温室监控系统设计论文

摘要：构建传统的温室监控系统需要大量的线缆，从而增加了造价，并给维护造成很大的困难。研究用无线传感网络技术实现前端温室信息的采集与远程监控，不但节省了造价，而且系统采用TinyOS技术，可以实现低功耗、高鲁棒性、数据快速传输。研究的系统在温室监控中有一定的实际应用价值。下面是小编整理的《温室监控系统设计论文(精选3篇)》的相关内容，希望能给你带来帮助!

温室监控系统设计论文 篇1：

基于Arduino的智能温室监控系统设计

摘 要：本文描述一种基于Arduino的自动控制系统的设计和实现方法。该系统主要有控制端、服务器和终端组成。其中，控制端由Android设备组成，OpenShift是服务器环境，作为消息中转装置，终端做信息采集和接受指令。原型机的表现良好，在实际中有一定的市场空间。

关键词：Arduino；Android；OpenShift容器；Spring Cloud服务器

引言

当今社会，人们生活日益繁重，迫使人们只能关注与生活本身的事物，连家中的花草也可能无暇顾及。那么家中花草谁来管理？本系统为有此类需求的客户开发了一款可以自动控制或者远程控制的设备。制造了基于Arduino的浇花系统，使用了多个传感器进行监控，几个控制器控制水泵进行浇水，从而达到自动浇灌的目的。

同时这个浇花设备遵循了GPLv3协议，可以二次开发实现更多的功能。

1 总体设计

系统由Android、Arduino和服务器三部分组成，系统总体设计如图1所示。每个组件内部的复杂服务都进行了封装，对外只暴露少量的接口。组件之间由HTTPS协议进行通信。用户使用Android设备对Arduino终端进行控制，同时，Arduino终端将植物和水泵的信息反馈给Android设备。公网上的服务器对两种设备的信息进行中转，并且存储历史数据。

2 详细设计

系统三个组件在设计之初就十分强调减少组件的关联，尽量做到彼此独立，不会因为某个单点问题造成系统的崩溃。

2.1 应用程序服务器

2.1.1 微服务

应用程序服务器使用了微服务的设计，化整为零，去粗取精。第一个强调的重点是业务系统彻底的组件化和服务化。原有的单个业务系统拆分成多个独立开发、测试和维护的子系统。这些小应用程序通过服务完成交互和集成，每个小应用程序由RESTFul API（Representational State Transfer）提供，控制器和数据源都是完全独立的一套。

微服务包括如下一些特征：这些服务很容易更换；可以使用不同的编程语言、数据库、硬件和软件环境来实现服务；服务的规模小，支持消息传递，受上下文约束，自主开发，可独立部署，分散和使用自动化过程构建和发布[1]；自然地实施模块化结构[2]；适用于连续交付软件开发过程，对应用程序的小部分的更改只需要重建和重新部署一个或少量服务[2]；遵循細粒度接口（可独立部署的服务），业务驱动开发（例如域驱动设计），云应用程序架构，多语言编程和持久性，轻量级容器部署，分散式持续交付和DevOps整体服务监控[3]。本系统基本实现了上述微服务功能。

2.1.2 Spring Cloud

为了实现这些功能，服务器上使用了Spring Cloud作为一个组成部分，Spring Cloud设计如图2所示。

Spring Cloud为开发人员提供了快速构建分布式系统中的一些通用模式。图2表示了服务器上系统的内部结构，各内部组件的作用如表1所示。

分布式系统的协调导致了扁平模式，并且使用Spring Cloud开发人员可以快速地实现这些模式的服务和应用程序。它们可以在任何分布式环境中正常工作，包括开发人员自己的笔记本电脑，裸机数据中心和受管平台[4]。有了这个工具，实现这种微服务体系就变得非常容易。

首先要在GitHub上创建好设置服务器、路由、用户服务、终端服务、控制端服务五个最基本的项目，各项目功能描述如表2所示。

三个服务的设置代码如下所示，每个服务只需要配置各自对应的数据源（连接到控制系统，连接到移动设备），同时要加入设置服务器（表内第五行）。

2.1.3 OpenShift

这个系统也使用了OpenShift来作为容器的管理工具，OpenShift设计如图3所示。OpenShift是一个使用Docker并且支持Kubernetes的DevOps工具，属于PaaS层面。OpenShift Enterprise是其私有云版本[5]，是一个开源软件，由OpenShift Origin管理，支持GitHub，开发者可以使用Git来发布自己的web应用程序到平台上。开发者在OpenShift上注册一个账户并且绑定一张visa卡，按照GitHub上的项目在OpenShift中创建“构建”，构建结束后即可使用，服务会自动出现在池（Pod）中。

2.2 Android

2.2.1 为什么选择Android

Android最初由安迪·鲁宾（Andy Rubin）等人开发制作[6]。于2005年7月11日被美国科技企业Google收购。Android其开放源代码的特性使得众多厂商可以自由的使用源代码进行定制化的修改。

2.2.2 主要设计

Android智能手机主要完成登录、连线、查看设备和制定计划四个功能。

用户在登录的时候需要向服务器提供电子邮件地址以及密码，当验证成功后允许执行其他操作。

连线，Android智能手机与客户端传输文件使用JSON为载体，用户登录后，可显示家中所部署的浇水装置、植物及它们的状态，并且可以对其下达浇水指令以完成对家庭植物的智能浇水。在Android端采用HTTPS请求发送JSON消息给服务器端，服务器端收到请求后进行处理并将处理结果放到JSON文件里发送给Android手机。Android端登录采用多线程以防止在发送过程中APP不能及时响应客户的其他请求。Android端采用AndroidAnnotation开源框架[7]，该框架可节省开发成本，可直接用Java特性annotation让布局组件与逻辑代码绑定。用适配器让部署了浇水装置的植物信息以列表的形式显示在手机上。当用户点击列表后可以向服务器发送浇水请求，让服务器发送指令给浇水设备。

user.getTerminalDevices（）

这条语句会从服务器获得用户的所有终端设备信息。

user.saveSchedules（schedules）

执行这条语句时，计划任务会通过RESTTemplate转化为JSON文件发送到服务器。

2.3 Arduino

2.3.1为什么选择Arduino

Arduino是一个开放原始代码的平台，拥有成熟的开发环境[8]，无论是谁都可以使用Arduino制作出独一无二的作品。Arduino同时支持海量的插件，包括但不限于开关、传感器发光二极管、步进电机。此外欧特克开发的circuits.io让Arduino开发者在线设计并且分享使用设计图，进一步吸引更多开发者创造出更多令人惊奇的产品。

2.3.2组件描述

本系统采用主流的DS18B20测温模块及湿度传感器检测土壤的温度及湿度状态，当达到一定的阀值时控制器驱动水泵工作，从而达到浇水目的。另外，用户可以通过移动终端实时监控并控制此硬件终端的运行状况及参数。系统硬件結构如图4所示，系统的终端成品如图5所示。

硬件系统由5个模块组成，主要包括硬件控制器、通信模块、温度和湿度传感器以及水泵组成，各模块提供不同的功能。

硬件控制器作为本系统的最重要部分，负责各传感的通信及外围设备的驱动。由温、湿度传感器传来的数据，交由控制器分析，从而决定是否启动外围设备工作。同时，分析的数据通过通信模块与用户端进行信息对话，从而达到监控数据及控制目的。

通信模块是链接用户端及硬件端的桥梁，由指令通过这个模块收发HTTPS与服务器和硬件通信，控制硬件的工作，监测是发送控制的逆过程。

温度和湿度传感器可检测土壤的温度及湿度状态，数据发送控制器处理，来决定是否驱动外围设备工作。

水泵模块作为外围设备，主要功能是为土壤浇水，从而达到湿润土壤、降温的目的。实现的方法如下代码所示：

3 结语

系统在稳定的Internet上正常工作，但是当网络信号较差时会出现工作不稳定的情况。在未来的时间里，团队会对本系统做升级，让本产品更加完善。

参考文献

Nadareishvili， I.， Mitra， R.， McLarty， M.， Amundsen， M. Microservice Architecture： Aligning Principles， Practices， and Culture[J]. O’Reilly， 2016.

Martin Fowler. "Microservices"：http：//martinfowler.com/articles/microservices.html.

IFS： Microservices Resources and Positions：http：//www.ifs.hsr.ch/index.php？id=15266&L=4.

Official website， Spring Cloud： https：//spring.io/.

Red Hat takes OpenShift platform cloud private： https：//www.openshift.com/.

Markoff， John （November 4， 2007）. "I， Robot： The Man Behind the Google Phone". The New York Times. Retrieved February 15， 2012 .

Github， AndroidAnnotation： https：//github.com/androidannotations/androidannotations.

Official website， Arduino LLC： https：//www.arduino.cc/.

作者：李迪　陈群贤　陈博洋　黄少强　张振康

温室监控系统设计论文 篇2：

基于WSN与TinyOS技术的智能温室监控系统设计

摘要：构建传统的温室监控系统需要大量的线缆，从而增加了造价，并给维护造成很大的困难。研究用无线传感网络技术实现前端温室信息的采集与远程监控，不但节省了造价，而且系统采用TinyOS技术，可以实现低功耗、高鲁棒性、数据快速传输。研究的系统在温室监控中有一定的实际应用价值。

关键词：WSN；TinyOS；节点；低功耗；农业生产；智能温室

我国是一个农业大国，提高农作物产量对我国经济发展尤为重要。温室种植是我国现代化农业生产的重要手段之一，也是信息化農业生产的重要组成部分。利用先进的信息技术可以不受自然环境、季节等因素的制约而生产出高质量、反季节的新鲜水果与蔬菜，从而满足人们的需求，创造出更多的利润。传统的温室监控系统在温室内放置大量的传感器，对温室的光、空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度等信息进行采集，而且传感器多采用有线的形式，需要铺设大量的线路，维护难度大。本系统设计的基于无线传感网络（wireless sensor network，WSN）与TinyOS技术的智能温室监控系统，在无线传感器节点设计上采用多传感融合技术采集光、空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度等信息，并通过无线的形式将信息传送到监控终端^[1]。系统设计结构见图1。

1 总体技术架构设计

本系统结合农业实际生产需求，利用设计的无线传感器节点将温室内的光、温度、湿度、二氧化碳等信息进行集中采集，再将信息发送给路由节点。路由节点在这个网络中起到中继的作用，将信息经过多次转发传送给Sink节点^[2]。Sink节点会对信息进行汇总，可以通过3G网络或者Internet网络将信息发送给监控终端。监控终端对前端采集的信息能够进行实时监控，同时监控终端平台配置一台智能分析服务器和数据库服务器。智能分析服务器会对信息进行智能分析，以指导对前端温室环境的控制^[3]。数据库服务器对数据进行储存和管理，可以对指定的传感器进行查询与分析。系统总体技术架构见图2。

同时，系统能够实现这些功能：（1）系统能够对前端采集的数据进行实时监控；（2）系统支持数据查询功能，即当监控人员要求对具体区域的节点进行查询时，能供监控人员使用；（3）系统支持故障检测功能，即当前端某个节点发生损坏时，能够通过节点编号查到节点的具体位置，维护人员可以根据提供的信息快速准确找到损坏节点的位置并更换节点，从而

遥感（remote sensing，RS）是通过某种传感器装置在远距离、不直接接触研究对象的情况下，对目标进行测量、分析并判定目标性质的一门科学和技术^[1]。利用遥感技术获取的数据具有实时性高、覆盖范围广、信息丰富客观等优点，因而被广泛应用于航空、航天、军事侦察、灾害预报、环境监测、资源勘探、土地规划与利用、灾害动态监测、农作物估产、气象预报等诸多军事及民用领域。农业遥感始于1971年美国开展的大面积农作物估产试验，目前在农作物遥感监测、产量估算、长势评估等方面都取得了较好的进展。近年来，我国的农业遥感技术主要体现在农业资源的监测与保护、农作物长势监测和大面积估产、农业气象灾害监测与预测和作物遥感模型等几个方面^[2]。

基于过程的作物生长模拟模型能够定量描述作物生长发育及产量品质形成过程，已经成为现代农业发展的一个重要领域。美国的CERES和荷兰“de Wit”系列模型是作物生长模型的典型代表，并且国内外已经研制了一批作物生长模拟与决策支持系统，同时实现了作物生长各阶段长势的模拟预测和决策支持^[3]。但是，已有的作物生长模型通常是基于单株作物生长发育及产量品质形成过程的模拟，而对于多株或一定范围内作物的生长发育状况的研究相对较少。与此相关的主要体现在宏观上，利用遥感影像实现大面积作物的监测、评估^[4]。实际上，由于影像分辨率、真实地况差异、相关算法效率、人工误差等诸多因素的存在，大面积作物长势分析、种植面积估算等研究具有很大的不确定性和不可靠性，而近年来普及的遥感技术和日益丰富的影像数据为上述问题的解决提供了便利。利用高、中、低等不同层次分辨率的遥感影像可以实现大到区域级、小到单株作物级的监测和评估，为作物长势分析、产量估算及其真实生长模型监控等提供必要的途径。

本研究拟构建一个基于农作物生长发育不同阶段的特征显著的模板数据库，实现农作物从播种到收获各阶段的过程模拟化和模型数据化。通过选取高、中分辨率遥感影像建立不同尺度级别作物的分析、对比、评估，可以满足一定区域内作物估产、作物长势分析、灾害预警等应用需要，实现遥感信息定性、定量、定位一体化快速处理，从而推动数字农业、精细化农业的快速发展。

1 作物长势模板数据库分析

1.1 需求分析

遥感影像是通过安装在遥感平台上的设备对目标物表面摄影或扫描获得的影像。遥感影像具有多平台、多传感器、多波段、多比例尺、多时相等优点，能提供丰富的信息，其特征能够反映地理环境或目标物的质、量和动态信息^[5]。波谱特性、空间特性、时间特性是遥感影像的基本属性。其中，波谱特性指物体发射、反射的电磁波强度，在遥感影像中通常表现为颜色、亮度、阴影等特征信息。空间特性包括成像信息的空间分辨率和投影性质分析，涉及影像空间位置、空间布局以及地物的形状、纹理、图案等特征信息。该特征为从形态学方面识别地物、绘制地图、目标解译以及对图像进行几何纠正、增强处理等提供了重要的依据。时间特性是以一定的周期对地面重复成像，获取多时相遥感影像进行对比分析。遥感影像的多时相性主要表现在地理环境的自然变换过程和地物的节律性变化。由于不同时期太阳辐射、气候、植被等环境因素的变化，不同季节或日期的地物在同波段影像上色调存在差异。

农业生产是人类社会最基本和最重要的生产活动之一，是人类社会生存和发展的基本条件。农作物长势监测能够提供全面、客观、精准的基础数据，尽早对粮食市场进行监控和预测，为农业政策的制定和粮食安全、粮食贸易提供决策依据。利用遥感技术可以实现农作物长势的全程监控，包括作物的苗情、生长状况、变化规律以及自然灾害等情况，也为农作物产量估测、灾害预警等其他研究提供了必要的前提^[6]。目前，农作物长势监测的方法主要包括直接检测方法、同期对比方法、诊断模型以及作物生长过程监测、生长模型方法等。这些方法在一定条件下能够实现特定农作物的长势监测，但也都存在一定的局限性，如物候差异问题、长势与最后产量预测脱节、缺乏定量监测等。

农作物长势模板数据库就是通过分析农作物生长发育各阶段的显著特点和不同阶段关注的核心问题，选取合适尺度的遥感影像并提取重要特征参数，建立长势模板数据库，并根据遥感监测结果进行动态更新，从而为作物长势分析、产量估测、灾害预警提供可靠的数据基础和高效的分析方法。

1.2 构建流程

农作物长势模板数据库构建主要包括RS影像选取、图像特征提取、数据存储、数据更新4个阶段（图1）。

4 总结

农作物长势监测是农业遥感监测和估产的核心部分，其本质是根据作物生长发育各阶段监控作物种植和粮食培育过程中的问题，实时动态地了解作物生长状况，确保作物丰收增产，从而保证国家的粮食安全。本研究提出利用高、中、低分辨率遥感影像建立区域性作物生长发育数据库，结合已有农业数据和历年遥感影像历史数据实现对当前作物种植、长势、估产等若干问题的监控和管理，为农业信息化的实现提供了很好的参考模式。随着遥感技术的发展，大量厘米级分辨率的高分辨遥感影像不断出现并快速更新，可以实现田块级别、单株级别作物长势状况分析，从而为精细化农业发展提供了必要的基础。

参考文献：

[1]李小文. 遥感原理与应用[M]. 北京：科学出版社，2008：1-8.

[2]邢素丽，张广录. 我国农业遥感的应用现状与展望[J]. 农业工程学报，2003，19（6）：174-178.

[3]陈仲新. GEOSS背景下的农业遥感监测[J]. 中国农业资源与区划，2012，33（4）：5-10.

[4]冯学智，肖鹏峰，赵书河，等. 遥感数字图像处理与应用[M]. 北京：商务印书馆，2011：267-274.

[5]陈圣波，孟治国，湛邵斌，等. 遥感影像信息库[M]. 北京：科学出版社，2011：23-35.

[6]刘 慧，汤 亮，张文宇，等. 基于模型的可视化水稻生长系统的构建与实现[J]. 农业工程学报，2009，25（9）：148-154，彩插2.

[7]Mather P M. Computer processing of remotely-sensed images：an introduction[M]. 3rd ed. Chichester：John Wiley & Sons，2004：110-123.

[8]杜根远. 海量遥感图像内容检索关键技术研究[D]. 成都：成都理工大学，2011：46-48.

[9]熊德兰，杜根远.遥感影像模板数据库设计与实现[J]. 现代计算机：上半月版，2012，10（10）：62-65.

[10]蒋 楠，李卫国，杜培军. 雷达遥感在水稻生长监测应用中的研究进展[J]. 江苏农业科学，2011，39（2）：491-493

[11]中国科学院计算机网络信息中心. 地理空间数据云[DB/OL]. [2013-12-01]. http：//www.gscloud.cn/.

[12]柳欽火，辛晓洲. 定量遥感模型、应用及不确定性研究[M]. 北京：科学出版社，2010：52-80.

作者：王亚平 张宝华 董丽荣

温室监控系统设计论文 篇3：

基于树莓派的温室大棚监控系统设计

摘要：该文针对目前传统温室大棚管理落后、自动化低等缺点，结合物联网技术，提出了一种基于树莓派的温室大棚监控系统设计方案。它以树莓派3B作为控制中心，利用温湿度传感器和光照强度传感器实现对温室大棚内环境的监测，通过sql server和java语言实现了对监测数据的存储和GUI界面的开发，并且可以在手动或自动调节模式下控制外部设备以调节温室大棚环境。经测试，系统操作简单、性能稳定，具有一定的应用价值。

关键词：监控系统；物联网；树莓派

1 背景

温室大棚是一种可以为用户提供种植反季节农作物的农业生产设施，而传统农业管理模式下的温室大棚依然存在着管理复杂、技术落后等缺点[1]。通过物联网技术可以提高温室大棚的生产效率、实现温室大棚的高效管理，顺应了当前农业现代化的发展道路。因此，该文提出了使用树莓派3B作为控制模块，结合温湿度检测、光照强度检测，实现了实时监测温室大棚内温湿度大小和光照强度大小，并将数据存储在数据库中，为管理者提供可以查看当前监测数据和控制外部设备的GUI界面，并可以手动或自动控制外部设备以调节当前温室大棚环境的温室大棚监控系统。

2 系统架构

该系统以树莓派3B为核心、主要由数据采集模块和数据分析模块组成。数据采集模块包含温湿度传感器和光照强度传感器。温湿度传感器用于采集温室大棚内温湿度数据、光照强度传感器用于采集温室大棚内光照强度，数据分析模块将采集的数据存储在数据库中，为管理者提供GUI界面，并通过向外部设备发出控制信号，以实现对外部设备的控制。该设计的系统架构图如下图1所示。

3 系统功能实现

3.1 数据采集模块

数据采集模块功能为从温室大棚中采集环境数据。温湿度采集使用了DHT11数字型温湿度传感器，测量温度范围：0℃-50℃，误差±2℃，测量湿度范围：20%-90%RH，误差在±5%RH。光照强度采集使用了GY30数字型光强度传感器，测量光强范围：0-65535lx，具有价格低、精度高的特点。传感器均需要通过Zigbee实现自组网，并将从各个大棚中采集到的数据传送至协调器中，然后将协调器中的数据通过串口传送到树莓派中[2]。

3.2 数据分析模块

数据分析模块使用了树莓派3B作为控制模块。树莓派由英国慈善组织“Raspberry Pi 基金会”开发，虽然体积小，但基本具备所有计算机的基本功能。它以SD卡作为内存，拥有USB接口、以太网接口和HDMI输出接口，具有体积小、价格低、功能全、扩展性高和开发简单等优点。

数据分析模块获得数据采集模块的数据后，将数据存储在数据库中。该系统使用了sql server的数据库管理软件，数据库管理软件为我们和物理数据库之间提供了一个桥梁，开发人员不必了解物理数据库中的构造，而直接使用数据库管理软件就可以实现数据的存储和增删改查。数据库中相应数据的存储格式如下表1所示。

数据分析模块还需要为管理者提供GUI界面，实现查看监测数据和对外部设备的控制。该系统的GUI界面通过Java语言开发。Java中GUI界面开发需要依次建立若干层容器和组件，以降低各组件的耦合度。然后通过JDBC即用于执行sql语句的Java API实现与数据库的数据交互，并将从数据库中获取

的数据显示在GUI界面上以便管理者进行查看。管理者还可以选择手动调节模式和自动调节模式。手动调节模式中，管理者可以通过GUI界面发送控制信号。自动调节模式中，如果采集的数据超出用户设定的阈值时就会发送控制信号，外部设备接收到控制信号后就会进行工作，实现对温室大棚内环境的调节。

4 测试与结果

该系统的测试[3]主要通过模拟手动调节模式和自动调节模式下系统能否正常进行工作。在手动调节模式下，通过GUI界面实现了对各个外部设备进行控制。在自动调节模式下，当温度过高时，开启降温设备以降低温度；当温度过低时，启动升温设备以提高温度；当湿度过高时，开启通风设备以降低湿度；当湿度过低时，开启加湿设备以提高湿度；当光照强度过低时，开启日光灯以提高光照强度；当光照强度过高时，关闭日光灯以降低光照强度。经测试，系统工作稳定。

5 结束语

该文给出了一种基于树莓派的温室大棚监控系统设计方案，实现了对温室大棚内的数据采集和分析功能。该系统能将监测的温室大棚环将数据存储在服务器中，管理者可以通过GUI界面查看当前和历史数据，实现对外部设备的控制。并且可以根据管理者的需要使用不同的工作模式。该系统交互界面简洁、易于控制、可扩展程度高、性能稳定，具有一定的应用价值。

参考文献：

[1] 李云强. 基于Arduino的智能温室大棚的控制系统设计[J]. 国外电子测量技术， 2018， 37（5）： 114-118.

[2] 李启东， 马雪芬. 基于ZigBee的大棚温湿度监控系统设计[J]. 南方农机， 2019， 50（1）： 50-51.

[3] 韓力英， 杨宜菩， 王杨， 等. 基于单片机的温室大棚智能监控系统设计[J]. 中国农机化学报， 2016， 37（1）： 65-68， 72.

【通联编辑：谢媛媛】

作者：宋志扬