1種可聯(lián)網(wǎng)的在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

華馳等

摘要：針對當前地理位置分散的各農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站之間數(shù)據(jù)交換、傳輸困難，難以實時完成各類采集數(shù)據(jù)的集中分析及處理現(xiàn)狀，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，能夠完成各在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站采集數(shù)據(jù)的實時查看、歷史數(shù)據(jù)分析及實時報警功能。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；云計算

中圖分類號： TP274+.2 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）04-0345-05

收稿日期：2013-08-18

基金項目：江蘇省自然科學基金（編號：BK20131097）；江蘇省高?！扒嗨{工程”（編號：蘇教師[2012]39號）；江蘇省教育科學“十二五”規(guī)劃（編號：D/2011/03/046）；江蘇省高等教育教改研究（編號：2013JSJG339）；江蘇省產(chǎn)學研前瞻性聯(lián)合研究面上項目（編號：BY2013016）。

作者簡介：華馳（1979—），男，江蘇興化人，碩士，講師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的教學與研究。E-mail：huac@jsit.edu.cn。物聯(lián)網(wǎng)被認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮[1]。物聯(lián)網(wǎng)以感知為前提，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。在物體上植入各種微型芯片，用這些傳感器獲取物理世界的各種信息，再通過局部的無線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等各種通信網(wǎng)絡(luò)交互傳遞，從而實現(xiàn)對世界的感知。物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測上的應(yīng)用將會使農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測的方式發(fā)生重大變革，促進我國農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的提升，目前，農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測裝置在地理位置上比較分散，各種監(jiān)測設(shè)備都是單獨運行，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸、交換困難，可靠性、安全性、經(jīng)濟性及安裝維護非常不便，難以實時完成各類采集數(shù)據(jù)的集中處理及分析。

1系統(tǒng)概述在可聯(lián)網(wǎng)的在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，每個可聯(lián)網(wǎng)的在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組成包括監(jiān)測站三角支架、太陽簡易總輻射表、風速傳感器、風向傳感器、溫濕度傳感器、組件溫度傳感器、輕型百葉箱、電源、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、主采集器機箱、抱箍、航空插頭、防水接頭、采集器、太陽能供電系統(tǒng)（可選）、避雷針等。

可聯(lián)網(wǎng)的在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（型號SA-WS01）通過3G、GPRS、WiFi無線通信方式或LAN有線通信方式接入Internet中的云服務(wù)器，各個可聯(lián)網(wǎng)的在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（型號SA-WS01）的所有數(shù)據(jù)都將存儲在云服務(wù)器中，各移動終端或PC終端可以通過GPRS、3G、WiFi、LAN等方式基于Web完成農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查看、報警信息查看等功能，系統(tǒng)模型如圖1所示。

2系統(tǒng)感知層設(shè)計

可聯(lián)網(wǎng)的在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的感知層結(jié)構(gòu)如圖2所示，溫濕度傳感器、光照輻射傳感器、風向傳感器、風速傳感器、組件溫度傳感器等通過0～5 V轉(zhuǎn)ModBUS 設(shè)備和單片機80C51相連，傳感器各節(jié)點在硬件的基礎(chǔ)上基于ZigBee無線通信協(xié)議組建Mesh網(wǎng)絡(luò)，然后直接與單片機80C51相連；單片機80C51中包含了內(nèi)存、SD卡及各類外圍電路；感知層通過無線收發(fā)模塊（如WiFi、GPRS模塊、3G模塊等）以及WLAN、3G網(wǎng)和GPRS網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換。

2.1供電方式

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊主要由溫濕度傳感器、風速傳感器、光照輻射傳感器、風向傳感器、溫濕度傳感器等完成。

溫濕度傳感器電路主要由電源電路、控制電路、模擬量計算電路、通信電路及溫濕度模擬量采樣電路組成；風速傳感器電路主要由電源電路、控制電路、模擬量計算電路、通信電路及風速采樣電路組成；光照輻射傳感器電路主要由電源電路、控制電路、模擬量計算電路、通信電路及輻照數(shù)據(jù)采集電路組成；風向傳感器電路主要由電源電路、控制電路、模擬量計算電路、通信電路及風向采樣電路組成。各類傳感器電路的電源電路、控制電路、模擬量計算電路、通信電路的設(shè)計基本一致，不同的是根據(jù)各類傳感器的特點來設(shè)計其類型的數(shù)據(jù)采集電路。以下以風速傳感器電路的設(shè)計為例詳細進行描述。

數(shù)據(jù)采集中最重要的環(huán)節(jié)分別為數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)由溫濕度模擬量采樣電路完成。在如圖4所示的溫濕度模擬量采樣電路中，4針插座的4腳接VCC，1腳接地，2腳和3腳為溫濕度傳感模塊的數(shù)據(jù)腳，輸出信號經(jīng)過電容和電阻的處理濾波后進入模擬量計算電路中，完成從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。模擬量計算電路如圖5所示。數(shù)據(jù)傳送環(huán)節(jié)由通信電路完成，由晶振XA3、切換開關(guān)U6、無線收發(fā)芯片SI4432、天線P4及外圍的一些電容和電阻等組成如圖6所示的通信電路。

3系統(tǒng)傳輸層設(shè)計

在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)傳輸層設(shè)計如圖7所示，在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中各類傳感器不工作時處于休眠低功耗運行狀態(tài)。在需要調(diào)用在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息時，各終端訪問云計算中心，云中心向網(wǎng)關(guān)提出數(shù)據(jù)申請，而該請求又由網(wǎng)關(guān)傳遞到逆變器，逆變器進行分析后，喚醒各個低功耗運行的傳感器，各類傳感器開始工作后基于RS485[2]接口，通過Modbus協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送并存儲至網(wǎng)關(guān)Flash ROM或SD卡中，網(wǎng)關(guān)通過無線收發(fā)模塊（如WiFi、GPRS模塊、3G模塊等）以及WLAN、3G網(wǎng)和GPRS網(wǎng)連入Internet，并基于TCP/IP協(xié)議把數(shù)據(jù)傳輸并保存至云計算中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

4系統(tǒng)應(yīng)用層設(shè)計與實現(xiàn)

4.1應(yīng)用層功能模塊設(shè)計

在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用層軟件模塊設(shè)計的原則主要有3個方面。（1）底層硬件上傳的數(shù)據(jù)實時顯示，主要包括光照輻射傳感器，溫濕度傳感器，風速、風向傳感器采集的數(shù)據(jù)。（2）上位機根據(jù)底層硬件上傳的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)計算，主要包括風速、溫濕度等是否處在設(shè)定的報警條件區(qū)間內(nèi)，根據(jù)光照度等數(shù)據(jù)計算是否有局部的陰影遮蓋等。（3）客戶端軟件，主要以直觀、易操作的特點讓用戶能夠快速完成各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及分析?；谝陨显瓌t，具體在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用層軟件模塊設(shè)計如圖8所示。

4.2應(yīng)用層系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在軟件體系架構(gòu)設(shè)計中，多層架構(gòu)是最常見也是最重要的一種架構(gòu)[3]。本系統(tǒng)也使用多層架構(gòu)，在系統(tǒng)中，將用戶訪問頁面、業(yè)務(wù)邏輯功能、數(shù)據(jù)存儲功能、數(shù)據(jù)庫分開設(shè)計及部署。系統(tǒng)用戶訪問頁面部署在Web服務(wù)器中，用戶通過Internet訪問Web服務(wù)器，Web服務(wù)器與業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器主要完成功能邏輯的請求與響應(yīng)，而數(shù)據(jù)的查詢與存儲則由業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過交互而完成，具體如圖9所示。其中業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層及數(shù)據(jù)庫部署在云計算中心。

4.3應(yīng)用層功能模塊實現(xiàn)

系統(tǒng)客戶端軟件設(shè)計遵循界面友好、操作簡便原則來完成對系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析處理，并可以基于各類終端以友好的界面顯示出來各類監(jiān)測結(jié)果，用戶在客戶端輸入正確的用戶名和密碼，登錄系統(tǒng)，進入該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)訪問時序如圖10所示。本系統(tǒng)軟件基于eclipse平臺使用java語言完成開發(fā)，圖形顯示界面基于JavaScript技術(shù)，另外還在開發(fā)過程中使用了WebService、Ajax等其他技術(shù)。

歷史數(shù)據(jù)查詢功能頁面如圖11所示，在監(jiān)測站名稱下方可以查看近一段時間的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)，在歷史信息查看頁面中可以以圖表的形式查看環(huán)境監(jiān)測站歷史記錄，如果需要查看某天的記錄可以手動選擇日期。報警信息查看功能頁面如圖12所示，在環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)下方篩選出環(huán)境監(jiān)測站報警信息，在報警條目旁邊可以查看報警當天農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)和刪除當前報警條目。

5系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

實踐證明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，客戶響應(yīng)快捷，能實時與云計算中心進行通信，實現(xiàn)了在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示、歷史數(shù)據(jù)查看、報警信息查看等功能。

本研究提出的1種可聯(lián)網(wǎng)的在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用了云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及太陽能采集技術(shù)，可以實時完成各類農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示，歷史數(shù)據(jù)分析和終端報警信息的顯示，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測提供了一種可行、適用、成本低的解決方案[4]。

參考文獻：

[1]華馳，韋康，王輝，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽能光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]. 計算機測量與控制，2012，20（10）：2696-2699.

[2]韓慧. 基于RS-485總線的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2012（3）：60-61.

[3]華馳. 藥監(jiān)系統(tǒng)電子政務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 上海：上海交通大學，2009.

[4]李莉，李海霞，劉卉. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40（增刊）：228-231.

4.2應(yīng)用層系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在軟件體系架構(gòu)設(shè)計中，多層架構(gòu)是最常見也是最重要的一種架構(gòu)[3]。本系統(tǒng)也使用多層架構(gòu)，在系統(tǒng)中，將用戶訪問頁面、業(yè)務(wù)邏輯功能、數(shù)據(jù)存儲功能、數(shù)據(jù)庫分開設(shè)計及部署。系統(tǒng)用戶訪問頁面部署在Web服務(wù)器中，用戶通過Internet訪問Web服務(wù)器，Web服務(wù)器與業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器主要完成功能邏輯的請求與響應(yīng)，而數(shù)據(jù)的查詢與存儲則由業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過交互而完成，具體如圖9所示。其中業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層及數(shù)據(jù)庫部署在云計算中心。

4.3應(yīng)用層功能模塊實現(xiàn)

系統(tǒng)客戶端軟件設(shè)計遵循界面友好、操作簡便原則來完成對系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析處理，并可以基于各類終端以友好的界面顯示出來各類監(jiān)測結(jié)果，用戶在客戶端輸入正確的用戶名和密碼，登錄系統(tǒng)，進入該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)訪問時序如圖10所示。本系統(tǒng)軟件基于eclipse平臺使用java語言完成開發(fā)，圖形顯示界面基于JavaScript技術(shù)，另外還在開發(fā)過程中使用了WebService、Ajax等其他技術(shù)。

歷史數(shù)據(jù)查詢功能頁面如圖11所示，在監(jiān)測站名稱下方可以查看近一段時間的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)，在歷史信息查看頁面中可以以圖表的形式查看環(huán)境監(jiān)測站歷史記錄，如果需要查看某天的記錄可以手動選擇日期。報警信息查看功能頁面如圖12所示，在環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)下方篩選出環(huán)境監(jiān)測站報警信息，在報警條目旁邊可以查看報警當天農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)和刪除當前報警條目。

5系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

實踐證明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，客戶響應(yīng)快捷，能實時與云計算中心進行通信，實現(xiàn)了在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示、歷史數(shù)據(jù)查看、報警信息查看等功能。

本研究提出的1種可聯(lián)網(wǎng)的在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用了云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及太陽能采集技術(shù)，可以實時完成各類農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示，歷史數(shù)據(jù)分析和終端報警信息的顯示，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測提供了一種可行、適用、成本低的解決方案[4]。

參考文獻：

[1]華馳，韋康，王輝，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽能光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]. 計算機測量與控制，2012，20（10）：2696-2699.

[2]韓慧. 基于RS-485總線的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2012（3）：60-61.

[3]華馳. 藥監(jiān)系統(tǒng)電子政務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 上海：上海交通大學，2009.

[4]李莉，李海霞，劉卉. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40（增刊）：228-231.

4.2應(yīng)用層系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在軟件體系架構(gòu)設(shè)計中，多層架構(gòu)是最常見也是最重要的一種架構(gòu)[3]。本系統(tǒng)也使用多層架構(gòu)，在系統(tǒng)中，將用戶訪問頁面、業(yè)務(wù)邏輯功能、數(shù)據(jù)存儲功能、數(shù)據(jù)庫分開設(shè)計及部署。系統(tǒng)用戶訪問頁面部署在Web服務(wù)器中，用戶通過Internet訪問Web服務(wù)器，Web服務(wù)器與業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器主要完成功能邏輯的請求與響應(yīng)，而數(shù)據(jù)的查詢與存儲則由業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過交互而完成，具體如圖9所示。其中業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層及數(shù)據(jù)庫部署在云計算中心。

4.3應(yīng)用層功能模塊實現(xiàn)

系統(tǒng)客戶端軟件設(shè)計遵循界面友好、操作簡便原則來完成對系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析處理，并可以基于各類終端以友好的界面顯示出來各類監(jiān)測結(jié)果，用戶在客戶端輸入正確的用戶名和密碼，登錄系統(tǒng)，進入該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)訪問時序如圖10所示。本系統(tǒng)軟件基于eclipse平臺使用java語言完成開發(fā)，圖形顯示界面基于JavaScript技術(shù)，另外還在開發(fā)過程中使用了WebService、Ajax等其他技術(shù)。

歷史數(shù)據(jù)查詢功能頁面如圖11所示，在監(jiān)測站名稱下方可以查看近一段時間的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)，在歷史信息查看頁面中可以以圖表的形式查看環(huán)境監(jiān)測站歷史記錄，如果需要查看某天的記錄可以手動選擇日期。報警信息查看功能頁面如圖12所示，在環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)下方篩選出環(huán)境監(jiān)測站報警信息，在報警條目旁邊可以查看報警當天農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)和刪除當前報警條目。

5系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

實踐證明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，客戶響應(yīng)快捷，能實時與云計算中心進行通信，實現(xiàn)了在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示、歷史數(shù)據(jù)查看、報警信息查看等功能。

本研究提出的1種可聯(lián)網(wǎng)的在線農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用了云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及太陽能采集技術(shù)，可以實時完成各類農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示，歷史數(shù)據(jù)分析和終端報警信息的顯示，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測提供了一種可行、適用、成本低的解決方案[4]。

參考文獻：

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[4]李莉，李海霞，劉卉. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40（增刊）：228-231.