基于WebGIS和物聯網的農業大棚監控系統

陳建美　湯軍

摘要：該文在介紹物聯網系統體系架構的基礎上，分析了農業大棚監控系統的平臺功能，包括物聯網前端和管理端兩個子系統，運用WebGIS對空間信息的強大處理能力與可視化表達功能和物聯網物物相連的特性[1]，以“Google地圖”為WebGIS平臺交互服務性界面，結合物聯網技術采集的農業大棚傳感器數據，構建基于WebGIS和物聯網的農業大棚監控系統，實現基于地理位置的實時監控，以便身處異地的農戶或科研人員隨時隨地掌握農作物生長狀況。

關鍵詞：物聯網；WebGIS；Openlayers

中圖分類號：S126 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）36-0233-04

Abstract： On the basis of introducing the system architecture of IOT， this paper analyzes the platform functions of agricultural greenhouse monitoring system， including two subsystems of front end and management end of IoT. The application of WebGIS has powerful ability of processing spatial information and visualization function and the properties of the Internet of Things ，Based on WebGIS platform interactive service interface of "Google Maps" and agricultural shelter sensor data collected by Internet of Things technology， an agricultural greenhouse monitoring system Based on WebGIS and Internet of Things is established to realize Real-time monitoring Based on geographic location ， so that remote farmers or researchers grasp the status of crop growth at any time.

Key words： IOT； WebGIS； Openlayers

我國是一個農業大國，農業是國民經濟的命脈。隨著信息技術的發展，我國逐步由傳統農業向現代農業轉型。對于現代農業的發展，增加農業產量、提高農產品的品質，不僅要依靠優良的農產品種資源，還需要精確的農作物生長環境控制技術。[2-4]物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，在設施農業中廣泛應用，對國民經濟和社會的發展具有重要意義。農業物聯網是指通過各種傳感器、射頻識別（RFID）、視覺采集終端和識別設備，廣泛采集農業系統中動植物生命體、環境要素、生產工具等物理部件和各種虛擬”物件”的相關信息，應用網絡通信技術，按照約定協議進行信息交換和通訊，把農業系統中的環境監測設備、控制設備與互聯網相連接，以實現目標的智能化識別、定位、監控和管理的一種網絡技術[5]。

1 系統體系架構

物聯網系統作為一個整體，分為感知互動層、網絡傳輸層、應用服務層。

感知互動層：用于識別物體，采集信息，相當于人的皮膚和五官，是物聯網賴以發展的重要基礎。主要包括視頻采集設備、環境參數檢測設備等[6]。視頻采集設備實現前端視頻流的采集和編碼，主要功能是視頻信息的采集、壓縮及通過網絡傳輸。環境參數監測設備包括空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤酸堿度、光照等傳感器以及相關配套設備。

網絡傳輸層：將從感知層獲取的信息進行傳遞和處理，相當于人體神經中樞和大腦。主要指視頻流、傳感器采集數據、控制信息流傳輸通道，傳輸網絡包括傳感網、運營商網絡、運營商數據專線、VPN專網、3G網絡及前端設備接入網絡[7]。

應用服務層：應用層的作用是將感知層捕獲的，通過網絡層傳遞過來的信息得到更好的應用。該系統包括物聯網前端和管理端兩個子系統。

2 物聯網系統平臺功能

2.1 物聯網前端系統功能

前端系統為B＼S架構，由數據獲取層、邏輯應用層和交互表現層構成，實現大棚信息的獲取、控制命令的下達，并提供快捷友好的用戶交互邏輯，具有實時環境信息預覽、數據位置地圖顯示、歷史統計分析、設備遠程控制、視頻監控等功能，使身處異地的科研和管理人員可以方便地獲取溫室環境信息，提供監控手段，增強其能動性與干預能力[8]。

2.1.1 地圖模式

1） 數據位置地圖顯示

主要包括場地和設備（傳感器控制器等設備）位置的地圖定位和顯示（如圖1），系統用戶可以進行相關的地圖瀏覽操作（包括地圖放大、縮小、平移）以查看場地和設備的位置信息，設備運行狀態和分布情況等。其中設備點即可以顯示，也可以隱藏。

2） 實時監測數據顯示

實時監測數據的顯示包括基于地圖位置的動態顯示和靜態顯示，基于地圖位置的動態顯示是指系統用戶通過鼠標移入某個場地就可以彈出該場地實時獲取的傳感器監測數據的窗口；靜態顯示是右側環境信息欄中只顯示當前場地的實時傳感器監測數據以及該場地的控制設備狀態，例如風機、遮陽卷簾的開與關。

3） 統計分析

利用echarts生成統計報表，包括當前各品種生長模型統計、全年各品種總產量統計、全年各品種總種植面積統計、每月各品種總產量統計、每月各品種總種植面積統計、上月各品種產量統計、上月各品種種植面積統計、近3年各品種產量統計比較、近3年各品種種植面積比較。endprint

2.1.2 監控模式

監控模式由5部分構成，即監控視頻、生長模型、環境信息、設備信息、分析圖表，可通過顯示選項設置各個模塊的顯示與隱藏。

1） 監控視頻

從左側菜單欄選擇具體的場地位置進入監控模式，可顯示該場地的監控視頻。圖中顯示“全部播放”、“全部暫?！卑粹o，可控制該場地的多個攝像頭的視頻。視頻右上角顯示攝像頭的名稱及場地，控制按鈕可調整攝像頭的方向，可上下左右移動，有利于農戶更好的觀察作物的生長狀況。

2） 生長模型

生長模型包括三個方面，即天氣狀況、管理員信息、以及控制模型?？刂颇Ｐ褪侵割A先設定作物的生長階段，并在不同階段設置相應的事件，即適合生長條件的上下限值，設定值可根據農作物種類、生長周期和季節變化進行修改，例如小麥在播種期的適宜溫度是16°C～18°C，在管理端設置小麥播種期為10月2日-10月10日，當傳感器溫度超過18°C時，若設置模式為自動控制則自動打開風機，若設置模式手動控制，則需手動控制打開風機。

3） 環境信息

將傳感設備實時采集溫室（大棚）內的空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤水分、土壤溫濕度、棚外溫度與風速等數據進行顯示，包括設備狀態、設備名稱、場地名稱和閾值，點擊圖標下的統計曲線，可查詢過去半小時內的數據變化情況。

4） 設備信息

將該場地的所有設備如風機、水泵、內外遮陽卷簾、頂卷膜窗等控制器的狀態進行顯示，包括設備狀態、設備名稱、場地名稱和基站名稱，并可查詢每個設備的操作日志，包括操作者、操作時間、操作內容等。用戶可手動控制設備的狀態，并通過socket服務實現物聯網前端與管理端設備狀態的實時同步，確?？刂浦噶畹恼_性與安全性。

5） 分析圖表

將該場地的傳感器讀數，如空氣溫濕度、光照強度等，控制器的狀態，如風機的開關的歷史數據進行對比分析，可查看操作控制設備與大棚環境變化的關系。

2.1.3 警告信息

管理端通過modbas-tcp協議連接云基站，每隔10秒向其發送一條讀取傳感器讀數的指令，云基站通過modbas-rtu協議連接設備，并將獲取到的傳感器讀數進行數據轉換，通過socket服務推送至管理端，當發現傳感器讀數異常時，即超出設定的閾值時，管理端通過socket服務將警告信息推送至前端。

2.2 物聯網管理端系統功能

2.2.1 系統管理

1） 角色管理

是指為某個特定角色分配權限，權限包括模塊權限和場地權限。其中模塊權限包括語音命令定義查看、語音命令定義編輯、用戶編輯等權限；場地權限包括場地監控控制、場地監控查看、場地設備查看、接收場地設備通知，可選擇某個場地，接收該場地設備的通知。并可對角色進行修改、新增、查詢、刪除等。

2） 用戶管理

對系統用戶進行管理，包括增、刪、改、查用戶、修改密碼以及用戶的啟用與禁用，并可根據業務流程設置用戶的各種權限。

3） 日志管理

對日志進行管理，可根據過濾條件如操作類型進行日志查詢，包括操作時間、操作者類型、操作用戶、日志對象類型、日志對象、對象名稱、內容等。

4） 場地管理

包括場地的新增與刪除，具體包括名稱、面積、中心坐標、視圖層次、視圖級別、頂點坐標、管理員、覆蓋樣式設置，用戶通過封裝的openlayers繪圖組件繪制場地的同時可獲取場地頂點坐標組、場地面積，并可對多邊形及其樣式如邊框顏色、填充色進行編輯。

5） 通知管理

對系統的通知進行管理，包括新增、查看、修改、刪除、發布、撤銷發布通知，并可通過狀態、通知類型等過濾條件對通知進行查詢。

6） 設備管理

2.2.2 設備管理

設備管理包括設備地圖位置的顯示以及設備列表兩個模塊，對各個場地或云基站上的設備進行管理，可查看設備編號、型號、場地、場地位置、坐標等設備信息，也可以新增、查詢設備、啟用禁用設備，并可對設備信息進行修改。

2.2.3 傳感器組管理

對各個場地的傳感器組進行管理，可設置傳感器組的名稱、計算公式、場地、坐標、傳感器類型、閾值，為保證傳感器數據的準確性，可選擇多個傳感器作為一組，取其讀數的平均值。

2.4 業務模型管理

2.4.1 事件管理

對各個場地事件進行管理，第一步設置事件參數即事件參數新增與修改，包括參數類別、名稱、數據類型、默認參數、參數范圍、單位等內容；第二步設置事件判斷條件，如變量類型設置為傳感器組-[B1大棚]空氣溫度大于等于30°C；第三步設置事件操作，新增一個溫度控制，操作類別為控制器操作-[B1大棚]-1#風機，操作參數為開，描述為當B1大棚溫度傳感器組讀數大于30°C時，1號風機自動打開。

2.4.2 自動控制模型管理

對自動控制模型進行管理，控制模型包括場地、場地類型、階段格式、名稱、開始時間、品種、控制模式、種植面積、狀態、坐標等內容，模型階段列表如第一階段為小麥播種期，階段事件列表為在事件管理中設置的溫度控制事件，當傳感器溫度超過小麥生長的適宜溫度時將會自動打開風機。

2.5 系統實現的關鍵技術

2.5.1 設備狀態的實時同步

由于前端和管理端都可以進行設備狀態的切換，因此保證兩個子系統中設備狀態的實時同步才能確保操作的正確性。實現兩個子系統中設備狀態同步的主要方法有：Web客戶端不斷向服務器發起請求，查詢是否有設備狀態改變，即輪詢法[9]。ajax輪詢的方式實現比較簡單，但是比較浪費服務器的資源，服務器大多時間處理的是無用的請求。socket.io是一個開源的webSocket庫，實現了瀏覽器與服務器的全雙工通信，可以很好地節省服務器資源。它用過Node.js實現websocket服務端，同時也提供客戶端JS庫。Socket.IO支持以事件為基礎的實時雙向通訊，它可以工作在任何平臺、瀏覽器或移動設備。Socket.IO支持4種協議：WebSocket、htmlfile、xhr-polling、jsonp-polling，它會自動根據瀏覽器選擇適合的通訊方式。endprint

2.5.2 視頻的實時監控

1） 視頻監視

采用?？低暤臄z像頭，支持rtsp實時流傳輸協議，RTSP協議是TCP/IP協議體系中的一個應用層協議，定義了一對多應用程序如何有效地通過IP網絡傳送多媒體數據，它主要實現的功能是傳輸并控制具有實時特性的媒體流。在該系統中，我們需要把視頻的RTSP協議轉碼成HTTP HLS直播協議，這樣可以支持在不同的終端（pc，iphone，ipad等等）播放。FFmpeg提供了一套完整的錄制、轉換以及流化音視頻的跨平臺解決方案。

然后啟動nginx服務把索引文件play100.m3u8發布，這樣就可以通過http：//localhost/hls/play100.m3u8來訪問視頻播放文件， 把這個鏈接配置在監控系統后臺管理，即可在前臺的播放器中播放視頻。

2） 視頻控制

?？低晹z像頭支持Onvif協議，Onvif協議主要定義了網絡發送設備和網絡視頻客戶端之間的標準通信接口。根據客戶端Onvif協議請求命令，調整鏡頭焦距拉近拉遠，或者調整攝像頭的旋轉方向從而改變鏡頭的視角。

2.5.3 openlayers地圖渲染

1） openlayers加載在線的瓦片地圖

瓦片地圖金字塔模型是一種多分辨率層次模型，從瓦片金字塔的底層到頂層，分辨率越來越低，但表示的地理范圍不變。OpenLayers 提供了ol.source.XYZ這種通用的Source來適應廣大的在線瓦片地圖數據源，當我們使用XYZ方法來加載瓦片地圖時，首先要查看該地圖的瓦片坐標系是否與openlayers默認的瓦片坐標系一致，OpenLayers 的瓦片坐標系的原點在左上角，向上為y軸正方向，向右為x軸正方向。

2） 場地交互

為了使場地要素具有交互功能，實現鼠標移入移出事件，由于ol.Feature繼承于ol.Object，而ol.Object具有派發事件（dispatchEvent）和監聽事件（on）的功能。為完成自定義事件有三個步驟：1.定義事件類型；2.派發事件；3.監聽事件。

3 結束語

該系統基于node.js開發，采用express框架部署，采用mysql數據庫和在線Google地圖服務，基于開源的地圖渲染庫openlayers開發Web GIS基礎平臺，實現對農業基地、地塊、設備點等的接入和管理；并結合可視化類庫echarts對實時環境數據和歷史數據進行統計分析，完成基地環境數據展示、地理空間分析與可視化服務等服務功能；利用攝像頭對大棚進行實時監控，對視頻流進行轉碼以便在移動端播放，方便農戶隨時隨地查看作物生長狀況。

參考文獻：

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