基于Web的農(nóng)業(yè)溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

黃杰

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基于Web的農(nóng)業(yè)溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

黃杰

（賀州學院機械與電子工程學院）

針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，結合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的具體需求，設計并實現(xiàn)了一種基于Web的農(nóng)業(yè)溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時監(jiān)測溫室內(nèi)的環(huán)境參量值，并控制設備的運行以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境參量值。該系統(tǒng)操作簡單、性能穩(wěn)定，具有較好的應用前景。

Web服務器；監(jiān)控系統(tǒng)；溫濕度監(jiān)測；ARM微處理器

0　引言

目前，我國農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效為目標的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變的新階段。農(nóng)作物的生長與環(huán)境溫度、濕度及光照強度等環(huán)境因素緊密相關，不同農(nóng)作物在生長時需要的環(huán)境因素不相同，即使是同一農(nóng)作物在不同的生長時期需要的環(huán)境因素也不盡相同。農(nóng)業(yè)溫室利用現(xiàn)代電子通信和自動化技術，對溫室實時監(jiān)控和調(diào)整，可使溫室內(nèi)的溫度、濕度和光照強度值保持在適合農(nóng)作物生長的范圍。農(nóng)業(yè)溫室的監(jiān)控多采用現(xiàn)場監(jiān)控方式，工作人員無法實時了解和調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境參量值，效率低、操作不方便。農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)正逐步由現(xiàn)場監(jiān)控向遠程智能監(jiān)控的方向發(fā)展[1]。

隨著計算機網(wǎng)絡和嵌入式技術的發(fā)展，監(jiān)控技術也得到快速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)逐步從集中監(jiān)控向網(wǎng)絡遠程監(jiān)控發(fā)展。遠程監(jiān)控系統(tǒng)已逐漸發(fā)展為基于Internet、功能更完善、操作更方便的智能化控制系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡化已成為一種必然的發(fā)展趨勢[2]。

本文利用嵌入式Web技術，設計并實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過Internet對溫室內(nèi)部的環(huán)境溫度、濕度和光照強度值進行實時監(jiān)測和控制。

1　系統(tǒng)結構

基于Web的農(nóng)業(yè)溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)由農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點、Web服務器和PC機3部分組成，其系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1　基于Web的農(nóng)業(yè)溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構

1.1 農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點

農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點負責采集農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)的環(huán)境參量值，并對采集到的數(shù)據(jù)進行分析、判斷和處理，同時，將采集到的環(huán)境參量值傳送給Web服務器。其主要功能如下：

1)通過傳感器不斷循環(huán)采集溫室內(nèi)的環(huán)境溫度、濕度和光照強度值，并將采集到的數(shù)據(jù)通過RS485串口發(fā)送給Web服務器；

2)若溫室監(jiān)控站點采集的環(huán)境溫度、濕度和光照強度值超過系統(tǒng)設定閾值時，將發(fā)出聲光報警信號；

3)溫室監(jiān)控站點對采集的環(huán)境溫度、濕度和光照強度值進行分析，根據(jù)分析結果分別控制溫、濕度和光照強度的調(diào)節(jié)電路，使其保持在合理的范圍。

1.2 Web服務器

Web服務器負責接收各農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點傳送的數(shù)據(jù)，并對接收到的數(shù)據(jù)進行保存、分析和處理。其主要功能如下：

1) Web服務器接收從溫室監(jiān)控站點傳來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行保存和分析。若環(huán)境參量超過系統(tǒng)閾值，則生成相應的報警信號；

2) Web服務器將接收的環(huán)境參量值、報警信號通過Internet傳送到PC機瀏覽器端。

1.3 PC機

用戶在PC機上輸入Web服務器的IP地址即可實時監(jiān)測溫室內(nèi)環(huán)境參量值和報警狀態(tài)，同時還可以遠程控制溫室內(nèi)的設備，以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境參量。

2　系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件包括農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點和Web服務器2部分，它們之間通過RS485串口線連接。

2.1 農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點硬件

農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點硬件結構框圖如圖2所示，由S3C44B0X微處理器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、鍵盤、溫濕度調(diào)節(jié)電路、光照調(diào)節(jié)電路、LCD顯示電路和報警電路等組成。

圖2　農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點硬件結構框圖

2.1.1溫度采集電路

溫度傳感器DS18B20是新的“一線總線”接口器件，只需1個接口引腳即可實現(xiàn)通信，測溫范圍為-55℃～+125℃[3]?，F(xiàn)場溫度以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適用于惡劣環(huán)境下的溫度測量。溫度采集電路如圖3所示。

圖3　溫度采集電路

溫度傳感器DS18B20將采集的溫度轉(zhuǎn)化為12位數(shù)據(jù)，存儲在DS18B20的2個8比特RAM中，前面5位是符號位，如果測得溫度大于或等于0，前5位為0，將測到的數(shù)值乘以0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，前5位為1，測到的數(shù)值需要取反（補碼）加1再乘以0.0625，即可得到實際溫度。

2.1.2濕度采集電路

濕度傳感器HS1101是電容式相對濕度傳感器，測濕范圍為：0% RH ~100%RH，誤差為±2%RH[4]。濕度采集電路如圖4所示。

圖4　濕度采集電路

NE555芯片外接電阻R1、R4和濕敏電容HS1101，構成了對HS1101的充電回路[5]。引腳7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路，同時構成HS1101的放電回路。將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器，構成多諧振蕩器—方波發(fā)生器。保護電阻R1防止輸出短路；R3用于平衡濕度系數(shù)；測濕度模塊通過3腳與S3C44B0X微處理器的I/O連接。

該電路充電、放電過程交替變化。首先電源VCC通過電阻R2、R4向C（HS1101）充電，經(jīng)1充電時間后，達到芯片內(nèi)的高觸發(fā)電平（VCC），此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平；然后通過R2放電，經(jīng)2放電時間后，下降到比較器的低觸發(fā)電平（VCC），此時輸出引腳3端又由低電平變?yōu)楦唠娖?，如此往復，便形成方波輸出。其充電時間1、放電時間2為

因此，輸出方波頻率為

(2)

可見，空氣濕度通過NE555測量振蕩電路轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號。NE555振蕩電路變換后的脈沖頻率信號經(jīng)處理后送入單片機的定時器/計數(shù)器，定時記錄脈沖數(shù)并存入內(nèi)存緩沖區(qū)，與HS1101的濕度值進行比較，即得出相對濕度值。

2.1.3溫濕度調(diào)節(jié)電路

本系統(tǒng)調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)的溫度和濕度有2種方式：通過溫室內(nèi)的天窗和側窗、空調(diào)進行調(diào)節(jié)。

當溫室內(nèi)的溫度或濕度過高時，農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點通過步進電機控制，打開天窗和側窗，以自然通風的方式對溫室內(nèi)的溫度或濕度進行調(diào)節(jié)；如果溫度或濕度過高或過低，采用自然通風的方式無法將其調(diào)節(jié)到預定的范圍時，溫室監(jiān)控站點控制打開農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)的空調(diào)，通過空調(diào)調(diào)節(jié)，使溫室內(nèi)的溫度和濕度保持在系統(tǒng)設定的范圍。農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點通過繼電器實現(xiàn)對空調(diào)的控制，空調(diào)控制電路如圖5所示。

當S3C44B0X微處理器的I/O口輸出低電平時，繼電器的5、4管腳之間有電勢差，繼電器通電，銜鐵將1、2管腳接通，空調(diào)開始工作；當S3C44B0X微處理器的I/O口輸出高電平時，繼電器斷電，1、2管腳斷開，空調(diào)停止工作。

圖5　空調(diào)控制電路

2.2Web服務器硬件電路

Web服務器硬件由S3C2410微處理器、存儲器、以太網(wǎng)接口、LCD顯示器、JTAG接口、RS485接口等組成，Web服務器硬件結構框圖如圖6所示。

圖6　Web服務器硬件結構框圖

3　系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括Web服務器軟件和農(nóng)業(yè)監(jiān)控站點軟件2部分。系統(tǒng)程序采用C語言編程，采用模塊化設計方法。

3.1Web服務器軟件

Web服務器采用S3C2410作為核心處理器，以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)平臺。通過對Linux操作系統(tǒng)、SQLite數(shù)據(jù)庫和Web服務器的配置和移植，完成Web服務器的構建[6]。在Web服務器上實現(xiàn)了串口通信程序、SQLite數(shù)據(jù)庫存取程序、CGI農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境參量值閾值設置程序和CGI農(nóng)業(yè)溫室設備控制程序等。

1) 串口通信程序，該程序負責Web服務器與農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點之間的通信，接收從農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點傳來的數(shù)據(jù)或從Web服務器發(fā)送數(shù)據(jù)到農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點。

2) SQLite數(shù)據(jù)庫存取程序，該程序完成對SQLite數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存取操作，如對農(nóng)業(yè)溫室溫度值、濕度值和光照強度值的存取操作等。

3) CGI農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境參量值閾值設置程序，該程序主要完成農(nóng)業(yè)溫室的溫度、濕度和光照強度報警閾值的設置。

4) CGI農(nóng)業(yè)溫室設備控制程序，該程序主要完成對農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)設備的控制，如對溫室內(nèi)的空調(diào)啟?？刂?，對溫室內(nèi)的天窗和側窗開關控制等。

Linux有3個Web服務器：thttpd、Boa和httpd[7]。本設計使用Boa服務器。移植Web（Boa）服務器的步驟[8]：

1) 下載Boa源代碼并解壓；

2) 修改Boa/src/Makefile里面的編譯器，將其改為：CC=arm-Linux-gcc、CPP=arm-Linux-cpp；

3) 編譯Boa源代碼，即可生成可執(zhí)行文件；

4) 將生成的Boa可執(zhí)行文件編譯進Linux內(nèi)核。

3.2 農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點軟件

農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點軟件主要實現(xiàn)溫度、濕度和光照強度采集程序、鍵盤掃描程序、溫濕度調(diào)節(jié)程序、光照調(diào)節(jié)程序、LCD液晶顯示程序、聲光報警程序等。農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點主程序流程如圖7所示。

4　系統(tǒng)實現(xiàn)

依據(jù)系統(tǒng)的設計和控制要求，在某農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)安裝了該系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過1個月的運行測試，得到如表1所示的測試數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)的各項功能指標符合設計要求。

圖7農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點主程序流程圖

用戶可在任意聯(lián)網(wǎng)的PC機上，輸入Web服務器的IP地址，即可實現(xiàn)對Web服務器的訪問[9]。Web服務器以動態(tài)頁面的方式，使用戶實時監(jiān)測農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強度等環(huán)境參量的報警狀態(tài)，同時還可遠程控制溫室內(nèi)設備的運行以調(diào)節(jié)各環(huán)境參量。系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖8所示。

經(jīng)測試，該農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，各項指標滿足設計要求，系統(tǒng)性能良好。

表1　系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

連接服務器 歷史數(shù)據(jù) 溫室控制 視頻 設置

圖8系統(tǒng)監(jiān)控界面

5　結語

基于Web服務器的農(nóng)業(yè)溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)能實時監(jiān)測和控制溫室內(nèi)的溫度、濕度和光照強度，使溫室內(nèi)的溫度、濕度和光照強度保持在適當?shù)姆秶?。該系統(tǒng)操作簡單，性能穩(wěn)定，推廣應用價值大。

參考文獻

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[9]李善平,劉文峰,王煥龍,等.Linux與嵌入式系統(tǒng)[M].北京:清華大學出版社,2003.

Design of Web-Based Agricultural Greenhouse Remote Monitoring System

Huang Jie

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Hezhou University)

This paper proposes a design and implementation of modern agricultural greenhouse monitoring system based on web. The system consisted of monitoring site, web server and PC. The PC is applied to monitor environment parameters value of greenhouse through internet and regulate the environment parameters value of greenhouse through the equipment from the greenhouse. The system is simple in operation, stable performance, and has better application prospect.

Web Serve; Monitoring System; Temperature and Humidity Monitoring; ARM Microprocessor

黃杰，男，1982年生，講師，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計、微機控制與檢測技術等。E-mail: huangjie0773@163.com