溫室遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究

王秀清，劉 青，趙繼民，楊世鳳，李 煜

(天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222)

作物聲發(fā)射的產(chǎn)生是作物對水分狀況和病害較敏感的響應(yīng)，能夠為溫室調(diào)控提供重要的依據(jù)[1–3]．隨著互聯(lián)網(wǎng)＋時代的到來，溫室監(jiān)測技術(shù)正向著網(wǎng)絡(luò)化、信息化方向發(fā)展．無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為人們提供了一種全新的信息獲取和處理方式，其在溫室中的應(yīng)用有利于提高溫室的自動化程度和現(xiàn)代管理水平，在農(nóng)作物生長監(jiān)測中發(fā)揮重要作用[4–5]．

當前的溫室監(jiān)測大多側(cè)重于環(huán)境因子，而對作物生理信息進行監(jiān)測的研究較少；同時，對聲發(fā)射信號無線傳輸方面的研究應(yīng)用也不多[6–7]．若能更好地解決聲發(fā)射信號的無線傳輸問題，會為設(shè)施農(nóng)業(yè)管理提供極大便利．本文據(jù)此構(gòu)建了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，完成對溫室環(huán)境參數(shù)和作物病害脅迫下的聲發(fā)射信號的采集和傳輸，利用Apache＋PHP＋MySQL組合搭建遠程監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了對溫室的遠程監(jiān)測．

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于 B/S和 C/S混合型架構(gòu)設(shè)計的溫室遠程監(jiān)測系統(tǒng)如圖 1所示．底層為無線傳感采集網(wǎng)絡(luò)和LabVIEW組成的C/S架構(gòu)，在C/S模式下，無線傳感網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集的溫度、濕度、CO2濃度、光照強度等環(huán)境因子和作物病害脅迫下聲發(fā)射信息傳輸給上位機；上位機溫室監(jiān)測系統(tǒng)以 LabVIEW 為軟件平臺搭建，對實時的溫室信息進行采集處理，并與MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器交互存儲溫室數(shù)據(jù)信息．上層為 Web服務(wù)器構(gòu)成的 B/S架構(gòu)網(wǎng)站，中間由數(shù)據(jù)庫實現(xiàn) 2層的數(shù)據(jù)共享．B/S模式利用 Apache作為服務(wù)器供 Web應(yīng)用端調(diào)用采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)庫中的溫室信息發(fā)布到遠程瀏覽器中．用戶通過瀏覽器登錄網(wǎng)站，查詢溫室信息．

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig. 1 Architecture diagram of the system

2 數(shù)據(jù)采集及傳輸

2.1 環(huán)境因子監(jiān)測

溫室環(huán)境監(jiān)測因子主要有溫度、濕度、CO2濃度和光照強度等，采用基于 ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行溫室環(huán)境參數(shù)采集和傳輸．無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點，采用模塊化設(shè)計，各個節(jié)點采用 ATmega8單片機作為處理器模塊完成A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)預(yù)處理等功能，采用 SZ05無線通信模塊完成信息的無線傳輸和交換．

針對溫室監(jiān)測環(huán)境，系統(tǒng)通過多個終端傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點構(gòu)建樹型網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多路信號的無線傳輸．網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點在無線網(wǎng)絡(luò)中負責整個網(wǎng)絡(luò)的組建工作，完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，并通過串口和計算機連接．傳感器節(jié)點預(yù)先布置在溫室指定的監(jiān)測點上，定時將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)路由節(jié)點傳送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點，同時接收并響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點的命令．

2.2 作物聲發(fā)射監(jiān)測

傳統(tǒng)的作物病害識別與分類主要采取人眼觀察的方式，具有耗時、費力、預(yù)報滯后的缺點[8]．研究發(fā)現(xiàn)健康番茄植株每日的聲發(fā)射信號是按照一定的生理周期規(guī)律發(fā)生的，病害脅迫下的植株會發(fā)生畸變[3]．對植株進行連續(xù)監(jiān)測，可觀察不同時間聲發(fā)射情況，從中探尋番茄在病害脅迫下聲發(fā)射事件發(fā)生規(guī)律，用于病害診斷和制定防治策略，對溫室調(diào)控有著積極作用．

圖 2(a)是應(yīng)用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)以番茄為對象檢測到的一個聲發(fā)射事件的信號波形．從時域圖可以看出番茄聲發(fā)射信號是突發(fā)型聲發(fā)射信號，持續(xù)時間為微秒級，呈衰減形式．通過對信號進行快速傅里葉變換后得到了圖 2(b)所示的頻域波形圖，從頻率分布中可以得出該信號的峰值頻率[9]為 159,kHz．其特征值提取結(jié)果見表1．

圖2 聲發(fā)射信號波形Fig. 2 Waveform of acoustic emission signal

表1 特征參數(shù)提取結(jié)果Tab. 1 Calculation results of characteristic parameters

以一株生長期的番茄為監(jiān)測對象，進行了8,d的連續(xù)監(jiān)測，得到 416次聲發(fā)射事件．各種聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號形態(tài)各異，強度不等，有很寬的頻率范圍．結(jié)合本實驗所采集到的番茄病害脅迫下的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，番茄病害脅迫下的聲發(fā)射信號特征參數(shù)主要范圍見表2．

通過分析聲發(fā)射信號的主要特征參數(shù)可以了解聲發(fā)射信號發(fā)生規(guī)律．為了將聲發(fā)射信號通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸，并提高傳輸效率，可提取聲發(fā)射信號波形的主要特征參數(shù)并傳輸，接收端通過多項式插值法模擬得到信號波形．圖 3是根據(jù)圖 2所示聲發(fā)射信號的特征值恢復(fù)得到波形與原波形的對比．從圖3中可以看出，該方法可以較好地恢復(fù)聲發(fā)射信號的波形，并且通過特征提取運算得到的特征值一致．

表2 番茄病害脅迫下聲發(fā)射信號特征參數(shù)的主要范圍Tab. 2 The main range of characteristic parameters of acoustic emission signals under tomato disease stress

圖3 波形恢復(fù)信號和原波形對比Fig. 3 Comparison of waveform recovery signal and original waveform

考慮到作物受病害脅迫時的聲發(fā)射信號特點，本系統(tǒng)采用 TMS320F28335設(shè)計了作物聲發(fā)射采集處理系統(tǒng)，將聲發(fā)射傳感器固定在被檢測植株上，采集的聲發(fā)射信號經(jīng)過放大處理后，通過 DSP進行濾波和特征值提取，并進行特征值存儲和傳輸，傳輸至上位機進行存儲和統(tǒng)計分析．

3 上位機監(jiān)測平臺

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲

溫室遠程監(jiān)測系統(tǒng)需要存儲大量溫室環(huán)境參數(shù)，可進行歷史數(shù)據(jù)的查詢和分析處理；系統(tǒng)中要包含作物病害的有關(guān)資料信息，以供用戶查詢．

選取 MySQL作為數(shù)據(jù)庫，存儲相關(guān)數(shù)據(jù)．根據(jù)系統(tǒng)需求，在數(shù)據(jù)庫中建立了用戶信息表、監(jiān)測參數(shù)表、管理員表、農(nóng)作物種類表和病害信息表．其中，監(jiān)測參數(shù)表用于存儲現(xiàn)場采集的環(huán)境因子和聲發(fā)射時頻次信息．根據(jù)硬件采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式，在MySQL數(shù)據(jù)庫中設(shè)計了監(jiān)測參數(shù)表，用來記錄時間、溫度、濕度、光照強度、CO2濃度和聲發(fā)射時頻次數(shù)值．數(shù)據(jù)類型均為 Varchar型，長度為 255，不允許為空．

上位機監(jiān)測軟件[10]基于 LabVIEW 平臺開發(fā)．LabVIEW提供了多種與數(shù)據(jù)庫連接的方法，這里選取 NI公司的附加數(shù)據(jù)庫接口工具包 LabVIEW SQL Toolkit進行數(shù)據(jù)庫訪問．在 LabVIEW 訪問MySQL過程中，需要將監(jiān)測參數(shù)寫入預(yù)先設(shè)計好的數(shù)據(jù)庫表格中，并且每個參數(shù)都要有數(shù)值及對應(yīng)時間．因此，需要在 LabVIEW 中編寫一個循環(huán)寫入程序，將采集的數(shù)值寫入MySQL中．

3.2 PHP訪問數(shù)據(jù)庫

對于不同的Web編程技術(shù)，其搭配的Web服務(wù)器軟件是不同的．本文采用 Apache＋PHP搭配的Web服務(wù)器與編程技術(shù)，主要完成數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與Web服務(wù)器的交互，實現(xiàn)瀏覽器客戶端動態(tài)頁面的操作．

通常 PHP與 MySQL的交互方式有 2種：通過mysqli函數(shù)和PDO(PHP data object)類庫．根據(jù)系統(tǒng)的需要，采用 mysqli函數(shù)連接方式實現(xiàn) Web應(yīng)用程序與MySQL數(shù)據(jù)庫交互．

4 遠程監(jiān)測

溫室遠程監(jiān)測系統(tǒng)的主界面如圖 4所示．遠程監(jiān)測系統(tǒng)主要分為前臺用戶頁面和后臺管理頁面．用戶頁面以曲線和表單方式實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，并擁有用戶注冊登錄、數(shù)據(jù)查詢、病害查詢、在線咨詢等功能．后臺管理頁面用于管理數(shù)據(jù)庫表中數(shù)據(jù)，主要實現(xiàn)典型病害特征的插入、刪除管理．

圖4 遠程溫室監(jiān)測平臺Fig. 4 Remote greenhouse monitoring platform

(1)參數(shù)查詢模塊．該模塊以 Ajax的方式與Web服務(wù)器交互，通過 Ajax技術(shù)，用戶可根據(jù)需求僅刷新局部頁面，查看最新的溫室數(shù)據(jù)，從而減少了界面響應(yīng)時間，提高了用戶操作體驗．

(2)監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線模塊．該模塊采用 Highcharts技術(shù)，通過調(diào)用 CURDATE()函數(shù)查詢出目前采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)上位機軟件采集數(shù)據(jù)的情況確定顯示的時間間隔．圖5為實時監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖．

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖Fig. 5 Curves of monitoring data

(3)歷史數(shù)據(jù)查詢模塊．該模塊以具體表單的方式呈現(xiàn)在用戶面前，用戶通過輸入查詢?nèi)掌讷@取歷史數(shù)據(jù)．

(4)病害查詢模塊．該模塊的目的在于為用戶解決作物病害問題．當用戶輸入關(guān)鍵字查詢時，PHP利用 SQL語句查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，Web服務(wù)器調(diào)用數(shù)據(jù)庫中匹配的數(shù)據(jù)返回 HTML頁面，以表格形式顯示出用戶可能需要的病害數(shù)據(jù)．

5 結(jié) 語

本文綜合考慮環(huán)境參數(shù)和作物病害聲發(fā)射信號，設(shè)計了溫室遠程監(jiān)測系統(tǒng)，可獲取溫室環(huán)境參數(shù)和植株的聲發(fā)射信息．并以番茄為例，對番茄病害脅迫下的聲發(fā)射信號進行監(jiān)測，對聲發(fā)射信號的特征值進行提取分析和傳輸，提高了聲發(fā)射信號的傳輸效率，利用聲發(fā)射信號進行作物病害程度評價，可更好地進行遠程監(jiān)測和管理．基于LabVIEW平臺開發(fā)上位機軟件，在滿足現(xiàn)場監(jiān)測需要的同時，通過連接互聯(lián)網(wǎng)即可使用戶通過瀏覽器對溫室進行監(jiān)測．遠程監(jiān)測平臺利用 Ajax、Highcharts等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高了用戶體驗，可在多個操作系統(tǒng)平臺下運行，具有較好的可移植性．

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