基于阿里云的智能大棚远程监控系统研究

李琳杰，赵伟博，齐锴亮，李宇晗，杨 杰

（1.陕西工业职业技术学院 航空工程学院，咸阳712000；2.陕西工业职业技术学院 电气工程学院，咸阳712000）

物联网的发展极大地促进了智慧农业的发展，国外的大型农场大多已实现数字化，通过物联网技术采集农场的参数，并通过数据分析实现智能化控制[1-3]；美日等国家已基本实现农产品种植智能化、自动化生产，设计出与之相配套温室大棚智能控制系统。然而，国内已有的大棚智能监控系统大都存在稳定性差，无法实时调控环境因素，远程控制不稳定等问题[4-6]。

随着国内5G 通讯、智能控制、机器学习等技术的迅速发展，云端大数据分析将广泛应用于温室大棚。文献[7]采用PLC 对大棚的温度、湿度和光强等外部环境信息进行实时采集，实现了温室大棚自动化控制；文献[8]采用物联网技术，结合GPRS 无线通信实现大棚的智能远程控制；文献[9]设计了基于STM32 单片机的温室大棚智能监控系统； 文献[10]采用ZigBee 技术，结合Android 移动客户端系统实现温室大棚的远程监控。针对现有温室大棚所存在问题，在此设计了基于阿里云的智能温室大棚监控系统。该系统将传感器采集的环境数据，通过GPRS网络和工业路由器发送给阿里云平台，实现温室大棚的远程监控。

1 系统总体架构

1.1 温室大棚组成

本文作者及项目组成员为安康市流水镇香山村援建的温室大棚，如图1 所示。该温室大棚占地面积200 m2，其控制执行机构由喷淋、风机、卷膜等部分组成。当大棚内CO2浓度、温度超过参数设置值时，风机和卷膜电机启动进行换气降温；当大棚内湿度降低时， 喷淋系统工作对农作物进行浇灌，增加大棚内的湿度； 当光照强度大于参数设定值时，卷膜机工作调整遮阳网的覆盖面积进行光照强度的调节。

图1 菌菇种植大棚外观照片Fig.1 Appearance photo of mushroom cultivation greenhouses

1.2 系统设计方案

智能温室大棚监控系统架构如图2 所示。该项目采用树莓派开发板作为总控系统，处理传感器检测数据和视频数据， 并通过GPRS 网络和4G 路由器传输至云端进行实时检测。与此同时，通过阿里云服务器将大棚内的监控数据发送给现场液晶监控面板。总控系统对检测数据进行分析处理后反馈给现场电气控制系统， 进而控制温室大棚风机、喷淋和卷膜系统。

图2 系统架构Fig.2 System architecture

由于该大棚长为20 m，宽为10 m，空间较大。因此，大棚内传感器的布置按照前中后三段阵列式分布，由此对棚内温度、湿度、CO2浓度等环境数据进行实时监测。

2 电气控制系统

主控系统读取传感器检测的环境数据，通过与农作物生长所需的环境数据对比处理来进行大棚的远程监控。主控系统通过阿里云服务器进行数据分析和图形化处理，并通过主控系统的继电器输出实现大棚内的I/O 控制。整个电气控制电路可实现手动控制和自动控制2 种模式。

大棚部分电气控制电路如图3 所示。图中，旋钮开关SB3 可切换自动和手动模式，KA1 为接主控系统继电器输出，实现系统的远程智能控制。同样，卷膜电机驱动器也是通过主控系统的继电器输出实现远程控制。图中，L1 和L2 为风机运行指示灯；L3 和L4 为喷淋系统运行指示灯。

图3 大棚部分电气控制电路Fig.3 Electric control circuit of greenhouse

3 远程监控系统

3.1 软件设计

大棚通过GPRS 网络和路由器将传感器检测数据和网络监控数据传输至阿里云。大棚智能远程控制系统如图4 所示。整个系统由监控系统、电气控制系统、树莓派主控系统、卷膜系统、通信网络等部分组成。所有传感器数据传输给树莓派主控系统，通过与设置的农作物参数进行比对，反馈输出信号给外部继电器模组，控制外部执行机构的动作。

图4 智能远程控制系统Fig.4 Intelligent remote control system

图5 软件工作流程Fig.5 Software work flow chart

软件工作流程如图5 所示。在此，以温度传感器DHT22 数据远程监控为例，对系统软件工作流程进行说明。当配电柜旋钮切换至自动模式时，远程控制系统启动， 主控系统读取温度传感器检测数据。若大棚温度在设置的区间内，等待5 s 后进行下一次读取； 若不在区间内且温度低于参数的下限值，将打开卷膜让阳光透入进行升温处理；当温度高于参数的上限值时， 将开启风机进行散热处理，若温度恢复到正常区间内时，关闭风机，停止散热。在此需要注意的是， 由于大棚自然环境因素复杂，传感器检测数据存在误差，因此，在检测到温度数据恢复到正常区间时，风机需要延时关闭，延时时间的设定需要根据不同农作物的种植参数进行实验测定。

3.2 云端监控系统

大棚现场远程监控数据通过GPRS 网络传输至云端进行实时显示，视频数据可通过手机App 直接查看，也可通过IP 地址访问云端数据。现场监控画面如图6 所示。

图6 现场监控画面Fig.6 Scene monitoring screen

树莓派主控系统将现场前中后三段传感器阵列检测的数据传输至云端实时显示，云端界面如图7 所示。用户可通过IP 地址进行远程登陆，实时监测现场数据。

图7 云端数据显示界面Fig.7 Cloud data display interface

4 系统的运行情况

目前，所设计的系统已在援建的菌菇种植大棚得到实时运行。利用该系统，通过远程监控数据可实时掌握农作物的生长情况，同时，1 位农技员可以同时控制多个大棚的种植， 相对于普通温室可以节约大量的人力投入，为该地区的精准扶贫提供了参考范例。

在系统运行期间， 环境因素尚存在以下问题：①由于大棚内种植菌菇，大棚内高温高湿的环境对电子器件存在影响，需要定期对其进行维护；②由于大棚建在山区， 尽管使用了路由器增益天线，但偶尔会出现断电和信号弱等非技术性问题；③该系统的远程控制界面尚有待进一步开发，在实现监控的同时，可以根据农作物的生长情况实时改变参数。

尽管如此，该系统的实施运行仍为项目团队后续开发基于5G 通讯的智能大棚远程监控系统，提供了大量的试验数据和技术积累。

5 结语

为了解决传统温室大棚种植需要对专业农技人员进行技能培训，人力成本高等问题，在此设计并实现了基于阿里云的智能大棚远程监控系统，详细分析了系统的组成和工作模式，给出了大棚主控系统架构以及大棚现场智能控制电气系统，并结合手动和自动2 种控制模式给出了远程监控系统软件设计，分析了远程监控系统的工作过程。实际运行结果表明， 智能大棚远程控制系统运行稳定，能准确显示现场实时数据。该系统对于普通大棚的升级改造具有很好的借鉴意义。