Web環(huán)境下的北方溫室參數(shù)數(shù)據(jù)采集軟件監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘 要：隨著現(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工種植和管理監(jiān)控方式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展速度，必須采用遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行農(nóng)業(yè)的智能控制。本文主要研究針對(duì)北方溫室大棚溫濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一種采集和處理軟件系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳送和顯示。由于涉及硬件部分的操作，本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言和單片機(jī)進(jìn)行下位機(jī)數(shù)據(jù)采集界面設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送顯示利用上位機(jī)Web發(fā)布方法和Internet技術(shù)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)界面簡(jiǎn)單清晰、穩(wěn)定性好，可以在北方溫室大棚種植中進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Web；監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP273.5

目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和技術(shù)的提高，已經(jīng)將農(nóng)業(yè)向智能化、自動(dòng)化方向推進(jìn)，而溫室大棚作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的精細(xì)農(nóng)業(yè)種植在這方面的要求更高，利用現(xiàn)有的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合技術(shù)對(duì)溫室大棚環(huán)境進(jìn)行的實(shí)時(shí)檢測(cè)和對(duì)大棚設(shè)備的遠(yuǎn)程控制顯得十分重要，這將直接關(guān)系到農(nóng)作物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和質(zhì)量，對(duì)基本農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大借鑒意義[1]。

網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展應(yīng)用體現(xiàn)了它在信息技術(shù)領(lǐng)域的重要作用，基于Web的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅方便了人們對(duì)溫室大棚的監(jiān)管和控制，還是一種重要的農(nóng)業(yè)科研平臺(tái)。所以說(shuō)，基于Web的北方溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究是很有必要的。同時(shí)利用現(xiàn)有的Internet網(wǎng)絡(luò)省去了通信線路的鋪設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室大棚的遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)總體方案研究

基于Web的北方溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)屬于軟件學(xué)科的范疇，而其它硬件部分的設(shè)計(jì)還涉及電子學(xué)科和機(jī)械運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的問(wèn)題。將各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)，使各部分之間相互作用和配合，才能設(shè)計(jì)出一套穩(wěn)定運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)。

在該系統(tǒng)當(dāng)中，需要采集、傳送和顯示的數(shù)據(jù)信息主要包括溫室大棚溫度、濕度、光照強(qiáng)度、卷簾位置等，主要涉及Web服務(wù)器發(fā)布方案和動(dòng)態(tài)域名解析實(shí)現(xiàn)方案的選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)信息網(wǎng)頁(yè)發(fā)布、在網(wǎng)頁(yè)中控制卷簾電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及網(wǎng)頁(yè)的跨網(wǎng)段訪問(wèn)等。

1.1 Web發(fā)布方案選擇

Web服務(wù)器發(fā)布方案選擇嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布。這種方案可以將數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)頁(yè)發(fā)布合二為一，由一塊單片機(jī)芯片完成，將網(wǎng)頁(yè)直接嵌入到單片機(jī)設(shè)備當(dāng)中，也是對(duì)當(dāng)今流行的“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)的進(jìn)一步詮釋。所以該系統(tǒng)采用嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)發(fā)布。嵌入式Web服務(wù)器就是在嵌入式設(shè)備上（如單片機(jī)、路由器）運(yùn)行一個(gè)支持腳本或CGI功能的Web服務(wù)器，能夠生成動(dòng)態(tài)的頁(yè)面，用戶端只需要通過(guò)瀏覽器就可以對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理，使用起來(lái)非常方便。人們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降穆酚善鞯脑O(shè)置界面，就是運(yùn)行在嵌入式Web服務(wù)器當(dāng)中的[2]。

嵌入式Web服務(wù)器所處理的數(shù)據(jù)量是非常大的，只有高速的單片機(jī)才能勝任，傳統(tǒng)的51單片機(jī)速度慢，已經(jīng)滿足不了嵌入式Web服務(wù)器的需求?？梢赃x用宏晶科技（STC）有限公司生產(chǎn)的基于新一代高速51單片機(jī)為主控芯片，它的串行口連接數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室各種物理量的采集。該單片機(jī)可外接以太網(wǎng)模塊，以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接，完成Web發(fā)布功能。

1.2 動(dòng)態(tài)域名解析方案確定

花生殼動(dòng)態(tài)域名解析（DDNS）在電力行業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用比較廣泛，使用花生殼動(dòng)態(tài)域名解析，輸入該溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的Web界面的域名，就能很方便的解析到該系統(tǒng)的服務(wù)器端。動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)，簡(jiǎn)稱DDNS（Dynamic Domain Name Server），是將用戶的動(dòng)態(tài)IP地址映射到一個(gè)固定的域名解析服務(wù)上，用戶每次連接網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，客戶端程序就會(huì)通過(guò)信息傳遞把該主機(jī)的動(dòng)態(tài)IP地址傳送給位于服務(wù)商主機(jī)上的服務(wù)器程序，服務(wù)程序負(fù)責(zé)提供DNS服務(wù)并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)域名解析。就是說(shuō)DDNS捕獲用戶每次變化的IP地址，然后將其與域名相對(duì)應(yīng)，這樣域名就可以始終解析到非固定IP的服務(wù)器上，互聯(lián)網(wǎng)用戶通過(guò)本地的域名服務(wù)器獲得網(wǎng)站域名的IP地址，從而可以訪問(wèn)網(wǎng)站的服務(wù)[3]

花生殼是一套完全免費(fèi)的動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)客戶端軟件。當(dāng)安裝并注冊(cè)該項(xiàng)服務(wù)，無(wú)論您在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間、使用任何線路，均可利用這一服務(wù)建立擁有固定域名和最大自主權(quán)的互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)。花生殼支持的線路包括普通電話線、ISDN、ADSL、有線電視網(wǎng)絡(luò)、雙絞線到戶的寬帶網(wǎng)和其它任何能夠提供互聯(lián)網(wǎng)真實(shí)IP的接入服務(wù)線路。而無(wú)論連接獲得的IP屬于動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)，對(duì)于使用動(dòng)態(tài)IP接入的用戶而言，您可以利用花生殼在辦公室或家庭建立擁有固定域名的互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)研究

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括溫濕度采集模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)串行口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和TCP/IP協(xié)議下位機(jī)算法。

單片機(jī)串行口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)是采用12C5A60S2單片機(jī)，兩個(gè)串口可用，由于代碼相對(duì)簡(jiǎn)單，所以不進(jìn)行代碼羅列，主要包括對(duì)串口2的的初始化、發(fā)送和接收函數(shù)。而網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)部分主要至初始化完成相關(guān)工作模式的寄存器設(shè)置，分配和初始化接收和發(fā)送緩沖區(qū)，初始化網(wǎng)卡接收地址。步驟如下：首先復(fù)位RTL8019AS；然后選中Page0設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器為16位，清除遠(yuǎn)程DMA計(jì)數(shù)器，設(shè)置接受緩沖區(qū)區(qū)間，設(shè)置接受和發(fā)送配置寄存器，清除中斷寄存器，屏蔽所有中斷，設(shè)置寄存器BNRY；選中Page1初始化物理地址和組播地址，設(shè)置寄存器CURR；選中Page0開(kāi)啟RTL8019AS的所有中斷。

對(duì)于TCP/IP協(xié)議下位機(jī)的算法實(shí)現(xiàn)部分主要完成TCP/IP協(xié)議在單片機(jī)上的運(yùn)行。由于嵌入式聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來(lái)越多，需要在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，但是嵌入式設(shè)備不同于PC機(jī)，它們一般采用MCU也就是單片機(jī)而不是CPU作為核心處理器。這就需要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。對(duì)于高端的32位單片機(jī)，由于其性能已經(jīng)接近于低端PC機(jī)CPU，所以和在PC上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧沒(méi)有多大區(qū)別；但是對(duì)于低端8位的單片機(jī)，TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)變得困難許多，所以并不適用[4]。

單片機(jī)上網(wǎng)技術(shù)，是當(dāng)前的一個(gè)熱門(mén)技術(shù)。單片機(jī)上網(wǎng)技術(shù)中的一個(gè)重要部分是在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。現(xiàn)在可獲得的TCP/IP源代碼一般并不為51單片機(jī)設(shè)計(jì)，而51單片機(jī)和KeilC51編譯器有其自身的特點(diǎn)：存儲(chǔ)類型、函數(shù)指針、重入函數(shù)等，ZLIP就是針對(duì)這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)的TCP/IP協(xié)議棧。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用目前廣泛應(yīng)用和發(fā)展前景巨大的Internet和Web發(fā)布技術(shù)，可以方便快捷的實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫室信息數(shù)據(jù)的傳輸和顯示，可以在任意用戶終端進(jìn)行訪問(wèn)和控制，高效的實(shí)現(xiàn)溫室大棚遠(yuǎn)程環(huán)境參數(shù)采集和管理，從而達(dá)到創(chuàng)造智慧農(nóng)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，并將此項(xiàng)技術(shù)推廣和應(yīng)用在北方溫室大棚作物種植中，從而大幅度的提高溫室農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有巨大的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙忠波，巢麗萍，宋勇江.基于VB的分布式監(jiān)控系統(tǒng)MODBUS通信設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2006（12）.

[2]周文良.電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[3]方景杰，傅成華，唐建國(guó).智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)西部科技雜志，2009.

[4]周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

作者簡(jiǎn)介：王麗平（1974-），女，吉林永吉人，教師，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

作者單位：長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130021

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳《面向吉林省的溫室自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》（項(xiàng)目編號(hào)：2013307）；吉林省科技廳《應(yīng)用太陽(yáng)能的蔬菜大棚滴灌群控技術(shù)研究》（項(xiàng)目編號(hào)：201205043）；吉林省教育廳《滴灌水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)研究》（項(xiàng)目編號(hào)：2014322）。