CN108011965A - 一种基于微云的农业远程监控系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于微云的农业远程监控系统及其方法，属于智能农业技术领域，包括传感器端、摄像头端、继电器端、微云端、云服务器端和智能客户端，本发明在农作物生长现场部署一种高性能、低价格的微云端，并在其上搭载农业远程监控系统相关软件，实现对作物生长环境数据的实时采集、本地化存储、报警和结果实时推送、环境自动调节，客户端远程辅助环境调节，另外，本发明的微云端具有很强的数据处理能力，可以缓解云服务器端的压力。

Description

一种基于微云的农业远程监控系统及其方法

技术领域

本发明属于智能农业技术领域，具体涉及农业远程监控技术。

背景技术

在农业生产中，环境的温度、湿度、光照情况、CO₂浓度，土壤中的水分、酸碱度等因素共同影响农作物的生长。传统的农业生产和管理方式往往以规模、化肥、农药促产量，这种方式不仅远远没有达到精细化管理的标准，还导致了大量负面的效应，如农药残留、施肥过量、土壤退化、水资源浪费和生态环境恶化等，同时严重影响了农产品的质量，对农业生产的可持续性和生态环境保护造成严重威胁。

传统的农业生产和管理方式主要通过人的经验来感知和管理上述环境参数，难以达到准确性要求。为实现低成本、低复杂度、可靠稳定并能灵活部署，集实时监控、智能处理、报警和历史数据查询于一体的智能农业远程监控系统，既推动了农业领域的科技水平，也提高了农业生产的效能。

发展农业一直以来都是保障民生安全的头等大事，尤其是发展优质高效农业是确保国家粮食安全的需要。在农业生产和管理中，通过信息技术采集农作物日常生长环境的实时数据来分析和研判农作物的生长环境状况，并进行必要的预警，根据情况做一适当的生长环境调节如自动浇水、自动通风、自动调温湿度等，对确保农作物的健康成长无疑会起到事半功倍的效果。

目前针对农业生产环境和生产实施的监控系统，虽然也很多，采用物联网技术和云计算技术的也多有使用，但这些系统大多通过在现场安装PC服务器或者采用传统的嵌入式开发板实现数据采集存储和处理，前者占用空间大、造价高、功耗大，对工作环境的要求较高，如夏天24小时不间断降温，后者虽然占用空间小，功耗小，但数据存储和处理能力较差，系统不易扩展。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，实现对农业生产现场环境的实时监控和生产设备的自动控制，本发明的目的在于提供一种基于微云的农业远程监控系统。

本发明包括传感器端、摄像头端、继电器端、微云端、云服务器端和智能客户端，传感器端与微云端通过GPIO接口连接，摄像头端与微云端通过CSI接口连接，继电器端与微云端通过GPIO接口连接，微云端与云服务器之间局域网连接，微云端与智能客户端之间以2G/3G/4G或WIFI网络连接，云服务器和智能客户端之间以2G/3G/4G或WIFI网络连接。

本发明源于微云具有低功耗、高性能、体积小和价格低廉等特点，借助于其他网络硬件设施，通过微云与传感器、摄像头、继电器、服务器和智能客户端相连，并在其上搭载农业远程监控系统相关软件，实现对作物生长环境数据的实时采集、本地化存储、报警和结果实时推送、环境自动调节，客户端远程辅助环境调节。

进一步地，本发明所述微云端采用至少由3块树莓派微电脑构建的服务器集群，所述服务器集群包含3个节点，其中1个master节点，2个slave节点，通过在所述服务器集群上部署Linux操作系统，配置Java和Handoop环境，搭建成一个分布式计算平台。

所述微云端主要包括数据处理模块、数据库模块和数据传输模块，所述数据处理模块用于接收所述传感器或摄像头发送的数据，并将接收的数据与设定的阈值进行比较，然后将比较结果发送到所述数据库模块进行数据存储；如接收数据超出预先设定阈值的范围，则将执行命令发送至继电器模块进行开关的状态控制，如接收的数据处于动态设定的报警范围，则发送报警信号到相应的报警装置进行报警，并将报警信息发送到所述智能客户端，同时所述数据处理模块记录报警信息并发送到所述数据库模块。

所述云服务器端主要包括大数据分析模块、数据库模块、数据传输模块，大数据分析模块通过数据库模块和数据传输模块信号连接，大数据处理模块用于对各个监控点所上传的监控数据和控制数据进行分析统计，并将分析统计后的数据发送到数据库模块进行数据存储；数据库模块用于存储各个监控点上传到云服务器端并且被数据处理模块所处理过的数据；数据传输模块用于实现云服务器端和微云端，以及云服务器端和智能客户端之间的数据交互。

所述的智能客户端包括客户端查询模块和客户端报警模块，查询模块用于对微云端的监控数据和控制数据进行查询，报警模块用于对微云端异常数据的报警。

本发明另一目的是基于微云的农业远程监控方法。

包括以下步骤：

1）搭建微云端，所述微云端为由树莓派微电脑版搭建的服务器集群，其上部署有分布式计算平台；

2）微云端读取传感器端数据，微云端采集摄像头端图像数据；

3）微云端通过继电器端实现对设备智能开关的状态控制；

4）微云端将采集到的传感器数据和图像数据进行数据处理，并存入微云端的数据库中；

5）微云端将监控数据和控制数据发送到云服务器和智能客户端上；

6）云服务器端对多个微云端发送的数据进行大数据分析，并将分析结果发送给智能客户端；

7）智能客户端接收和查询报警信息和监控数据，同时实现对设备的远程控制；智能客户端还接收云服务器端推送的大数据分析结果信息。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：可以在农业生产现场（如大棚、温室、苗圃和观光农业等地）部署体积小、功耗低、性能高、价格便宜、易于扩展的微云端，以及传感器、摄像头、继电器、智能开关等其他辅助设备，同时搭载相应的农业远程监控专业应用软件，通过采集和分析农业生产现场环境数据，实现对农业生产现场远程监控和问题报警，通过机器学习算法自动调控生产场地的智能设备，实现对农业生产环境的智能调节，如自动灌溉、自动卷关帘、自动调节温湿度、自动通风等；通过云服务器实现对多个生产现场微云端所上传的环境数据进行存储和管理、大数据分析等，为农业生产的区域化管理提供便利。本发明结合云计算和大数据处理技术对所采集的农作物生长历史数据进行挖掘，能够发现不同品种、不同地域和不同生长环境下农作物生长习性和潜在规律，为发展高产、优质、高效、生态安全农业提供参考价值。

附图说明

图1为本发明系统的系统总体结构图。

图2为本发明系统的微云搭建流程图。

图3为本发明方法的数据采集流程图。

图4为本发明方法的异常监测及报警流程图。

具体实施方式

本发明的系统总体结构图如图1所示，系统总体包括传感器端1、摄像头端2、继电器端3、微云端4、云服务器端5和智能客户端6，传感器端1与微云端4通过GPIO接口连接，摄像头端2与微云端4通过CSI接口连接，继电器端3与微云端4通过GPIO接口连接，微云端4与云服务器5之间局域网连接，微云端4与智能客户端6之间以2G/3G/4G或WIFI网络连接，云服务器5和智能客户端6之间以2G/3G/4G或WIFI网络连接。

微云端4包括至少由3块树莓派微电脑构建的服务器集群，所述服务器集群包含3个节点，其中1个master节点，2个slave节点，通过在所述服务器集群上部署Linux操作系统，配置Java和Handoop环境，搭建成一个分布式计算平台。

微云端1主要包括数据处理模块、数据库模块和数据传输模块，数据处理模块通过数据库模块和数据传输模块信号连接。数据处理模块用于接收所述传感器端1或摄像头端2发送的数据，并将接收的数据与设定的阈值进行比较，然后将比较结果发送到数据库模块进行数据存储，如果接收数据超出预先设定阈值的范围，则将执行命令发送至继电器模块进行开关的状态控制，如果接收的数据处于动态设定的报警范围，发送报警信号到相应的报警装置进行报警，并将报警信息发送到所述智能客户端，同时所述数据处理模块记录报警信息并发送到所述数据库模块。

云服务器端5主要包括大数据分析模块、数据库模块、数据传输模块，大数据分析模块通过数据库模块和数据传输模块信号连接。大数据处理模块用于对各个监控点所上传的监控数据和控制数据进行分析统计，并将分析统计后的数据发送到数据库模块进行数据存储；数据库模块用于存储各个监控点上传到云服务器端并且被数据处理模块所处理过的数据；数据传输模块用于实现云服务器端5和微云端4，以及云服务器端5和智能客户端6之间的数据交互。

智能客户端6主要包括客户端查询模块和客户端报警模块。查询模块用于对微云端4的监控数据和控制数据进行查询，报警模块用于对微云端4异常数据的报警。

本发明方法步骤如下：

步骤1、搭建微云端，该微云端是由树莓派微电脑版搭建的服务器集群，其上部署有分布式计算平台：

如图2所示，基于树莓派的微云搭建流程如下：

在S101，搭建基于树莓派的微云服务器集群。选择至少3块3B型树莓派微电脑板，通过路由器组建成一个小型局域网；

在S102，安装Linux操作系统，每台树莓派微电脑板上均安装Linux操作系统；

在S103，修改主机名、用户名；

在S104，配置静态IP地址；

在S105，配置SSH无密码连接；

在S106，配置Java环境。每台树莓派微电脑板上均安装JDK；

在S107，安装和配置Hadoop。所有的树莓派微电脑板上都要安装Hadoop，先在Master服务器安装，然后重复第1台树莓派的安装步骤，实现另外2台树莓派上Hadoop的安装；

在S108，格式化HDFS；

在S109，启动Hadoop服务。

也可以在1台树莓派上配置完操作系统和Hadoop环境之后，使用Win32DiskImager 软件将已配置好的系统进行镜像备份，然后写入到另外2台树莓派上；最后分别在3台树莓派上配置Hosts和SSH。

步骤2、微云端通过GPIO接口与传感器相连，读取传感器数据；通过CSI接口与IPCAM摄像头相连，采集图像数据：

如图3所示，微云端采集传感器数据和摄像头数据的流程如下：

在S201，完成初始化工作准备接收传感器、摄像头数据，其中微云端通过GPIO接口与传感器相连，读取传感器数据；通过CSI接口与IPCAM摄像头相连，采集图像数据；

在S202，创建内存映射表，初始化网络接口，并设置网络IP地址，相关程序运行环境准备就绪；

在S203，判断是否完成了内存映射和网络接口初始化工作，如果不是，则执行S201，如果是，则执行S204；

在S204，发送各数据采集终端已初始化完成指令至微云端；

在S205，微云端接收各数据采集终端响应，创建连接；

在S206，微云端开始接收传感器、摄像头数据，图像数据保存为JPEG格式，并完成图像压缩；

在S207，判断数据采集是否完成；如果不是，则返回至 S206，继续采集，如果是，则执行S208；

在S208，实现所采集数据打包，采用I2C交互实例将打包数据发送至微云端数据库模块进行数据存储，本过程执行结束。

步骤3、微云端通过GPIO接口与继电器相连，实现对水泵、卷帘和空调等设备智能开关的状态控制。

步骤4、微云端将采集到的原始数据（包括传感器数据、图像数据）进行数据处理（包括异常监测、图像压缩等）和报警，并存入微云端的数据库中：

如图4所示，异常监测和报警的实现流程如下：

在S301，通过程序读取存储在微云端数据库中所采集到的各类传感器数据和图像数据；

在S302，生成训练数据集；

在S303，训练报警分类器，使用机器学习方法，用步骤S302生成的训练数据集进行训练；

在S304，计算阈值；

在S305，逐条读取即时采集的作物生长环境监控信息数据，进行异常监测；

在S306，判断所采集到的环境数据是否大于阈值，如果是，则执行S307，如果不是，则返回执行S305；

在S307，存储异常数据至数据库，并统计异常发生的持续时长；

在S308，判断是否超出限定时长，如果是，则执行S309，如果不是，则执行S310；

在S309，报警并存储报警信息，发送控制指令至继电器端，进行相应设备开关控制操作，同时发送报警信息至智能客户端和云服务器端；

在S310，判断是否停止数据读取，如果不是，则返回执行S305继续读取数据； 如果是，则执行结束。

步骤5、微云端通过网络将监控数据和控制数据发送到云服务器和智能客户端上。

步骤6、云服务器端对多个微云端发送的数据进行大数据分析，并将分析结果发送给智能客户端。

步骤7、智能客户端可以接收和查询报警信息和监控数据，同时可以实现对水泵、卷帘和空调等设备的远程控制；另外，也可以接收云服务器端所推送的大数据分析结果信息。

Claims (6)

1.一种基于微云的农业远程监控系统，其特征在于包括传感器端、摄像头端、继电器端、微云端、云服务器端和智能客户端，传感器端与微云端通过GPIO接口连接，摄像头端与微云端通过CSI接口连接，继电器端与微云端通过GPIO接口连接，微云端与云服务器之间局域网连接，微云端与智能客户端之间以2G/3G/4G或WIFI网络连接，云服务器和智能客户端之间以2G/3G/4G或WIFI网络连接。

2.根据权利要求1所述的基于微云的农业远程监控系统，其特征在于所述微云端采用至少由3块树莓派微电脑构建的服务器集群，所述服务器集群包含3个节点，其中1个master节点，2个slave节点，通过在所述服务器集群上部署Linux操作系统，配置Java和Handoop环境，搭建成一个分布式计算平台。

3.根据权利要求1所述的基于微云的农业远程监控系统，其特征在于所述微云端主要包括数据处理模块、数据库模块和数据传输模块，所述数据处理模块用于接收所述传感器或摄像头发送的数据，并将接收的数据与设定的阈值进行比较，然后将比较结果发送到所述数据库模块进行数据存储；如接收数据超出预先设定阈值的范围，则将执行命令发送至继电器模块进行开关的状态控制，如接收的数据处于动态设定的报警范围，则发送报警信号到相应的报警装置进行报警，并将报警信息发送到所述智能客户端，同时所述数据处理模块记录报警信息并发送到所述数据库模块。

4.根据权利要求1所述的基于微云的农业远程监控系统，其特征在于所述云服务器端主要包括大数据分析模块、数据库模块、数据传输模块，大数据分析模块通过数据库模块和数据传输模块信号连接，大数据处理模块用于对各个监控点所上传的监控数据和控制数据进行分析统计，并将分析统计后的数据发送到数据库模块进行数据存储；数据库模块用于存储各个监控点上传到云服务器端并且被数据处理模块所处理过的数据；数据传输模块用于实现云服务器端和微云端，以及云服务器端和智能客户端之间的数据交互。

5.根据权利要求1所述的一种基于微云的农业远程监控系统，其特征在于所述的智能客户端包括客户端查询模块和客户端报警模块，查询模块用于对微云端的监控数据和控制数据进行查询，报警模块用于对微云端异常数据的报警。

6.一种基于微云的农业远程监控方法，其特征在于包括以下步骤：

1）搭建微云端，所述微云端为由树莓派微电脑版搭建的服务器集群，其上部署有分布式计算平台；

2）微云端读取传感器端数据，微云端采集摄像头端图像数据；

3）微云端通过继电器端实现对设备智能开关的状态控制；

4）微云端将采集到的传感器数据和图像数据进行数据处理，并存入微云端的数据库中；

5）微云端将监控数据和控制数据发送到云服务器和智能客户端上；

6）云服务器端对多个微云端发送的数据进行大数据分析，并将分析结果发送给智能客户端；

7）智能客户端接收和查询报警信息和监控数据，同时实现对设备的远程控制；智能客户端还接收云服务器端推送的大数据分析结果信息。