CN112650338B - 一种基于物联网节能环保林业育苗检测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种基于物联网节能环保林业育苗检测系统和方法，通过ZigBee网络和RS232总线与网关模块进行通信，将检测的数据存储并通过4G通信方式传输；通过ZigBee通讯协议和RS232总线与网关进行通信铺设喷灌和滴灌管网，根据检测的环境值和相关节水智能控制算法，实现对温室内空气温湿度和土壤温湿度的智能控制，针对任务依赖图型的移动应用的节能高效的资源优化，实现协作高效的双层计算和通信资源的联合优化机制；系统硬件性价比更高、网络通讯性能更优，深度结合了云服务、物联网等先进技术，提高系统资源利用率，降低移动端的能源消耗，延长设备的待机时长，保证用户的高质量服务体验。

Description

一种基于物联网节能环保林业育苗检测系统和方法
技术领域
本发明涉及一种生物培养系统，具体涉及一种基于物联网节能环保林业育苗检测系统和方法。
背景技术
育苗是蔬菜生产的重要技术环节，是确保蔬菜生产早熟、高产、优质的重要环节，种苗质量对蔬菜的生产效果起着关键作用。近年来，国家强调应用现代科技手段“大力发展“互联网+农业”，多渠道增加农民收入促进农村一二三产业融合发展战略。应用科技手段发展农业是提升我国农业现代化的主要方式，物联网技术、3G技术等现代通信技术是实现农业现代化技术支点，利用物联网等现代通信技术实现对农业生产经营进行智能化管理，是提高农业的精细化生产，智能化决策的重要节点。通过信息技术对地块的土壤、肥力、温湿度等环境参数进行采集并分析，然后据此提供与种植、施肥相关的解决方案，大大提升了农业生产效率。利用物联网、云平台、单片机、HTLM5等技术将采集的数据显示到智能手机等移动终端上。提高了农业生产对自然环境风险的应对能力，使弱势的传统农业成为具有高效率的现代农业。
而同时随着物联网的快速发展，越来越多的移动设备，如智能穿戴设备、智能健康监测设备、智能手机等，接入到移动互联网络，受限于智能穿戴设备和健康监测设备(称低性能设备)的体积限制，极大地限制了其计算、存储、电池和通信等资源，而直接将其计算任务卸载到边缘服务器，会导致能源消耗较大且极大降低设备的待机时间。
因此，亟待一种针对林业、蔬菜等农作物物联网种植的电子化系统，并且可以优化计算、通信等资源，达到最小化移动设备能耗的目的，延长设备待机时长，为用户提供高质量的服务体验。
发明内容
本发明旨在针对现有技术中针对现代化育苗的问题，提出一种覆盖范围更广、电子化程度更高、资源使用更加合理的一种基于物联网节能环保林业育苗检测系统，其特征在于，包括：采集器模块、控制器模块、网关模块、资源调度模块、电源模块、监控模块
所述采集器模块包括通过ZigBee网络和RS232总线与网关模块进行通信，土壤和空气环境参数检测传感器，实时监测温室土壤含水率，检测温室空气温度、湿度，将检测的数据存储并通过4G通信方式传输到云控制器模块端；
所述控制器模块通过ZigBee通讯协议和RS232总线与网关进行通信铺设喷灌和滴灌管网，根据检测的环境值和相关节水智能控制算法，实现对温室内空气温湿度和土壤温湿度的智能控制，对各外设接口进行初始化，实现与传感器、触摸显示屏和4G物联模块接口通信，完成数据发送数据信息给云控制器模块、接受云控制器模块下发指令和自动及手动控制执行机构任务；
所述网关模块选取LC6365S芯片，配备4G拨号TD-TLTE功能，通过控制终端直接发送数据和信息；
所述资源调度模块针对任务依赖图型的移动应用的节能高效的资源优化，实现协作高效的双层计算和通信资源的联合优化机制；
所述监控模块基于手机Web和APP的远程监测及控制软件，使用移动终端实时查看并控制温室灌溉和环境调控系统；
所述电源模块选择200瓦单晶硅太阳能电池板连接蓄电池作为电源。
本发明还请求保护一种基于物联网节能环保林业育苗检测方法，其特征在于，包括：
通过ZigBee网络和RS232总线与网关模块进行通信，土壤和空气环境参数检测传感器，实时监测温室土壤含水率，检测温室空气温度、湿度，将检测的数据存储并通过4G通信方式传输到云控制器模块端；
通过ZigBee通讯协议和RS232总线与网关进行通信铺设喷灌和滴灌管网，根据检测的环境值和相关节水智能控制算法，实现对温室内空气温湿度和土壤温湿度的智能控制，对各外设接口进行初始化，实现与传感器、触摸显示屏和4G物联模块接口通信，完成数据发送数据信息给云控制器模块、接受云控制器模块下发指令和自动及手动控制执行机构任务；
选取LC6365S芯片，配备4G拨号TD-TLTE功能，通过控制终端直接发送数据和信息；针对任务依赖图型的移动应用的节能高效的资源优化，实现协作高效的双层计算和通信资源的联合优化机制；
基于手机Web和APP的远程监测及控制软件，使用移动终端实时查看并控制温室灌溉和环境调控系统；
选择200瓦单晶硅太阳能电池板连接蓄电池作为电源。
本发明通过ZigBee网络和RS232总线与网关模块进行通信，将检测的数据存储并通过4G通信方式传输；通过ZigBee通讯协议和RS232总线与网关进行通信铺设喷灌和滴灌管网，根据检测的环境值和相关节水智能控制算法，实现对温室内空气温湿度和土壤温湿度的智能控制，针对任务依赖图型的移动应用的节能高效的资源优化，实现协作高效的双层计算和通信资源的联合优化机制；系统硬件性价比更高、网络通讯性能更优，深度结合了云服务、物联网等先进技术，提高系统资源利用率，降低移动端的能源消耗，延长设备的待机时长，保证用户的高质量服务体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所涉及的一种基于物联网节能环保林业育苗检测系统的结构模块图；
图2为本发明所涉及的一种基于物联网节能环保林业育苗检测方法的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照附图1，本发明请求保护一种基于物联网节能环保林业育苗检测系统，其特征在于，包括：采集器模块、控制器模块、网关模块、资源调度模块、电源模块、监控模块
所述采集器模块包括通过ZigBee网络和RS232总线与网关模块进行通信，土壤和空气环境参数检测传感器，实时监测温室土壤含水率，检测温室空气温度、湿度，将检测的数据存储并通过4G通信方式传输到云控制器模块端；
所述控制器模块通过ZigBee通讯协议和RS232总线与网关进行通信铺设喷灌和滴灌管网，根据检测的环境值和相关节水智能控制算法，实现对温室内空气温湿度和土壤温湿度的智能控制，对各外设接口进行初始化，实现与传感器、触摸显示屏和4G物联模块接口通信，完成数据发送数据信息给云控制器模块、接受云控制器模块下发指令和自动及手动控制执行机构任务；
所述网关模块选取LC6365S芯片，配备4G拨号TD-TLTE功能，通过控制终端直接发送数据和信息；
所述资源调度模块针对任务依赖图型的移动应用的节能高效的资源优化，实现协作高效的双层计算和通信资源的联合优化机制；
所述监控模块基于手机Web和APP的远程监测及控制软件，使用移动终端实时查看并控制温室灌溉和环境调控系统；
所述电源模块选择200瓦单晶硅太阳能电池板连接蓄电池作为电源。
CC2530在ZigBee无线通信模块中使用最为广泛。CC2530主要有通信串行端口、AD转换单元、计时器模块等。主核心处理装置是8051。CC2530集成射频收发功能，低功耗，高集成化，工作稳定性高，因为其优异的性能和小型化的优点，在温室里被广泛使用。它可以用于传感器节点在温室内感知多个数据因子，适于温室恶劣的环境，且具有较强的兼容性。
CC2530模块结构如下：
(1)RF模块
CC2530集成RF电路，其输出功率大。它可以使用IEEE 802.15.4定义的2.4GHz频带来接收感知节点大规模发送的数据。其显著的优点是敏感且对外界干扰有很强的耐受性。
(2)IO口控制模块
在CC2530中，所有的引脚控制均通过端口控制器8051实现，可以灵活选择引脚。从软件的角度来看，可以根据时间、数据采集、传输等需要选择引脚。
(3)时钟系统电路
CC2530采用了多时钟电路设计，包括内部时钟电路和外部时钟电路。内部时钟电路的频率可以选择32K或32M的频率型号。外部时钟的电路频率是32MHz或32.768kHz。
(4)DMA传输控制单元
作为系统的数据传输线控制装置的DMA是系统整体输送的高速路，起着重要的作用。DMA有5个传输信道。当用户选择信道时，可以在数据传输期间独立地定义所选择的信道的数目、优先级和传输模式，以便提高数据传输的有效性和稳定性。
(5)ADC转换电路
芯片中有8个信道14位的ADC转换电路，其可以提供7到12位、传输速度30到40KHz、输入输出皆有差分和单端可选。
(6)定时器模块
CC2530的核心处理芯片8051有5种定时器。当系统数据采集和协调器组网时，LCD通常需要显示通信状态和获取数据情况。该设计中的CC3530芯片搭载一块128x160分辨率的18寸液晶屏，通过SPI接口连接芯片。
在本研究中，使用ZigBee无线传感器网络进行数据采集、传输、定时等任务。选用SmartRef04EB仿真器实现将程序命令下载到开发板(协调器、路由器、感知模块)的任务。SmartRF04EB可以在开发板上下载程序指示，在IAR环境下编译。使用新组件、高端焊接、高精度的仿真器，是下载和调试程序的重要手段。
在对现场控制器软件程序的设计中，主要包括对完成环境温湿度监测任务的数据采集及存储子程序、完成远程通讯及控制功能的与服务器通信子程序和完成基于算法的执行机构控制子程序。数据采集及存储子程序主要完成对温室大棚内空气温度、空气湿度、土壤温度和土壤湿度等环境参数进行采集及存储，并时刻在LCD上显示温室大棚内环境参数信息等功能。与云服务器通信子程序主要完成现场控制设备与云服务器相互传输数据及指令的通讯功能。执行机构控制子程序实现手动控制和自动控制喷灌、滴灌和风机等执行机构的功能，从而对大棚内环境进行精准的调节。
现场控制器主程序是整个温室大棚控制程序中最重要的部分。现场控制器主要功能是对各外设接口进行初始化，实现与传感器模块、触摸显示屏和4G物联模块接口通信，完成数据采集及存储、发送数据信息给云服务器、接受云服务器下发指令和自动及手动控制执行机构等任务。其中数据采集任务1000ms执行一次，发送数据给云服务器2000ms执行一次。
采集模块电路设计为
(1)DHT11电路设计
感知节点是网络层的基本功能单元，负责温室内的数据取得。DHT11温湿度传感器是取得温室内气温和湿度数据的器件。DHT11传感器具有优异的性能。内部核心处理器是单芯片微计算机。校准所有传感器产品的所有功能参数，将校准记录保存在OTP中。校准收集的数据时，可以调用查看。从产品相关封装来看，DHT11体积小，功能强，耗电低，适用于茶叶大棚中的使用环境。传感器电路图中的VCC是电源接口，接口的电源电压约为3.3V到5.5V。为了确保电路的稳定性，确保传感器测量数据的精度，将电容器C1配置在电路内对电路进行滤波。
(2)二氧化碳浓度传感器电路设计
使用MH-Z14A传感器测量二氧化碳浓度。MH-Z14A使用非红外色散技术来测量浓度。这种传感器拥有三种输出模式，在该项目中选择串行端口输出模式(UART)，可以通过对接ZigBee开发板上的端口VCC、GND、RX、TX和3.3V、GND、TX和RX来正常操作传感器。从工作模式上说，MH-Z14A输出电信号。可以根据对应的变换公式通过对应的变换得到CO2浓度值。通过传感器测量，检测范围限制在0～5000ppm左右。
(3)GM5516电路设计
大棚的光照强度是重要的环境参数之一。选用了GM5516光照传感器测量大棚内光强。传感器布置在大棚不同区域，有助于准确测量棚内不同区域的光强度。类似地，光强度的测量方法与CO2浓度相同。光敏电阻与R31串联连接。当光强度变化时，输出电压发生变化。可以通过输出电压进行转换从而获得光强度值。
(4)土壤温湿度传感器电路设计
采用KTR土壤温湿度传感器对大棚土壤温湿度进行测量。KTR土壤温湿度传感器具有小巧，维护简单，寿命长等优点。根据采集到的土壤温湿度信息，达到及时调节土壤温湿度的目的。
(5)土壤ph值传感器的设计
这种传感器材质为固体电解质和聚四氟乙烯，可以实现实时监测土壤环境的ph值。传感器具有尺寸小，便于携带，寿命长的优点。
灌溉系统主要通过喷灌和滴灌来对空气的温湿度和土壤的温湿度进行调节。其中，对空气的温湿度调节采取传统的开关量控制方式，而在对土壤灌溉控制中，考虑到土壤环境和植物生长等多重复杂影响因素，土壤湿度控制系统具有强烈的非线性、强耦合、大时滞和时变等特点，传统PID控制虽然算法简单易于实现且调整时间较快、精度较高，但是抗干扰能力不强，容易产生振荡，模糊PID不需要精确的数学模型，能较好的处理时变、非线性、滞后等问题。本文采用了模糊PID控制技术确定最佳的灌水量，从而对农作物实行精准灌溉。
进一步地，所述基于物联网节能环保林业育苗检测系统还包括：
所述采集器模块设有电子识别码，所述控制器模块能根据所述电子识别码识别和管理所述采集器模块；
读取装置，用于读取所述电子识别码；
所述读取装置与所述控制器模块构成数据交互；
所述读取装置与所述控制器模块构成无线通讯连接。
进一步地，所述采集器模块数据采集传输过程中选用的RS485总线通讯方式，采用Modbus通信协议，所述Modbus协议采用了Master/Slave架构；
所述Master/Slave架构设有一个Master节点，其他使用Modbus协议参与通信是Slave节点，且每一个Slave节点都有一个唯一的地址；
在串行网络中，只有Master节点可以发送一个包含地址的命令，其余Slave节点只能接受命令；
土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器将采集到的参数使用RS485总线通讯方式发送到主控制器，各传感器都拥有一个地址码；
传感器与主控制器传输信息的单位为比特，所述比特包括请求比特和答复比特两种比特结构；
请求比特是当主控制器需要查询某个传感器设备数据时发出包含传感器地址码的命令，采用Modbus-RTU通讯规约。
现场控制器端的EC20通信模块和手机APP与云平台之间的通信是基于MQTT协议(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议)实现的。MQTT协议是一种基于发布(Publish)和订阅(Subscribe)模式的通讯协议，特点是能够通过极简的代码为远程通信设备提供实时可靠的双向通信服务。由于还具备轻量级、低带宽、即时通讯等优点，所以被广泛应用于物联网、移动终端设备领域。
实现MQTT协议需要有客户端和服务器端。其次，实现MQTT协议需要定义三种身份：发布者、代理、订阅者。客户端既可以是消息的发布者也可以是订阅者，服务端则是消息代理。最后，各客户端之间消息的传输是通过向代理订阅或发布主题实现的。消息分为主题和负载两部分，主题可以理解为消息的类型，负载可以理解为消息内容。
每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。服务器首先需要客户端提供ClientID、用户名和密码等参数进行连接授权，且连接参数(CleanSession)决定此次会话是否是持久会话。MQTT报文由固定报头、可变报头和有效负载三部分组成。
MQTT协议中定义了方法用于操作确定资源，这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。
Connect，等待与服务器建立连接
Disconnect，等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话
Subscribe，等待完成订阅
UnSubscribe，等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅
Publish，MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。
物联网平台可以通过服务端订阅和云产品流转两种方式将设备上报消息、设备状态变化通知、设备生命周期变更、物模型历史数据上报、固件升级状态通知、网关发现子设备上报、设备拓扑关系变更等消息流转到客户端后台服务器。本系统现场控制器与手机APP的信息通信主要运用了云产品流转通信方式。
上位机远程终端主要用于网络端口的识别、实时接收数据以及对数据进行存储，同时对控制终端下发指令。网络地址协议主要由TCP/IP构成，远程服务器只需要监视特定的通信端口和IP地址，并实时获取封装化的数据信息。在取得数据后，通过分析和比较，通过网关向对应控制终端发送控制指令，调整内部参数和命令。
登录下位机软件主界面；点击启动服务按钮获取服务器的IP和端口号，随后下位机软件会自动连接与其绑定的无线通讯模块DTU，连接成功后，DTU会自动显示于下位机软件主界面。同时，无线传输模块上传的数据会显示于下位机软件左下角的日志中，若上传的数据格式正确，下位机软件将自动保存于服务器的MYSQL数据库中，若上传的数据格式不正确，则会继续等待无线传输模块的正确格式的数据，同时会对错误数据格式进行分析，若传感器出现故障导致数据错误，下位机软件会将故障信息自动上传至上位机，及时通知工作人员维修。
远程终端检测的数据可以自动发送于下位机软件，点击下位机软件中的“手动获取”按钮，也可以实时控制下位机软件上传数据。点击下位机软件中的“添加DTU”按钮，下位机软件会自动与所在服务器的数据库相连，通过选择数据库信息和表名以及插入数据类型、字段类型等进行DTU的添加。
云平台总体搭建方案，首先，现场控制器端通过Iot Hub与云平台进行数据通信。然后，设备管理服务可向Iot Hub调用数据供给数据开发服务和业务逻辑服务使用，手机Web客户端可以直接读取设备管理服务内实时数据。同时，手机APP客户端也通过IotHub与云平台建立通信，然后再通过规则引擎数据流转服务实现与现场控制器端的数据及指令互传。需要在云物联网平台上搭建设备管理、数据开发、业务逻辑和规则引擎数据流转四个服务。设备管理服务是在平台上创建产品、设备以及设备的属性和功能Topic等，是获取现场控制端环境参数实时信息的基础。数据开发服务包含图表数据开发和地图数据开发，是将获得的参数信息进行处理并生成可供客户端访问的API。业务逻辑服务主要是创建HTTP或设备触发接口，调用外部API和设计逻辑。
进一步地，所述控制器模块通过ZigBee通讯协议和RS232总线与网关进行通信铺设喷灌和滴灌管网，根据检测的环境值和相关节水智能控制算法，实现对温室内空气温湿度和土壤温湿度的智能控制，对各外设接口进行初始化，实现与传感器、触摸显示屏和4G物联模块接口通信，完成数据发送数据信息给云控制器模块、接受云控制器模块下发指令和自动及手动控制执行机构任务，具体包括：
现场控制器与云服务器的通信分为设备属性数据上发和设置属性指令接收，基于MQTT协议的AT指令设计；
配置三元组信息，包括Productkey、Devicename、Devicesecret与云物联网平台建立连接，然后与云平台指定设备进行连接，最后通过发布指令进行设备属性上发。通过中断计时器判断发送标志，设计属性数据上报时间间隔为30000ms；
在确认与云平台指定设备建立连接后，通过订阅AT指令代码订阅设置属性Topic；
进行订阅之后，只要当有设置属性指令通过服务端下发，串口就会获取到修改后的属性指令。
规则引擎数据流转服务是通过设置一条完整的数据流转规则完成现场控制器端与手机APP的通信数据流转功能。现场控制器将Topic1(比如属性上报Topic)的数据传入云平台Iot Hub后，再通过规则引擎数据流转服务将Topic1中的数据转发到Topic2内，最后手机APP客户端通过订阅Topic2接受到Topic2的数据，从而实现现场控制器端与手机APP端的数据互传。
规则引擎数据流转服务的搭建首先需要创建规则并设置数据类型为JSON格式；其次，编写SQL从现场控制器设备的Topic消息中筛选出要发送手机APP的消息字段，以及手机APP设备的消息Topic消息中筛选要发送给现场控制器设备的指令；最后，设置数据流转目的地和设置流转失败的数据转发目的地。
进一步地，所述资源调度模块针对任务依赖图型的移动应用的节能高效的资源优化，实现协作高效的双层计算和通信资源的联合优化机制，还包括：
以DAG任务依赖图对应问题进行建模，考虑部分卸载的任务计算结果回传对卸载策略的影响，建立最小化移动设备电能问题，提出联合优化卸载比率、通信的上传功率和CPU计算频率的优化；基于二分搜索算法的最优解算法、两阶段联合优化中继选择和资源分配算法和基于块梯度下降法的迭代优化算法计算能耗最小化。
该系统由一个具有边缘服务器的AP节点和一个具有一台高带宽控制终端和多个低带宽的用户组成。所有控制终端均配备一个天线。控制终端和AP配备有多个天线，并以正交频分多址(OFDMA)进行配置。资源调度模块的集合可以表示为N＝1，2，，，N。控制终端具有计算密集型任务
Figure GDA0002939519600000091
其中Ii表示计算任务Ai的计算输入数据，Ci表示处理任务Ai所需的CPU周期总数，并且Ti表示任务Ai的相应任务时间约束。由于计算结果相对较少，因此将计算结果从边缘下载到控制终端所消耗的设备能量可忽略不计。同样，从控制终端到资源调度模块的下载执行相同的处理。假设每个任务的时间限制相同并且等于时间块，即Ti＝T，i∈N。每个控制终端可以通过本地执行或边缘执行来执行其任务。借助控制终端将到MEC服务器的卸载比率矢量定义为
Figure GDA0002939519600000092
同时，资源调度模块将其计算输入数据卸载到控制终端并在控制终端上完成的卸载比率向量为
Figure GDA0002939519600000093
本地执行的比率向量为
Figure GDA0002939519600000094
如果资源调度模块通过本地执行来执行其任务
Figure GDA0002939519600000095
否则
Figure GDA0002939519600000096
采用时分多址(TDMA)协议，其中每个时隙在持续时间内具有相同的参数。
优选的，所述监控模块基于手机Web和APP的远程监测及控制软件，使用移动终端实时查看并控制温室灌溉和环境调控系统，具体包括：
用4G网络模块实现协调器与遥控终端之间的数据通信，实时监控大棚内的数据，并通过上位机系统发布控制指令来对大棚内的环境参数进行调节；
生产管理者和消费者用户可在Web界面实时查看现场工作视频；
在温室大棚内安装监控摄像机，并接入云端平台中。用户在Web客户端打开设备直播视频页面，Web客户端将向云端申请调用现场图像采集摄像头的数据流；
云端服务器控制摄像机打开，将视频数据流接入Web客户端直播页面；
环境监控主要展示温室内空气平均温湿度、土壤平均温室度和参数阈值设置功能；
通过数字框组件可以输入数值，并将数值配置给对应的阈值属性数据源；
当数字框组件中的值发生改变，就会触发动作向服务端数据管理服务发送设置属性指令；
通过4G网络，向pc端发送数据；
所述PC端为了获得实时获取信息，必须监视特定的端口和IP地址；
多通道监控模式提供室内环境时间有效通道实时控制。
本地计算模型：
将
Figure GDA0002939519600000105
定义为控制终端的最大CPU频率，完成任务Ai的CPU周期频率为
Figure GDA0002939519600000106
Figure GDA0002939519600000101
其可以通过DVFS技术进行调整，以在确保低能耗的同时满足时间限制。通过本地执行计算任务AiA时，所需时间为
Figure GDA0002939519600000102
考虑到本地执行必须在Ti内完成，并且本地执行时间约束表示如下：
Figure GDA0002939519600000103
控制终端的相应能耗为:
Figure GDA0002939519600000104
其中
Figure GDA0002939519600000107
是有效的开关电容，具体取决于芯片架构。
参照附图2，本发明还请求保护一种基于物联网节能环保林业育苗检测方法，其特征在于，包括：
通过ZigBee网络和RS232总线与网关模块进行通信，土壤和空气环境参数检测传感器，实时监测温室土壤含水率，检测温室空气温度、湿度，将检测的数据存储并通过4G通信方式传输到云控制器模块端；
通过ZigBee通讯协议和RS232总线与网关进行通信铺设喷灌和滴灌管网，根据检测的环境值和相关节水智能控制算法，实现对温室内空气温湿度和土壤温湿度的智能控制，对各外设接口进行初始化，实现与传感器、触摸显示屏和4G物联模块接口通信，完成数据发送数据信息给云控制器模块、接受云控制器模块下发指令和自动及手动控制执行机构任务；
选取LC6365S芯片，配备4G拨号TD-TLTE功能，通过控制终端直接发送数据和信息；
针对任务依赖图型的移动应用的节能高效的资源优化，实现协作高效的双层计算和通信资源的联合优化机制；
基于手机Web和APP的远程监测及控制软件，使用移动终端实时查看并控制温室灌溉和环境调控系统；
选择200瓦单晶硅太阳能电池板连接蓄电池作为电源。只有当使用具有200ah容量的电池时，电流系统的电能供应才能正常工作。目前，两个电池串联使用，每个电池容量为100Ah，电源电压为12伏。另外，为了保护电池的充电和放电，加入控制器进行控制。由于ZigBee额定电压为3.3伏，传感器节点工作电压为5伏，因此需要适当转换电压。采取两种转换芯片：LT8610和LM2941。前者负责12V电压转换为5.8伏和3.7伏，然后通过LT1962降压芯片将3.7伏降低到3.3伏供ZigBee模块使用，后者用于将5.8伏的电压减小到5.0伏供传感器使用。

Claims (1)

1.一种基于物联网节能环保林业育苗检测系统，其特征在于，包括：采集器模块、控制器模块、网关模块、资源调度模块、电源模块、监控模块；
所述采集器模块包括通过 ZigBee 网络和 RS232 总线与网关模块进行通信，土壤和空气环境参数检测传感器，实时监测温室土壤含水率，检测温室空气温度、湿度，将检测的数据存储并通过 4G 通信方式传输到云控制器模块端；
所述控制器模块通过 ZigBee 通讯协议和 RS232 总线与网关进行通信铺设喷灌和滴灌管网，根据检测的环境值和相关节水智能控制算法，实现对温室内空气温湿度和土壤温湿度的智能控制，对各外设接口进行初始化，实现与传感器、触摸显示屏和 4G 物联模块接口通信，完成数据发送数据信息给云控制器模块、接受云控制器模块下发指令和自动及手动控制执行机构任务；
所述网关模块选取 LC6365S 芯片，配备4G 拨号TD-TLTE功能，通过控制终端直接发送数据和信息；
所述资源调度模块针对任务依赖图型的移动应用的节能高效的资源优化，实现协作高效的双层计算和通信资源的联合优化机制；
所述监控模块基于手机 Web 和 APP 的远程监测及控制软件，使用移动终端实时查看并控制温室灌溉和环境调控系统；
所述电源模块选择 200 瓦单晶硅太阳能电池板连接蓄电池作为电源；
所述基于物联网节能环保林业育苗检测系统还包括：
所述采集器模块设有电子识别码，所述控制器模块能根据所述电子识别码识别和管理所述采集器模块；
读取装置，用于读取所述电子识别码；
所述读取装置与所述控制器模块构成数据交互；
所述读取装置与所述控制器模块构成无线通讯连接；
所述采集器模块数据采集传输过程中选用的 RS485 总线通讯方式，采用Modbus通信协议，所述Modbus协议采用了 Master/Slave 架构；
所述Master/Slave架构设有一个 Master 节点，其他使用 Modbus 协议参与通信是Slave 节点，且每一个 Slave 节点都有一个唯一的地址；
在串行网络中，只有 Master 节点可以发送一个包含地址的命令，其余 Slave 节点只能接受命令；
土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器将采集到的参数使用 RS485 总线通讯方式发送到主控制器，各传感器都拥有一个地址码；
传感器与主控制器传输信息的单位为比特，所述比特包括请求比特和答复比特两种比特结构；
请求比特是当主控制器需要查询某个传感器设备数据时发出包含传感器地址码的命令，采用Modbus-RTU 通讯规约；
现场控制器端的 EC20 通信模块和手机 APP 与云平台之间的通信是基于 MQTT 协议实现的；
所述MQTT 协议是一种基于发布和订阅模式的通讯协议，通过极简的代码为远程通信设备提供实时可靠的双向通信服务；
实现 MQTT 协议需要有客户端和服务器端，实现 MQTT 协议需要定义三种身份：发布者、代理、订阅者；
客户端既是消息的发布者也是订阅者，服务端则是消息代理；
各客户端之间消息的传输是通过向代理订阅或发布主题实现的，消息分为主题和负载两部分，主题为消息的类型，负载为消息内容；
每个客户端与服务器建立连接后是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互；
服务器需客户端提供 ClientID、用户名和密码等参数进行连接授权，且连接参数决定此次会话是否是持久会话；
MQTT 报文由固定报头、可变报头和有效负载三部分组成；
MQTT 协议中定义了方法用于操作确定资源；
Connect，等待与服务器建立连接；
Disconnect，等待 MQTT 客户端完成所做的工作，并与服务器断开 TCP/IP 会话；
Subscribe，等待完成订阅；
UnSubscribe，等待服务器取消客户端的一个或多个 topics 订阅；
Publish，MQTT 客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程；
物联网平台通过服务端订阅和云产品流转两种方式将设备上报消息、设备状态变化通知、设备生命周期变更、物模型历史数据上报、固件升级状态通知、网关发现子设备上报、设备拓扑关系变更消息流转到客户端后台服务器；
现场控制器与手机 APP 的信息通信运用云产品流转通信方式；
上位机远程终端用于网络端口的识别、实时接收数据以及对数据进行存储，同时对控制终端下发指令；
网络地址协议由 TCP/IP 构成，远程服务器只需要监视特定的通信端口和 IP 地址，并实时获取封装化的数据信息；
在取得数据后，通过分析和比较，通过网关向对应控制终端发送控制指令，调整内部参数和命令；
登录下位机软件主界面；点击启动服务按钮获取服务器的IP 和端口号，随后下位机软件会自动连接与其绑定的无线通讯模块 DTU，连接成功后，DTU 会自动显示于下位机软件主界面；
无线传输模块上传的数据会显示于下位机软件左下角的日志中，若上传的数据格式正确，下位机软件将自动保存于服务器的 MYSQL 数据库中，若上传的数据格式不正确，则会继续等待无线传输模块的正确格式的数据，同时会对错误数据格式进行分析，若传感器出现故障导致数据错误，下位机软件会将故障信息自动上传至上位机，及时通知工作人员维修；
远程终端检测的数据自动发送于下位机软件，点击下位机软件中的“手动获取”按钮，也可以实时控制下位机软件上传数据；
点击下位机软件中的“添加 DTU”按钮，下位机软件会自动与所在服务器的数据库相连，通过选择数据库信息和表名以及插入数据类型、字段类型进行 DTU的添加；
云平台总体搭建时，现场控制器端通过 Iot Hub 与云平台进行数据通信，设备管理服务向 Iot Hub 调用数据供给数据开发服务和业务逻辑服务使用，手机 Web 客户端可以直接读取设备管理服务内实时数据，手机 APP 客户端也通过 IotHub 与云平台建立通信，然后再通过规则引擎数据流转服务实现与现场控制器端的数据及指令互传；
在云物联网平台上搭建设备管理、数据开发、业务逻辑和规则引擎数据流转四个服务，设备管理服务是在平台上创建产品、设备以及设备的属性和功能 Topic ，是获取现场控制端环境参数实时信息的基础；
数据开发服务包含图表数据开发和地图数据开发，是将获得的参数信息进行处理并生成可供客户端访问的 API；业务逻辑服务主要是创建HTTP 或设备触发接口，调用外部 API和设计逻辑；所述控制器模块通过 ZigBee 通讯协议和 RS232 总线与网关进行通信铺设喷灌和滴灌管网，根据检测的环境值和相关节水智能控制算法，实现对温室内空气温湿度和土壤温湿度的智能控制，对各外设接口进行初始化，实现与传感器、触摸显示屏和 4G 物联模块接口通信，完成数据发送数据信息给云控制器模块、接受云控制器模块下发指令和自动及手动控制执行机构任务，具体包括：
现场控制器与云服务器的通信分为设备属性数据上发和设置属性指令接收，基于MQTT 协议的 AT 指令设计；
配置三元组信息，包括Productkey、Devicename、Devicesecret与云物联网平台建立连接，然后与云平台指定设备进行连接，最后通过发布指令进行设备属性上发；通过中断计时器判断发送标志，设计属性数据上报时间间隔为 30000ms；
在确认与云平台指定设备建立连接后，通过订阅 AT 指令代码订阅设置属性Topic；
进行订阅之后，只要当有设置属性指令通过服务端下发，串口就会获取到修改后的属性指令；
所述资源调度模块针对任务依赖图型的移动应用的节能高效的资源优化，实现协作高效的双层计算和通信资源的联合优化机制，还包括：
以 DAG 任务依赖图对应问题进行建模，考虑部分卸载的任务计算结果回传对卸载策略的影响，建立最小化移动设备电能问题，提出联合优化卸载比率、通信的上传功率和 CPU计算频率的优化；
基于二分搜索算法的最优解算法、两阶段联合优化中继选择和资源分配算法和基于块梯度下降法的迭代优化算法计算能耗最小化；
所述监控模块基于手机 Web 和 APP 的远程监测及控制软件，使用移动终端实时查看并控制温室灌溉和环境调控系统，具体包括：
用 4G 网络模块实现协调器与遥控终端之间的数据通信，实时监控大棚内的数据，并通过上位机系统发布控制指令来对大棚内的环境参数进行调节；
生产管理者和消费者用户可在 Web 界面实时查看现场工作视频；
在温室大棚内安装监控摄像机，并接入云端平台中；用户在 Web 客户端打开设备直播视频页面，Web 客户端将向云端申请调用现场图像采集摄像头的数据流；
云端服务器控制摄像机打开，将视频数据流接入 Web 客户端直播页面；
环境监控主要展示温室内空气平均温湿度、土壤平均温室度和参数阈值设置功能；
通过数字框组件可以输入数值，并将数值配置给对应的阈值属性数据源；
当数字框组件中的值发生改变，就会触发动作向服务端数据管理服务发送设置属性指令；
通过4G 网络，向 pc 端发送数据；
所述PC 端为了获得实时获取信息，必须监视特定的端口和 IP 地址；
多通道监控模式提供室内环境时间有效通道实时控制。
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