, the user can remotely operate the greenhouse drip irrigation, temperature control and fill light and other facilities. In the process of planting agricultural products in the greenhouse, the user can use the computer to log on the agricultural product traceability system, and input the planting date, name, picking time, logistics information and sales path of the agricultural product according to the retrospective number.After the two-dimensional code containing the agricultural product information is attached to the box, the two-dimensional code label is scanned by the mobile phone, and the consumer can inquire the detailed information of the agricultural product from planting to selling.

plant factory; internet of things; traceability; remote operation; Web Service

2016-12-05

青岛市民生科技计划项目(14-2-3-54);山东省自然基金项目(ZR2013CL021);国家重点研发计划项目(2016YFD0 701204-2)

孙 阳(1991-),男，山东淄博人，硕士研究生，(E-mail) sunyang08_14@126.com。

白皓然(1968-)，男，山东青岛人，副教授，硕士生导师，(E-mail)baihaoran111@126.com。

S24

A

1003-188X(2018)02-0197-05