農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

馮永祥++邢水紅

摘要：隨著控制技術(shù)、Internet的飛速發(fā)展，智能化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。針對我國農(nóng)業(yè)信息化落后，設(shè)施農(nóng)業(yè)起步較低的現(xiàn)狀，本文將信息技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)大棚中，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，從而及時準確的了解、控制大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，以保障大棚內(nèi)作物生長所需要的溫度、濕度、光照等條件，并智能化遠程監(jiān)控農(nóng)業(yè)大棚作物生長，對提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率具有重大的社會意義和較高的經(jīng)濟價值，進而達到農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)作物產(chǎn)量增加和人力資源勞動投入減少的目的。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)大棚；環(huán)境參數(shù)；遠程監(jiān)控

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）20-0261-03

Abstract：With the rapid development of control technology， Internet， intelligent control technology is widely used in agricultural production.Agricultural informationization in China， facility agriculture started lower status quo， this paper will be introduced to the information technology in agricultural greenhouses， realize the design of the remote monitoring system of agricultural greenhouse environment， so as to timely and accurate understanding， within the control of greenhouse environment parameters， in order to ensure inside the greenhouse crop growth required conditions such as temperature， humidity， illumination， and intelligent remote monitoring agricultural greenhouse crop growth， to improve the production efficiency of agriculture has important social meaning and high economic value， thus achieve agricultural greenhouses in crop yield increase and labor input to reduce the purpose of human resources.

Keywords：Agricultural greenhouses；Environmental parameters；Remote monitoring

我國是農(nóng)業(yè)大國，大棚種植雖然已成為我國一些農(nóng)村的重要支柱型產(chǎn)業(yè)，大棚種植能為低溫季節(jié)喜溫蔬菜、花卉等作物提供生育期和增加產(chǎn)量，但對環(huán)境溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等要求很高。大棚種植的人力投入太多，其中對于反季節(jié)蔬菜的管理，更是要求全天候值守管理，如何降低投資，增值創(chuàng)收已成為當(dāng)前農(nóng)戶的迫切需求。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)將計算機、通信等信息技術(shù)引入到本領(lǐng)域中，定量獲取、分析環(huán)境參數(shù)和對農(nóng)業(yè)目標(biāo)進行實時自動監(jiān)測，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個基本要求。故將信息技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)大棚，及時準確的了解大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，以保障大棚內(nèi)農(nóng)作物生長所需要的環(huán)境條件[1～3]。

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展不僅促進了社會發(fā)展，便利了人們的日常生活，同時給農(nóng)業(yè)的信息化生產(chǎn)帶來了新的機遇，也給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚基本環(huán)境的監(jiān)控帶來了新的策略，即通過互聯(lián)網(wǎng)對大棚進行遠程監(jiān)控。對提高農(nóng)作物產(chǎn)量、合理分布農(nóng)業(yè)資源、改善生態(tài)環(huán)境、提高生產(chǎn)效率及降低生產(chǎn)成本等方面有積極的作用。

1 相關(guān)理論及技術(shù)

本文采用SSH進行開發(fā)設(shè)計，SSH為Struts+Spring+Hibernate的一個集成框架，考慮到瀏覽器端對數(shù)據(jù)庫的操作，利用Hibernate持久化框架來操縱數(shù)據(jù)庫。集成SSH框架的系統(tǒng)從職責(zé)上分為四層：表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)持久層和域模塊層，以幫助開發(fā)人員在短期內(nèi)搭建結(jié)構(gòu)清晰、可復(fù)用性好、維護方便的Web應(yīng)用程序。其中使用Struts作為系統(tǒng)的整體基礎(chǔ)架構(gòu)，負責(zé)MVC的分離，在Struts框架的模型部分，控制業(yè)務(wù)跳轉(zhuǎn)，利用Hibernate框架對持久層提供支持，Spring做管理，管理Struts和Hibernate[4，5]。

本文采用上述開發(fā)模型，不僅實現(xiàn)了視圖、控制器與模型的徹底分離，而且還實現(xiàn)了業(yè)務(wù)邏輯層與持久層的分離。這樣無論前端如何變化，模型層只需很少的改動，并且數(shù)據(jù)庫的變化也不會對前端有所影響，大大提高了系統(tǒng)的可復(fù)用性，而且由于不同層之間耦合度小，有利于并行工作，大大提高了開發(fā)效率。

2 可行性分析

進行可行性研究可以讓開發(fā)人員在最短的時間付出最小的代價來確定問題能否解決，進行可行性研究一般情況下需要從理論可行性、技術(shù)可行性、經(jīng)濟可行性、操作可行性四個方面展開研究。

2.1 理論可行性

目前，已經(jīng)形成了一套比較完備的理論體系支持農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)的理論體系發(fā)展速度非?？欤瑫r，軟件的計算架構(gòu)是“服務(wù)器+客戶端”。

2.2技術(shù)可行性

技術(shù)可行性主要是針對系統(tǒng)開發(fā)中需要解決的問題，使用目前的技術(shù)手段能否解決，解決這些問題需要花費時間和費用代價。本文采用Java語言，Eclipse開發(fā)工具，MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計并實現(xiàn)其功能，可以提高開發(fā)效率，還易于系統(tǒng)的維護及擴展。

2.3經(jīng)濟可行性

經(jīng)濟可行性主要是確定軟件開發(fā)后的經(jīng)濟效益能否超過它的開發(fā)成本，這就需要對軟件的投資情況認真分析，以及預(yù)測實際應(yīng)用后軟件所能帶來的效益進行綜合的分析對比。經(jīng)濟可行需要軟件投產(chǎn)后的效益大于投資開發(fā)軟件的資金。

2.4操作可行性

在系統(tǒng)開發(fā)方面具有一定的開發(fā)經(jīng)驗，并對此系統(tǒng)具有成熟的開發(fā)理念，技術(shù)上保持先進性，能夠合理完成責(zé)任內(nèi)的工作任務(wù)。本文采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)和人性化設(shè)計，界面易用，使得系統(tǒng)操作起來簡單、快捷、方便、易學(xué)，極大提高了操作的可行性。

3 農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 設(shè)計目標(biāo)

大棚種植的人力投入太多，如何降低投資，增值創(chuàng)收已成為當(dāng)前農(nóng)戶的迫切需求。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平落后，機械化程度低。農(nóng)業(yè)一直是我國國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，為我國經(jīng)濟的發(fā)展和社會的穩(wěn)定提供了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。近幾年來，利用物聯(lián)網(wǎng)科學(xué)技術(shù)和自動控制技術(shù)來提高農(nóng)業(yè)大棚的自動化控制水平，達到農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)作物產(chǎn)量增加和人力資源勞動投入減少的目的。隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展不僅促進了社會發(fā)展，便利了人們的日常生活，同時給農(nóng)業(yè)的信息化生產(chǎn)帶來了新的機遇，也給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚基本環(huán)境的監(jiān)控帶來了新的策略，即通過互聯(lián)網(wǎng)對大棚進行遠程監(jiān)控。對提高農(nóng)作物產(chǎn)量、合理分布農(nóng)業(yè)資源、改善生態(tài)環(huán)境、提高生產(chǎn)效率及降低生產(chǎn)成本等方面有積極的作用。

3.2系統(tǒng)概述

3.2.1需求分析概述

通過調(diào)查農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠程監(jiān)控的情況，結(jié)合系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)，該系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能需求：

1）基本需求：該系統(tǒng)基本全面涉及農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠程監(jiān)控范圍，其中包括：采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)等日常監(jiān)控工作，要求各功能模塊操作方便、快捷、實用。

2）系統(tǒng)輸入：通過使用該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)信息進行監(jiān)控，包括對用戶管理、大棚管理等信息進行輸入、修改以及刪除。

3）系統(tǒng)輸出：該系統(tǒng)可根據(jù)用戶具有的相應(yīng)權(quán)限，根據(jù)查詢條件對數(shù)據(jù)進行查詢和篩選操作。

3.2.2設(shè)計原則

結(jié)合用戶需求，充分考慮系統(tǒng)后期的實施、維護等問題，在進行系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則：

1）面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模式。系統(tǒng)設(shè)計完全采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模式，將對象的某些特征封裝起來，將現(xiàn)實業(yè)務(wù)抽取為更加符合實際業(yè)務(wù)的軟件模型，降低業(yè)務(wù)場景的復(fù)雜性。

2）面向服務(wù)的體系架構(gòu)。通過將程序中的不同功能單元使用接口連接起來，而接口的定義不受平臺或操作系統(tǒng)的限制，實現(xiàn)服務(wù)之間的松耦合，降低程序變更帶來的成本。

3）模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計時，把代碼組裝成不同功能的模塊，完成整個系統(tǒng)所要求的業(yè)務(wù)操作，通過互相調(diào)用來達到求解的目的，同時以較小的代價完成系統(tǒng)的維護與升級。

4）業(yè)務(wù)完整性。保證系統(tǒng)功能涵蓋了用戶的整體業(yè)務(wù)，能夠適應(yīng)不同角色、不同場景的業(yè)務(wù)需求。

5）系統(tǒng)實用性。切實解決用戶在工作中的問題，符合用戶的工作習(xí)慣，通過使用系統(tǒng)，用戶不僅能夠完成日常工作，還能提高工作效率。

6）系統(tǒng)可維護性。系統(tǒng)操作簡單，實用性高，具有易操作、易維護的特點。

3.3系統(tǒng)總體分析與設(shè)計

系統(tǒng)分析，根據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

1）采集控制終端：負責(zé)采集大棚監(jiān)測點環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光照、CO2濃度等各項參數(shù)情況。

2）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)：通過Internet將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器；分析環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶設(shè)定自動向采集控制終端下發(fā)環(huán)境調(diào)節(jié)指令，當(dāng)達到環(huán)境參數(shù)預(yù)警值時，進行報警；接收并轉(zhuǎn)發(fā)遠程監(jiān)控終端所下發(fā)的指令。

3）數(shù)據(jù)處理服務(wù)器：接收數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)遠程監(jiān)控終端的瀏覽器請求或客戶端程序請求，為遠程監(jiān)控終端提供歷史和實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢，實時接收和轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)指令及對采集控制終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)設(shè)置指令。

4）PC遠程監(jiān)控和手機遠程監(jiān)控：可以通過瀏覽器向數(shù)據(jù)處理服務(wù)器請求歷史和實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，向數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)及采集控制終端發(fā)送指令。

3.4系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊如圖2所示：

1）信息管理模塊：

用戶信息管理是規(guī)定用戶使用權(quán)限，不同用戶提供不同的操作權(quán)限，非用戶不能登錄系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全。公告信息為用戶建立一個電子公告欄。使用戶可以通過公告欄發(fā)布通知、通告和消息。所有用戶都可隨時瀏覽公告欄。為保證公告的嚴肅性，不允許用戶隨意發(fā)布信息。

2）大棚管理模塊：

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點可以收集本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有傳感器發(fā)送來的采集數(shù)據(jù)，可以獨立向服務(wù)器發(fā)送和接收服務(wù)器數(shù)據(jù)，所以應(yīng)該具有一個獨立的IP地址。大棚管理是顯示各個大棚的信息，包括不同地方不同地點的大棚相關(guān)信息，比如呼和浩特市金川開發(fā)區(qū)01號大棚的信息，都會顯示出來的。

3）數(shù)據(jù)中心模塊：

系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)信息以實時數(shù)據(jù)顯示給用戶，并根據(jù)需要按照環(huán)境參數(shù)和采集時間的變化以曲線的形式展示出來，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)可以了解大棚環(huán)境參數(shù)的周期性變化規(guī)律，為農(nóng)作物生長環(huán)境優(yōu)化方案的調(diào)整提供了完備的數(shù)據(jù)支撐。便于對農(nóng)業(yè)大棚運轉(zhuǎn)情況進行分析做出改進，提高農(nóng)業(yè)大棚的生產(chǎn)效率。

4）控制中心模塊：

遠程控制主要有接收數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用HTTP協(xié)議。接收WEB客戶端請求來控制采集控制終端。發(fā)送WEB客戶端給數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)間接控制采集控制終端。模糊控制是利用模糊控制算法對大棚環(huán)境參數(shù)進行控制。在監(jiān)測時如發(fā)現(xiàn)有監(jiān)測結(jié)果超出設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警提醒工作人員。

4 結(jié)語

本文主要針對實際情況，來研究與設(shè)計農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)，采用框架模式克服了傳統(tǒng)模式管理系統(tǒng)軟硬件資源共享性差、運算速度慢、設(shè)備成本高等弱點。雖然本文農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案還不夠成熟，但是也為以后進一步研究和開發(fā)提供了一定的參考價值，為今后的研究帶來新的研究方向。

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