温室作物生长参数云平台设计李浩坤

河北工业大学
毕业设计说明书
作者：李浩坤学号： 163977 学院：电子信息工程学院
系(专业)：通信工程
题目：温室作物生长参数云平台设计
指导者：宋涛高级实验师
评阅者：卢嘉讲师
2020 年 5 月 22 日
目录
1 绪论 (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.2 国内外发展现状 (4)
1.3 论文主要研究内容............................................ - 8 -
2 生长参数云平台分析 (7)
2.1 可行性分析 (7)
2.2 需求分析 (7)
2.3 设计思路 (7)
2.4 本章小结 (8)
3 总体设计方案 (9)
3.1 温室作物生长参数云平台产品结构.................. 错误!未定义书签。

3.2 温室作物生长参数云平台创建 (13)
3.3 云端数据接收激活 (14)
3.4 本章小结 (14)
4 基于阿里云的搭建与配置 (15)
4.1 温室作物生长参数云平台配置 (15)
4.2 温室作物数据的上报 (15)
4.3 基于IoT Studio的数据可视化 (19)
4.4 本章小结 (23)
5温室作物数据接收及可视化测试.........................................
5.2 农作物数据接收测试 (19)
5.2 温室作物数据可视化测试 (15)
5.3 本章小结 (23)
结论........................................................... - 36 -4 参考文献.. (25)
致谢 (27)
1 绪论
当今，现代化温室设备在世界范围内的快速发展，逐渐积累出大量表征作物生长状态和生长环境的数据作为温室平台的数据载体。

因此，合理、安全、高效地利用和处理作物的生长参数就变得至关重要。

而目前，国内使用的多数农田信息采集设备功能单一，且数据传输距离近，难以满足农田信息远距离传输和远程访问的需求[9]，传统温室监控系统存在成本较高、可靠性和移动性较差等问题[1]，因此利用云端平台来帮助实时监测作物的生长参数是非常必要的。

近年来，随着云时代的到来，国内出现了阿里云、百度云、腾讯云等越来越多提供云服务的平台，各个云平台公司允许开发者自行开发的程序在云里运行，并为开发者们提供多种多样的服务，其突出的智能监控运维为用户们提供了稳定可靠的数据监测能力和数据分析能力。

所以采用云平台对温室作物的生长参数进行远程监控和线上诊断，使我们对温室作物生长的过程管理不仅变得更加便捷，而且变得更加系统。

在各种云平台中，基于阿里云强大的数据分析能力，因此我选择了阿里云平台作为我进行数据上传与监控的服务器平台。

随着物联网和云计算技术基于云平台的远程监测系统被广泛的开发出来并且应用到我们的实际生活中，例如智能家居、智能工业、智慧建筑等各方各面。

农业是物联网技术应用的重点领域之一,也是物联网技术应用需求最迫切、难度最大、集成性特征最明显的领域[2]。

农作物生长参数以可观的数据给技术员提供了判断作物生长状态和评价棚室环境条件的重要依据,同时也是农学专家预测农作物产量、指导棚室管理的重要指标。

我此次所做的智能农业：温室作物生长参数云平台，就是给技术员提供了一个区别于传统入棚下田对环境参数进行监测的线上检测平台，使对棚室内的作物生长参数变化的获悉更为快速、方便、高效。

云平台物联网技术的发展也给农作物参数能够准确呈现给农学专家，提供了一个强大的技术支撑。

本课题是针对土壤温湿度、PH值、土壤可溶盐浓度等农作物参数指标设计一个云端平台，能够将参数无损透传到后端数据中心。

将云平台打造成农作物生长周期内
各种参数的图形化载体，用户通过网络界面，可查看当前作物的土壤温湿度、空气温湿度、土壤PH值和土壤中可溶盐浓度等影响作物生长的重要参数，并能针对单个参数形成图形化报表和历史数据汇总和历史对比。

1.1 研究背景及意义
1.1.1 物联网与云平台
近年来，物联网技术发展迅猛，在各行各业都已经有很多不错的应用，如今物联网已经由网络技术实验阶段迈向了大规模应用阶段，物联网平台能够帮助我们设置和管理互联网连接设备，我们可以在计算机背后远程收集数据，监控和管理所有连接互联网的设备。

物联网是工业化向信息化推进的加速器[10]。

物联网领域的应用逐步广泛深入也推动了云计算服务产业的发展，例如我国的腾讯云、百度云、阿里云，国外的Googl e等。

图1.1为物联网云平台在智慧农业、智慧城市等方面的定制服务。

图1.1 物联网云平台在多方面的定制应用
如今，云计算技术越发成熟，提供上云服务公司也越来越多，因此对于开发者来说，选择也越来越丰富。

现有云平台可以分为三种类型IaaS, PaaS和SaaS。

三种类型对应的概念为：
1、IaaS (Infrastructure as a Service)，基础架构即服务模式。

除了提供操作系统，没有安装任何软件，可以自行安装。

例如国外的亚马逊Am azon AWS EC,国内的阿里云服务器ECS。

2、PaaS (Platform as a Service), 平台即服务模式，
提供一个现成的运行环境，不能安装软件，并且提供在集成式云环境中开发、测试、运行和管理Saas 应用程序所需的基础架构和计算资源。

例如国内的SAE (Si na App Engine)
3、SaaS (Software as a Service)，软件即服务模式
提供一个现成的软件，使用户可以通过互联网访问软件内的应用程序。

例如国内的百度网盘等。

如表1.1所示，通过对比主流云平台公司，基于阿里云详尽的开发文档以及强大的数据处理能力，作为云平台相关内容的初学者的我选择了阿里云平台作为进行远程监控和实现数据分析的服务器。

阿里云是阿里巴巴集团旗下的一个云计算品牌，参考了Amzon 云架构的基础，并且坚持自主研发飞天云计算系统，并且技术发展的很快[8]。

2010年，阿里云对外开放，用户通过互联网的方式可以获取计算、存储以及大数据处理能力。

截止到现在，已成为国内最大的公共云计算服务提供商。

从终端智能硬件到服务器，再到控制软件，已经拥有一套比较独立的软硬件系统。

表1.1 国内外云平台公司比较
云平台技术特性提供服务对个人用户
阿里云高弹性可定制弹性计算、云通信友好
腾讯云对开发者提供多种
服务
腾讯系硬件软件的良好对
接/
友好
百度云高可用、可扩展的
云计算服务
良好的混合云服务较友好
上海云轴精简置备、专注于
无缝混合云
百度语音、人脸识别、文字
识别、物可视等
一般
Google 储存及运算水平扩
充能力
GoogleAppEngine，应用代
管服务
一般
1.1.2云平台应用于监测作物生长参数的意义
随着物联网产业的迅速崛起,其应用已经延伸到了人们生活中的各个方面,在现代的农业生产中同样出现了物联网的身影,特别是智能温室蔬菜大棚远程监控系统,极大地提高了农业的生产力[17]。

近几年，棚室作物死裸、黄枯、青枯、根腐、霜霉等已经成为顽固病害，其主要原因有：1.过量使用氮、磷肥引起的土壤板结2.过量肥料被氧化成算引起土壤酸化3.土壤盐渍化。

这些问题都和棚室内作物某些生长参数未在适当的范围内有关，比如可溶盐浓度、PH值等，因此对棚室作物生长参数的实时检测和科学高效的应对是尤为重要的。

而传统的方式是技术员去棚室内，利用简陋的仪器，或者更多是通过经验来衡量各种参数的量，无法满足需求日益精细的农业生产。

传统的方式难以解决当今问题，云端平台成为这一数据领域需求的不二之选。

云平台在监测农作物生长参数上的应用，可以说是在原先的设备基础之上进行迭代升级，把原先的“现场诊断”变成“线上诊断”，把原先的单机版变成网络版，把原有的传感器变成在线监测传感器，原先的一个数据端变成现在的云端处理，方便多种终端访问、专家远程诊断以及日后系统二次开发。

图1.2 圣启科技农业物联网系统
农业全球化趋势愈演愈烈，中国的农业发展与世界农业发展联系越来越紧密，不
能单单用我国的标准来衡量农作物的质量，还要参考国外的农作物质量衡量标准才能在国际贸易中占据更强的竞争力。

根据发达国家的经验，农产品生产过程的精细控制日益成为提高农产品市场竞争力的重要条件，而作物生长过程的精细控制如果不依托云平台来实现，需要耗费大量的人力和物力。

通过云平台的运用，技术员可以对棚室的光照、温度、含水量等多项数据进行线上实时监测，掌握农作物生长情况，然后对搜集到的数据进行科学分析、研究，进而实现对农作物全程实施现代化监测和质量全程可追溯，极大降低了管理成本，提高了管理的科学性、精准性[3]。

1.1.3MQTT协议
在此次订阅发布消息所需要的通信协议中，我选择了MQTT.fx协议，所以我了解了MQTT.fx协议的概念和报文格式。

MQTT是一个基于TCP的发布订阅协议，是一种轻量级的发布/订阅信息传输协议。

MQTT在时间和空间上，将消息发送者与接受者分离，可以在不可靠的网络环境中进行扩展。

适用于设备硬件存储空间有限或网络带宽有限的场景。

因此对于物联网平台设备使用MQTT协议是非常合适的。

本协议运行在TCP/IP，或其它提供了有序、可靠、双向连接的网络连接上。

它有以下特点：1. 使用发布/订阅消息模式，提供了一对多的消息分发和应用之间的解耦。

2. 消息传输不需要知道负载内容。

3.提供三种等级的服务质量：①. “至多一次”，尽所能提供的最大努力分发消息，消息丢失的可能性比较大。

②“至少一次”，保证消息可以到达，但是可能会重复发送信息。

③“仅一次”，保证消息只到达一次。

例如，这个等级可用在一个计费系统中，这里如果消息重复或丢失会导致不正确的收费。

4.很小的传输消耗和协议数据交换，最大限度减少网络流量。

5. 异常连接断开发生时，能通知到相关各方[4]。

表1.2 MQTT协议报文
报文描述流向值固定报头可变报头负载CONNECT客户端请求与服务端建立连接C->S1有有有CONNACK服务端确立连接建立S->C2有有有PUBLISH发布消息C<->S3有有有PUBACK收到发布消息确认C<->S4有有无PUBREC发布消息收到C<->S5有有无PIBREL发布消息释放到C<->S6有有无PUBCOMP发布消息完成C<->S7有有无SUBSCRIBE订阅请求C->S8有有有SUBACK订阅确认S->C9有有有UNSUBSCRIBE取消订阅C->S10有有有
UNSUBACK取消订阅确认S->C11有有无PING客户端发送PING命令C->S12有无无PINGRSP PING命令回复S->C13有无无DISCONNECT断开连接C->S14有无无
阿里云物联网平台MQTT与标准MQTT协议还有一些区别，它支持MQTT的PUB、SUB、PING、PONG、CONNECT、DISCONNECT和UNSUB等报文，不支持SUB QoS，消息QoS以发送方（PUB）指定为准，并且基于原生的MQTT Topic 上支持RRPC同步模式，服务器可以同步调用设备并获取设备回执结果。

1.2 国内外发展现状
1.2.1 物联网与云平台
大部分发达国家把物联网产业链分成了传感器设备、传输网络层和应用服务三个部分。

传感设备一般包括模拟、数字、AD混合等多种类型，例如空气温湿度传感器、CO含量传感器等等，在实际应用时会根据相应的目标来选取，传感技术广泛应用在工业制造，农业耕作，建筑施工等多个方面。

以信息技术为支撑的精准农业20世纪90年代初在美国开始出现[12]。

在传输网络方面，英美等发达国家投入了相当多的研发资金，目前也已经在无线传感器网络方面获得多项成果，且已得到实际的示范应用。

日本还运用卫星遥感技术, 准确掌握农作物的生长状况、土壤特性、渔业情况等信息, 指导农户进行科学施肥、使用农药、栽培管理和收储等。

韩国也比较重视农业信息化体系建设, 通过建立一系列信息管理系统来实现信息技术在农业科研中的应用目标, 比如设立作物基因资源、作物育种和动物改良等信息管理系统, 用于收集、存储和管理新物种、海外种质资源信息, 这些数据通过信息网向大学和研究所提供, 研究人员通过网络共享物种资源信息[14]。

国外物联网通信技术在工业农业领域已得到了广泛的应用：远程监控系统与互联网配合使用，加上GPRS定位技术，使得远程的维护和调试变得更加高效[2]。

我国农业正经历从传统农业向现代农业的转变，近年来大力提倡发展物联网产业，物联网产业发展政策环境也日趋完善[11]。

习近平总书记曾多次指出，要让物联网更好的造福百姓、走进生活、促进生产。

在全国物联网大会上，有关专家提出了物联网产业是未来数十年应大力发展的朝阳产业，其市场和规模前景广阔，我国物联网技术是新一轮产业革命的推动力量和重要方向。

物联网技术越来越成熟，物联网产品正在不断应用于现代化生产和生活中的各个环节，促进市场规模不断扩大；不止兴起
了很多新兴产业，也加快释放了固有产业的潜力；物联网与生产生活的关系越发紧密，将会带来生产方式和生活方式的多方面变革。

在物联网中，设备与云平台对接的是非常关键的一环，我们国内也存在一些性能不错的设备云开放平台，其中有腾讯云、阿里云等，这些设备云平台虽然在功能还不是特别完善，但是始终在不断的升级改善中。

在实际设计中我们采用云平台来作为终端数据的转发、存储。

国内在物联网智能工业方面和国外相比还是有着一定的差距，但近几年来一些实施方案也已在一些商业案例上获得成功，特别是在硬件与云平台的结合，极大推动了我国智能工业、智能农业的发展。

1.2.2农业云平台
作为农业信息化建设的基础性项目，农业云平台受到了各国政府的高度重视，美国农业信息化水平居于世界前列。

美国在这方面起步较早，1970年美国国家农业图书馆与农业部联合共同建立了权威的农业文献联机检索数据系统通过该数据库系统，美国境内所有涉农单位都实现了数据的无障碍查询与使用[3]。

通过共享数据库内的资源信息，农民足不出户便可具体了解当地气候、土壤、水源等情况，进而合理进行农田的播种、喷洒、耕作与收获。

随着硬件和网络技术的不断发展，农田信息采集系统方面进入了物联网和云计算的时代，从而实现了高效利用服务器运算资源进行远程监测农田状况。

日本还运用卫星遥感技术, 准确掌握农作物的生长状况、土壤特性、渔业情况等信息, 指导农户进行科学施肥、使用农药、栽培管理和收储等。

韩国也比较重视农业信息化体系建设, 通过建立一系列信息管理系统来实现信息技术在农业科研中的应用目标, 比如设立作物基因资源、作物育种和动物改良等信息管理系统, 用于收集、存储和管理新物种、海外种质资源信息, 这些数据通过信息网向大学和研究所提供, 研究人员通过网络共享物种资源信息[11]。

对于我国来说，农业一直都是我国重要的产业，也是我们生活的基础，但很多农业活动都是由人工来完成的，不仅需要浪费大量的时间，而且很多情况下因为失误造成巨大的农业损失。

这种情况一直到农业云平台的出现才得到了改变，让农业生产更加高效、精准，可以说农业云平台标志着农业进入新时代。

目前，浙江省智慧农业云平台是开发整合较好的农业云平台代表，浙江省借助新一代物联网、大数据、3S等信息化技术整合省市县各级涉农资源，以顶层设计方式建成“一个平台一个中心N
个应用”的结构。

在构建互联共享的“互联网+农业”信息服务体系基础上，最终实现科学指导农业生产经营管理、政府决策监管和社会公众服务[5]。

但是在全国范围内来说，农业云平台的优势还没真正实现“全面开花”，仍有大部分地区以传统的方式进行农业生产，所以说我国农业云平台的开发和推广还需要“更上一层楼”。

图1.3 浙江省智慧农业云平台
1.3 论文主要研究内容
论文主要研究将云平台技术应用于温室作物生长参数的监测中，在云平台的选取过程中，经过仔细地研究对比，本设计采用阿里云平台。

关于温室作物生长参数，本次设计主要对温室中土壤温湿度、空气温湿度、土壤PH值和土壤可溶盐浓度等几个生长参数指标进行监测。

为了实现远程监控功能，本设计采用了阿里云平台作为数据的接收、存储与转发。

MQTT协议打包上传到该平台，然后在阿里云建立相关的应用设备即可显示上传的作物生长环境数据，在IoT Studio实现Web可视化和对生长参数的分析。

各章节的内容如下：
第一章绪论，阐述设计的主要目的及意义，并对物联网云平台的发展、农业云平台的发展及应用现状进行分析讨论。

第二章通过对温室作物生长参数云平台进行可行性分析和需求分析并说明了温
室作物生长参数云平台的结构层次和基本框架。

第三章分别从云端数据接受处理和云端数据Web可视化的设计入手，给出了本次设计所使用的阿里云平台的基本使用方法和阿里云标准数据格式为Alink JSON格式。

第四章根据云平台的功能，利用VS Code、Node.js两个软件模拟采集温室作物生长参数，在阿里云端搭建云平台所需设备，利用IoT Studio平台进行数据可视化布局。

第五章在云端进行各种作物生长参数采集上报测试，最后实现生长参数的上报并正确显示，以及针对温室作物数据的可视化呈现。

2 生长参数云平台分析
2.1 可行性分析
经济可行性：温室作物生长参数云平台可以对温室各参数实时监督，还可以进行历史对比，针对各参数的变化可以进行线上查看，免去了传统技术员入棚室、下田间所耗费的时间和财力，而且一名技术员可以同时管理多个棚室也大大节约了人力成本。

温室作物生长参数监控端通过物联网云平台实现远程监控多个传感器网络[6]，并具有较低的功耗，能使对棚室投入的经济效益大大提升。

操作可行性：云平台可以快速高效的处理数据，同时保证数据的完整性准确性并且提供许多高级管理的功能，可以面向任意一个用户，网站页面功能清晰，直观易懂，能在技术员进行决策判断时提供很好的帮助。

同时本次设计的温室作物生长参数云平台农业生产中具有较强的操作性,为农业生产中的变量作业提供了决策依据[15]。

法律可行性：本次设计的温室作物生长参数云平台开发不会侵犯他人、集体或国家利益，不存在域名纠纷等问题，不违反国家法律,因此具有法律可行性。

2.2 需求分析
农作物收成得是否好，质量是否高，不只和农作物内在的基因有关，更主要的是和农作物的生长环境息息相关。

而及时调节农作物生长的环境参数，使环境参数在最适宜农作物生长的范围内，是现代农业与科学技术结合的主要原因。

在现代温室作物生产中，对棚室中各种参数的准确获取，以及作物生长环境的实时监测与当今流行的通信技术互联网技术的结合已经成为一种需求和趋势。

为了更精准的监测作物生长环境状态，方便技术员对当前棚室环境参数做出判断，甚至预测未来一段时间棚室内环境参数的变化，将云平台技术应用于温室作物生长参数的监测是非常必要的。

2.3 设计思路
物联网云平台系统设计需要关注设备接入网络的方式，只有设备接入平台，才能算是物联网设备。

这里有到两个关键的地方：设备接入方式和网络通信方式，而设备接入方式也有两种:直接接入和网关接入。

本设计使用的模拟设备会下载NB-IoT通信
模组，使物联网终端设备本身具备联网能力直接接入网络。

网络通信方式也存在着两种：移动网络和宽带。

移动网络主要是户外设备使用，包括2G/3G/4G/5G/NB-IOT等；宽带主要是室内设备使用，包括WIFI，Ethernet。

本次设计使用移动网络进行通信，在创建产品时进行定义。

温室作物生长参数云平台设计主要分为两个部分，生长参数上报及正确显示和对生长参数进行可视化操作。

服务器作为云端进行信息汇总和处理。

经过查阅文献，我大体对云平台设计有了初步的想法。

具体工作过程如下：①云平台前期准备，包括对比各云平台的优缺点并选择合适的平台、了解云平台搭建流程、学习相应配置文件。

然后进行物联网平台环境的相关配置，安装相关软件，需要时域名及服务器对进行备案。

②服务器端开发，实现数据接受、存储、处理和上报。

③与数据输入端协调通信协议、串口，实现数据传输至云端后的解析显示④参数可视化环境开发，进行W eb可视化开发，调用运维大屏将数据以图表的形式呈现在屏幕上。

图2.1为一套基于阿里云的温室数据采集上报至云端显示整体流程的设计框图，其中本课题主要针对云端平台进行设计。

图2.1 温室数据监测整体设计图
图2-2展示了我仔细阅读研究了阿里云IoT和IoT Studio的应用文档后，对于云
平台整体搭建流程的设计框图。

图2.2 云平台整体框图
2.4 本章小结
本章主要论述了从经济、操作、法律可行性方面和现代农作物生产与云平台技术结合的需求方面分析了本次课题，并且从总体上设计了云平台搭建的流程，用框图描述了整体设计框架，这有利于我们实现各部分模块规划，在配置时也能很明确地知道云平台设计的重点，为下一章的系统设计做铺垫。

3 总体设计方案
3.1温室作物生长参数云平台产品结构
本次温室作物云平台设计四部分产品，分别为土壤部分、PH值、空气部分和可溶盐浓度，其中土壤部分和空气部分需要上传各自的温湿度数据。

四部分产品与功能结构如图3-1。

图3.1 云平台模块结构图
3.2温室作物生长参数云平台创建
由于在此之前我对云平台相关内容了解较少，因此在做设计之前需要对相关内容进行系统学习，了解云平台的开发环境是如何搭建起来的。

本次课题是基于阿里云IOT平台搭建一个采集处理温室作物生长参数的云平台，通过阿里云的产品文档学习了云端开发的相应流程：创建产品与设备、为产品定义物理模型、建立设备与平台的连接、服务端订阅设备消息、云端下发指令、使用MQTT. fx协议接入物联网平台、使用自定义Topic进行通信、设备消息通过RocketMQ流转到服务器。

阿里云中创建的产品包含以下功能配置：功能定义、Topic类列表、数据解析、服务端定义、设备开发等内容。

图3.2 开发文档与工具
图3.3 产品开发界面
创建产品后，我在产品下添加了多个测试设计的设备，进行了方便后面进行大量设备端连接和数据上传的试验如图3.4所示。