基于Web的遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡云陽　張智斌　王海瑞

摘要 針對現(xiàn)代溫室監(jiān)控系統(tǒng)時效性差、監(jiān)控環(huán)境因子單一等問題，設(shè)計(jì)了一種基于Web技術(shù)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee的遠(yuǎn)程溫室監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)溫度、二氧化碳濃度、濕度的數(shù)據(jù)采集，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程Web客戶端的實(shí)時顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程Web客戶端對溫室內(nèi)通風(fēng)、灌溉、燈光設(shè)施的調(diào)節(jié)控制，滿足了分散不集中的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境信息監(jiān)控的需求。

關(guān)鍵詞 Web；ZigBee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號 S126；TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）05-328-03

Abstract Aiming at the problems of modern greenhouse monitoring system， such as poor timeliness， and single monitoring environment factors， a remote greenhouse monitoring system based on Web technology and wireless sensor network technology ZigBee was designed， achieving greenhouse environment parameters such as temperature， carbon dioxide concentration， humidity data acquisition. Using Internet to carry out realtime display of the remote Web client， can realize the control of ventilation， irrigation and lighting facilities in greenhouse， meet the needs of modern decentralized agricultural facilities and environmental information monitoring.

Key words Web； ZigBee； Wireless sensor networks； Remote monitoring

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，溫室已經(jīng)由傳統(tǒng)的簡易塑料大棚發(fā)展成為具有人工控制自動化、機(jī)械化程度很高的現(xiàn)代化溫室模式。溫室中的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照以及室內(nèi)的通風(fēng)、灌溉都是影響農(nóng)作物生長的重要環(huán)境參數(shù)，如何對這些重要的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，是目前農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化領(lǐng)域的關(guān)鍵問題和熱點(diǎn)問題之一。監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時性是開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的必須要解決的問題。

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控依然存在著控制技術(shù)智能程度過低的問題，對農(nóng)作物生長環(huán)境的調(diào)控技術(shù)不夠完善，只能簡單地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集顯示和控制，對采集的數(shù)據(jù)分析處理等不夠成熟，同時主要采用C/S模式的監(jiān)控模式存在著用戶使用不便的缺點(diǎn)。針對以上問題，筆者利用Web技術(shù)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee，采用B/S架構(gòu)模式構(gòu)建基于Web的遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲、分析和處理，以及溫室內(nèi)相關(guān)種植設(shè)備的控制，以期達(dá)到大規(guī)模農(nóng)業(yè)溫室分布式遠(yuǎn)程集中監(jiān)控和低投入高產(chǎn)出的目的。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體

1.1 系統(tǒng)總體框架

基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)功能不同劃分為3層，對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理的現(xiàn)場監(jiān)控層，存儲與共享監(jiān)控信息數(shù)據(jù)的Web服務(wù)層，與用戶交互的Web監(jiān)控層，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

在現(xiàn)場監(jiān)控層中主要在室內(nèi)采用大量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，利用ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)自組智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式多點(diǎn)采集。采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳到服務(wù)器端，由服務(wù)器處理后存儲到數(shù)據(jù)庫，同時服務(wù)器將實(shí)時數(shù)據(jù)通過Internet互聯(lián)網(wǎng)發(fā)給Web客戶端，用戶在任何地方通過瀏覽器便可以方便快捷地瀏覽這些監(jiān)控數(shù)據(jù)，用戶也可以在Web頁面上設(shè)置、修改參數(shù)遠(yuǎn)程控制溫室內(nèi)相關(guān)的設(shè)施。系統(tǒng)采用B/S的架構(gòu)模式，改善了傳統(tǒng)C/S模式無法夸平臺的局限性，使得系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活通用，便于系統(tǒng)的升級和維護(hù)。

1.2 基于Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫

整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫主要負(fù)責(zé)實(shí)時數(shù)據(jù)的存儲、讀取和歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)的查詢。一個穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫將對整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行起到重要的作用，在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫建立在Web服務(wù)器端，通過接口程序的調(diào)用，執(zhí)行實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)的接受和存儲?，F(xiàn)場監(jiān)控層的無線傳感節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線模塊通過自組網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)連接，將獲得的實(shí)時數(shù)據(jù)信息實(shí)時發(fā)送到Web服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析和處理，將有效的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫。用戶只要通過瀏覽器便可對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽和對分布在設(shè)施內(nèi)的無線傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

2.1 ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無線雙向通信技術(shù)，擁有低成本、低損耗、時間延遲短、安全性能高、靈活易用等特點(diǎn)，受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。它是由ZigBee聯(lián)盟在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出來的，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)組織定義的，相比于WiFi在技術(shù)上更簡單，2.4 GHz的ZigBee信號強(qiáng)度也比較準(zhǔn)確，網(wǎng)絡(luò)容量大，理論上1個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的容量可達(dá)65 536個，雖然它的數(shù)據(jù)傳輸速度只有250 kpbs，但只對于采集環(huán)境參數(shù)傳感器信息來講能夠提供較高性價比的解決方案。同時ZigBee支持地理定位功能，這對于查找設(shè)備異常故障有非常重要的作用。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有兩種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)浜忘c(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)都至少需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器FDD來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能，一個終端設(shè)備FDD或者RFD，為節(jié)約系統(tǒng)成本該設(shè)計(jì)使用RFD。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般由一個FFD和若干RFD組成，F(xiàn)FD充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能，其他設(shè)備負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)通信。ZigBee采用的自組織網(wǎng)，當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端在彼此的通信范圍內(nèi)，通過自動尋找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如果模塊移動彼此之間的網(wǎng)絡(luò)還會發(fā)生變化，可以通過重新尋找通信對象，再次確定相互聯(lián)絡(luò)，對原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新。ZigBee組網(wǎng)模式見圖2。

2.2 無線傳感節(jié)點(diǎn)

分布在溫室中的監(jiān)控站點(diǎn)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域的瓦斯氣體濃度數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；微控制器模塊控制著整個無線傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，處理該節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)和其他傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的監(jiān)測數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；無線通信模塊負(fù)責(zé)各傳感器節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)、通信、交換控制信息以及收發(fā)采集存儲的信息；電源模塊為整個傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行提供電源，這里采用電池供電。無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)見圖3。

對于微控制器模塊，該研究使用Philips公司開發(fā)的32位低功耗ARM處理器LPC2160，該處理器完全滿足對整個無線傳感器節(jié)點(diǎn)的控制操作，且其較低的功耗對于采用電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)大大延長了電池的使用時間，減少因更換電池帶來的維護(hù)成本。CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案，該ZigBee射頻芯片能夠大大提高節(jié)點(diǎn)的性能，滿足ZigBee技術(shù)的2.4 GHz ISM波段的應(yīng)用，具有低成本、低功耗的特點(diǎn)。

2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化傳感器節(jié)點(diǎn)、進(jìn)行環(huán)境參數(shù)采集與其他傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器通信。通電后先對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化操作，然后搜索附近協(xié)調(diào)器FFD組建的網(wǎng)絡(luò)，若附近找到協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)則加入網(wǎng)絡(luò)，若沒有找到協(xié)調(diào)器則將自身設(shè)為協(xié)調(diào)器FFD等待其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，開始采集氣體濃度數(shù)據(jù)并及時上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在傳給PC機(jī)，保證將監(jiān)測信息及時發(fā)送到Web服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫。協(xié)調(diào)器將定時檢測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)立刻將故障信息發(fā)送給PC機(jī)，同時協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會向區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令。傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程見圖4。

3 基于Web的遠(yuǎn)程溫室監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 基于Ajax技術(shù)的Web數(shù)據(jù)交互

Ajax（Asynchronous JavaScript and XML）由Adptive path的顧問Jesse James Garrett首先提出，是一種創(chuàng)建異步通信交互式網(wǎng)頁的Web技術(shù)，其核心是JavaScript對象XMLHttpRequest，是一種創(chuàng)建異步請求的技術(shù)。XMLHttpRequest可以使用JavaScript 向服務(wù)器提出請求并處理響應(yīng)，同時不會阻塞用戶。 傳統(tǒng)的Web應(yīng)用用戶在提交表單（form）時，Web服務(wù)器會接受并處理用戶提交的表單，然后向?yàn)g覽器返回一個新的網(wǎng)頁。這種請求數(shù)據(jù)的方式會浪費(fèi)很多資源，因?yàn)榍昂髢蓚€頁面中的大部分Html代碼往往是相同的。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，Web頁面切換、顯示實(shí)時數(shù)據(jù)時，如果采用傳統(tǒng)交互模式則會出現(xiàn)頁面不斷的刷新閃爍，Web頁面加載緩慢影響系統(tǒng)的體驗(yàn)效果。

Ajax引擎通過客戶端腳本JavaScript調(diào)用XMLHttpRequest對象，產(chǎn)生Http請求不需要等待服務(wù)器響應(yīng)，服務(wù)器將向Web客戶端傳回XML格式數(shù)據(jù)，利用JavaScript DOM編程操作Html頁面實(shí)現(xiàn)Web頁面的動態(tài)局部刷新，應(yīng)用模型如圖5所示。這種方法能減少對服務(wù)器的冗余請求以及響應(yīng)，減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，同時降低了帶寬資源的浪費(fèi)，給用戶帶來良好的體驗(yàn)。

3.2 監(jiān)控數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示

系統(tǒng)是采用基于Web技術(shù)的B/S結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)是實(shí)時性要求較高的Web應(yīng)用。數(shù)據(jù)動態(tài)顯示要求頁面不斷地刷新更新數(shù)據(jù)，它的實(shí)時性就是要求頻繁地更新客戶端的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中采用C#編程語言利用asp.Net中的Ajax控件，來解決實(shí)時數(shù)據(jù)顯示部分的局部刷新Ajax技術(shù)的應(yīng)用，能夠避免開發(fā)者進(jìn)行復(fù)雜的客戶端腳本編寫，只需要在頁面上進(jìn)行控件的操作就可以實(shí)現(xiàn)局部刷新。Web 頁面采用 Ajax中的 Timer控件設(shè)置定時局部周期性的更新，將實(shí)現(xiàn)局部更新的區(qū)域放置在 UpdataPanel 控件中， 然后通過Script Manager 控件制定需要執(zhí)行的腳本就可以進(jìn)行局部更新。

3.3 溫室設(shè)備的遠(yuǎn)程控制 設(shè)備的遠(yuǎn)程控制也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，也是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中控制的一個具體的體現(xiàn)。設(shè)備的控制指令主要通過建立套接字socket（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)發(fā)送，用戶在Web客戶端對設(shè)備控制參數(shù)修改時，客戶端發(fā)出的指令由指定的端口發(fā)送給Web服務(wù)器端，服務(wù)器將控制指令存入實(shí)時數(shù)據(jù)庫，通過控制服務(wù)器的串口發(fā)給與設(shè)備相連的無線傳感節(jié)點(diǎn)中的微控制器，控制指令執(zhí)行完成后并向服務(wù)器返回控制信息，并將數(shù)據(jù)庫中與設(shè)備相關(guān)的狀態(tài)信息進(jìn)行更新。

4 結(jié)語

基于Web的遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)，利用Web技術(shù)與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合充分的發(fā)揮Internet的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)時環(huán)境數(shù)據(jù)的采集及顯示、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時控制的功能。系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)溫室中影響農(nóng)作物生長的各環(huán)境要素的智能監(jiān)控，節(jié)約了溫室管理者的勞動成本，為管理者提供了更加便利、準(zhǔn)確、智能的管理工具。

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