基于大数据及物联网的家庭菜园智慧管家系统

高 路 罗 恒 傅启明 马媛媛 季王强 李文心

基于大数据及物联网的家庭菜园智慧管家系统

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食品安全隐患的增加和室内环境的污染使得家庭菜园进入了快速发展阶段。但是，当前的家庭菜园存在品种单一、智慧程度低等问题。本文提出了一种家庭菜园智慧系统，综合大数据理论以及物联网技术，通过传感器网络获取植物生长环境，通过大数据分析，实现了植物的智慧管理。结果表明，本系统能够实现家庭菜园的无人化智能管理，且系统成本较低，具有较好的应用前景。

相关调查结果表明，人类在室内滞留时间超过90％，因此室内环境质量对人员的身体健康和工作效率等都会产生巨大影响。同时，一系列流行病学研究已经证明恶劣的室内空气状况和疾病之间的密切关系-。但是，《美国空气质量标准》报告指出，当前的室内空气存在500多种挥发性有机物，致癌物高达20种，致病病毒200多种。据相关报告指出，绿色植蔬能吸收和过滤空气中有害物质，增强人体免疫能力，是家庭天然的空气净化器，也是对人心理和情绪的良性刺激。

家庭菜园是指在家庭室内进行的蔬菜种植，这种方式能够有效改善室内空气环境，且具有良好的实用性和便利性，因此一经推出就收到广泛关注，如日本企业推出的Plants Care Mon植物管家，国内企业推出的植物管家Niwa。

虽然国内外在家庭菜园的研究与应用方面取得了一定成果，但是目前推出的系统仍存在一定的优化空间，如目前系统对植物生长环境的测量参数有限，且缺乏充分的数据分析，同时，控制系统的自适应性也不足。基于上述问题，本文提出了一种基于大数据及物联网的家庭菜园智慧管家系统，通过深度整合植物生长环境数据采集、处理、反馈控制以及远程访问与控制等4个主要部分，实现系统对家庭菜园的智能化管理。

系统总体介绍

图1所示为家庭菜园智慧管家的整体结构，如图所示，系统主要由环境参量采集系统、无线通信系统和大数据处理系统以及控制系统组成，其中，环境参量采集系统主要负责植物生长环境参量的获取，无线通信系统实现参量的无线传输，大数据系统主要负责数据处理，获取植物最佳生长条件，控制系统主要实现植物生长环境的反馈控制，使其在最优化环境中生长。

硬件系统

图2所示为植物生长环境的多参数采集及反馈控制系统。系统主要以ESP8266为主控芯片，负责数据的采集时序控制、信号传输及反馈控制，通过I2C协议与DHT11温湿度传感器和BH1750FVI光强度传感器通信。传感器电路由DHT11温湿度传感器、BH1750FVI光强传感器组成，反馈控制主要由灌溉控制和补光控制子系统组成。用户通过远程APP或WEB页面访问的形式进行植物生长环境各参数的获取，也可对系统进行人为反馈控制。

图1　系统总体结构图

软件系统

图3所示为服务器处理流程。服务端使用Python编写，其中网络处理部分使用gevent框架，从而支持高并发处理。

ESP8266与服务器建立连接后，需通过身份验证系统。合法用户认证完成后，可读取该设备所属的用户，并载入相关配置，进入数据处理阶段。服务端解析采集到的数据，对于正确的数据格式，根据用户的相关配置，返回命令，接收到客户端执行成功的响应后记录相关的数据及操作。

软件系统可以主要负责设备控制命令的发送以及改变服务端的返回规则。对于控制硬件的命令，当用户点击相应按钮，实际上建立了一个与该服务端的一个TCP连接。发送到服务端的是认证信息、目标设备、命令。其中，目标设备为用户所绑定的设备。服务端对数据检查通过后使用转发模块将命令转发到相应设备。

图2　硬件系统

图3　软件流程图

图4　Web显示图

图5　手机APP管理系统

Web显示与控制系统

Web显示与控制系统如图4所示，界面由六个页面组成，包括主页面、硬件控制页面、数据查询页面、操作日志查询页面、图像监控页面和设置页面。其中，“主页面”显示用户设备运行状态，“硬件控制页面”为用户人工控制提供接口，可通过操作完成滴灌和补光，“数据查询页面”向用户提供历史数据查询服务，查询内容包括温湿度变化曲线、光照强度曲线，“操作日志查询页面”为用户提供系统操作日志，用户在此可以查询到系统自动进行的滴灌以及补光操作记录，也可以获取手动控制的相关记录，“图像监控页面”可以实时显示当前植物的生长状态，“设置页面”包含用户必须向系统提供的必要信息，如植物的品种，种植时间以及种植地点。

手机APP控制子系统

移动网络的发展使得手机APP的应用无论从广度还是深度均得到了长足发展，考虑到用户远程控制的需要，本系统设计了如图5所示的家庭菜园智慧管家系统手机APP显示及控制子系统，其功能基本与Web显示与控制系统类似。

数据分析

生长环境控制分析

图6　植物生长参数图

图7 效果对比图

图6所示为植物生长环境温湿度变化曲线，由图可见，家庭菜园智慧关键系统为植物的生长提高了较为恒定的温度和湿度，降低了外界的温湿度等环境的剧烈变化对植物生长的影响。

植物生长状态分析

图7所示为未使用和使用了家庭菜园智慧管家系统的对比图，图7（a）、（b）为现场生长情况对比图，由图可见，使用了本系统后，植物生长情况明显优于自然状态下植物生长情况。对植物观察一个月后的统计结果表明，使用了本系统后，植物的成活率提高了24％。

小结

随着经济、社会的发展，家庭菜园已经开始被家庭所接受，各种系统不断涌现。基于大数据及物联网家庭菜园智慧管家系统，有效整合了植物生长环境数据采集、处理、反馈控制以及远程访问与控制等4个主要部分，为城市用户的家庭菜园提供了一套经济可靠、高度智能化以及便捷的智能管理系统，实现了现实与虚拟的有机结合。家庭菜园智慧管家为市民提供蔬菜的同时，也可以有效改善家庭室内环境，同时，也为城市孩子提供了一个亲近自然、了解自然的机会。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.029