基于WebSocket協(xié)議的智能溫室測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盛平+丁波

摘 要：針對(duì)智能溫室發(fā)展現(xiàn)狀，引入了跨平臺(tái)、易擴(kuò)展的思想，將WebSocket通信協(xié)議應(yīng)用到嵌入式設(shè)備通信中，結(jié)合嵌入式、Zigbee無(wú)線傳輸、傳感器采集等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套基于WebSocket協(xié)議的智能溫室測(cè)控系統(tǒng)。一方面能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、克服傳統(tǒng)B/S架構(gòu)不能提供長(zhǎng)連接的TCP雙向通信和C/S架構(gòu)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、無(wú)法跨平臺(tái)等缺點(diǎn)；另一方面，用戶可以實(shí)時(shí)查看溫室環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行狀況以及實(shí)時(shí)控制情況等，并且能夠獲得實(shí)時(shí)溫室預(yù)警等推送。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、使用便捷，很好地滿足了溫室實(shí)時(shí)測(cè)控的功能需求。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：智能溫室；物聯(lián)網(wǎng)；WebSocket；嵌入式；實(shí)時(shí)測(cè)控

DOIDOI：10.11907/rjdk.161620

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2016）008-0065-04

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益普及，各式物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用于衣食住行等各個(gè)領(lǐng)域，為人們的日常生活提供了極大便利。同樣，在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也廣泛地應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這些應(yīng)用使農(nóng)業(yè)種植變得更加簡(jiǎn)便、高效和科學(xué)。但目前這些應(yīng)用系統(tǒng)的整體通信架構(gòu)一般是基于C/S架構(gòu)或傳統(tǒng)B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)的，基于C/S架構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、無(wú)法跨平臺(tái)等缺陷；基于傳統(tǒng)B/S架構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)雖然能夠跨平臺(tái)，但它是基于HTTP協(xié)議進(jìn)行通信的，并不能提供一個(gè)長(zhǎng)連接的TCP雙向通信機(jī)制。而WebSocket作為HTML5的一種新協(xié)議日趨標(biāo)準(zhǔn)化，它實(shí)現(xiàn)了瀏覽器與服務(wù)器全雙工通信，在生活中得到了廣泛應(yīng)用，如新浪微博的評(píng)論、私信通知和騰訊的WebQQ等。本文將該協(xié)議應(yīng)用到嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，使嵌入式設(shè)備與服務(wù)器之間能夠基于WebSocket協(xié)議進(jìn)行通信，以克服傳統(tǒng)通信架構(gòu)的缺陷[1]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于WebSocket協(xié)議的智能溫室控制系統(tǒng)，該智能溫室測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)綜合管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫室大棚的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，其中包括溫室內(nèi)溫濕度、光照度、溫室通風(fēng)換氣系統(tǒng)等。如圖1所示，該系統(tǒng)總體分為環(huán)境感知層、物理控制層和應(yīng)用層3部分。

（1） 在環(huán)境感知層，依靠一系列傳感器精準(zhǔn)采集溫室內(nèi)部和室外的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸給Zigbee中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)再通過(guò)RS232/485接口傳輸給嵌入式計(jì)算機(jī)。

（2） 在物理控制層，光耦繼電器通過(guò)RS232/485接口與嵌入式計(jì)算機(jī)連接，接收基于MODEBUS-RTU協(xié)議的控制指令，控制溫室設(shè)備控制柜內(nèi)的交流接觸器，進(jìn)而控制各個(gè)溫室設(shè)備（如濕簾風(fēng)機(jī)、水泵、遮陽(yáng)簾、環(huán)流風(fēng)機(jī)等）。

（3） 在應(yīng)用層，主要分為嵌入式端應(yīng)用模塊、Web管理系統(tǒng)和服務(wù)器端應(yīng)用模塊。嵌入式端應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)了基于WebSocket協(xié)議與服務(wù)器的通信、解析控制協(xié)議、上傳環(huán)境數(shù)據(jù)、自動(dòng)運(yùn)行等功能；Web管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶通過(guò)瀏覽器實(shí)時(shí)管理溫室的功能；服務(wù)器端應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)了WebSocket客戶端的連接請(qǐng)求、客戶端之間的通信以及數(shù)據(jù)的解析、存儲(chǔ)等。

通過(guò)以上幾部分的相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的智能溫室測(cè)控系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)手機(jī)、PC、Pad等設(shè)備的Web瀏覽器實(shí)時(shí)查看溫室的環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀況和設(shè)置溫室運(yùn)行參數(shù)等。

2 系統(tǒng)感知層

系統(tǒng)感知層是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其作用相當(dāng)于人的五官，主要包括兩部分：溫室內(nèi)部三合一傳感器和室外氣象站。系統(tǒng)感知層可通過(guò)兩部分的傳感器獲取更加精準(zhǔn)的溫室內(nèi)外環(huán)境狀況，以達(dá)到更有效地控制操作和進(jìn)行溫室種植研究的目的。

另外，從簡(jiǎn)化安裝、便于維護(hù)等方面考慮，本系統(tǒng)采用Zigbee無(wú)線技術(shù)，將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)角度胧接?jì)算機(jī)中。

2.1 傳感器采集模塊

該系統(tǒng)中的傳感器模塊[2，3]統(tǒng)一采用MODBUS-RTU通信協(xié)議[4]，設(shè)備操作和回復(fù)都為16進(jìn)制數(shù)據(jù)，默認(rèn)通信波特率為：9600，8，n，1，基本通信格式為：

【設(shè)備地址】【功能碼】【起始地址：2字節(jié)】【數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：2字節(jié)】【CRC16校驗(yàn)】

傳感器讀取、解析和發(fā)送的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。首先，創(chuàng)建一個(gè)線程，打開(kāi)指定串口（傳感器通過(guò)485網(wǎng)絡(luò)總線形式連接到串口）并監(jiān)聽(tīng)該串口，程序每隔60秒發(fā)送傳感器查詢指令，對(duì)監(jiān)聽(tīng)串口接收的傳感器反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析；接下來(lái)判斷解析數(shù)據(jù)是否正常，如果不正常則丟棄，如果正常則存儲(chǔ)下來(lái)進(jìn)行CRC校驗(yàn)；最后將CRC校驗(yàn)[5]后的數(shù)據(jù)發(fā)送到LED顯示器上進(jìn)行顯示。具體代碼實(shí)現(xiàn)如下：

int pthread_create（&threadSensor，NULL，WriteSensor，NULL）； //創(chuàng)建線程，并綁定傳感器讀取函數(shù)

void *WriteSensor（）； //傳感器讀取函數(shù)，間隔60秒查詢傳感器

int optOpen（int fd，int port）； //打開(kāi)指定串口

int optSet（int fd，int nSpeed，int nBits，char nEvent，int nStop）； //設(shè)置串口的相應(yīng)參數(shù)，如串口文件描述符、串口波特率、數(shù)據(jù)流控制、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)類型等

int SelectRead（int fd，char rev[50]，int length）； //利用I/O select模型進(jìn)行串口讀取，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷數(shù)據(jù)是否正常[6]

unsigned short CRC16（unsigned char *pushMsg，unsigned short usDataLen）； //根據(jù)CRC16校驗(yàn)算法進(jìn)行CRC校驗(yàn)

2.2 Zigbee通信模塊

Zigbee節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由兩部分組成[7，8]，分別為數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。其數(shù)據(jù)中心為中心主站，連接用戶PC或嵌入式系統(tǒng)，用于接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集設(shè)備用于數(shù)據(jù)采集。如圖3所示，該系統(tǒng)中的Zigbee節(jié)點(diǎn)采用星型網(wǎng)組網(wǎng)形式，其數(shù)據(jù)通訊流程為：電腦（或嵌入式系統(tǒng)）發(fā)送IO控制命令→中心主站→中繼路由→目標(biāo)采集設(shè)備→IO狀態(tài)響應(yīng)→中繼路由→中心主站→電腦（或嵌入式系統(tǒng)）。

3 系統(tǒng)控制層

控制層模塊主要使用16路無(wú)源光耦繼電器，通過(guò)RS232/485串口與嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。通信協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS-RTU協(xié)議。該繼電器工作模式為本機(jī)非鎖聯(lián)動(dòng)模式，在該模式下，輸入光耦與繼電器直接聯(lián)動(dòng)，即：光耦輸入信號(hào)生效→對(duì)應(yīng)繼電器吸合；光耦輸入信號(hào)取消→對(duì)應(yīng)繼電器斷開(kāi)。通過(guò)該模式，確保了溫室設(shè)備的準(zhǔn)確運(yùn)行，并能獲取設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。

4 系統(tǒng)應(yīng)用層

該系統(tǒng)軟件模塊主要分為3部分：嵌入式應(yīng)用模塊、Web管理系統(tǒng)和服務(wù)器端應(yīng)用模塊。

4.1 嵌入式應(yīng)用模塊

嵌入式應(yīng)用模塊主要實(shí)現(xiàn)基于WebSocket協(xié)議建立通信、指令解析和數(shù)據(jù)封裝、自動(dòng)運(yùn)行等功能，如圖4所示。

為了實(shí)現(xiàn)嵌入式客戶端與服務(wù)器進(jìn)行WebSocket通信，該系統(tǒng)引用了開(kāi)源項(xiàng)目libwebsockets。libwebsockets是一個(gè)輕量級(jí)的純C庫(kù)建成的項(xiàng)目。通過(guò)libwebsockets提供的API與服務(wù)器進(jìn)行通信，并完成對(duì)接收數(shù)據(jù)的解析和上傳數(shù)據(jù)的封裝，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

struct lws* lws_client_connnect_via_info（struct lws_client_connect_info *i）

//通過(guò)該函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)到目的服務(wù)器的連接，形參i是指向結(jié)構(gòu)體lws_client_connect_info的指針

callbackRecv（struct lws *wsi， enum lws_callback_reasons reason，void *user，void *in，size_t len）； //通過(guò)自定義的回調(diào)函數(shù)接收來(lái)自服務(wù)器的消息

4.2 Web管理系統(tǒng)

由于本系統(tǒng)需要通過(guò)Web瀏覽器查看溫室的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，比如當(dāng)前的光、溫、濕等環(huán)境數(shù)據(jù)、溫室內(nèi)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并控制溫室內(nèi)相關(guān)設(shè)備等，對(duì)于該功能模塊的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用JavaScript[9]提供的WebSocket API完成與服務(wù)器的實(shí)時(shí)通信。首次訪問(wèn)該視圖時(shí)觸發(fā)JavaScript的onload函數(shù)，判斷當(dāng)前瀏覽器是否支持WebSocket協(xié)議并創(chuàng)建WebSocket對(duì)象；當(dāng)WebSocket連接上后觸發(fā)調(diào)用onopen事件處理程序，從Seesion中獲取用戶名等信息并發(fā)送到WebSocket服務(wù)器進(jìn)行注冊(cè)；接下來(lái)通過(guò)方法send和事件處理程序onmessage即可實(shí)現(xiàn)[10]雙通道通信。具體代碼實(shí)現(xiàn)如下：

var ws=new WebSocket（“ws：//xxx.xxx.xxx.xxx：9001”）； //創(chuàng)建一個(gè)WebSocket實(shí)例

ws.onpen=function（evt）{ ws.send（）； }； //為該實(shí)例綁定onopen事件

ws.onerror = function（evt） { }； //為該實(shí)例綁定onerror事件

ws.onmessage = function（evt） { }； //為該實(shí)例綁定onmessage事件，處理數(shù)據(jù)接收

ws.onclose = function（evt） { }； //當(dāng)瀏覽器接收到服務(wù)器端發(fā)送的關(guān)閉連接請(qǐng)求時(shí)，觸發(fā)onclose事件

4.3 服務(wù)器端應(yīng)用模塊

服務(wù)器端應(yīng)用模塊是基于.NET4.5 Freamwork[11，12]，并引用SuperWebSocket開(kāi)源框架實(shí)現(xiàn)的，主要功能是接收WebSocket客戶端的連接，處理WebSocket客戶端之間的通信以及相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，用于建立WebSocket監(jiān)聽(tīng)端口，以及客戶端連接、斷開(kāi)、信息接收等觸發(fā)事件，具體實(shí)現(xiàn)如下：

protected override void Onstart（string[]args）

{

var ip=ConfigurationManager.AppSettings[“APWebSocketIP”]；

var port=ConfigurationManager.AppSettings[“APWebSocketPort”]；

server=new WebSocket（）； //創(chuàng)建WebSocket對(duì)象

if（！server.SetUp（ip，int.Parse（port））） //設(shè)置監(jiān)聽(tīng)端口，并啟動(dòng)服務(wù)器應(yīng)用

return；

server.NewSessionConnected+=server_NewSessionConnected； //新的會(huì)話連接

server.SessionClosed+=server_SessionClosed； //會(huì)話斷開(kāi)

server.NewMessageReceived+=server_NewMessageReceived； //接收到新信息

}

4.4 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)測(cè)試主要是通過(guò)手機(jī)/Pad/PC瀏覽器查看溫室的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，以及能否正?？刂茰厥以O(shè)備并設(shè)置設(shè)備溫室運(yùn)行參數(shù)等。如圖5所示，通過(guò)手機(jī)瀏覽器登錄溫室Web管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和查看。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)功能完備、運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析傳統(tǒng)B/S和C/S應(yīng)用架構(gòu)的不足，并詳細(xì)研究了WebSocket協(xié)議的特性，設(shè)計(jì)了一套基于WebSocket協(xié)議的智能溫室測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將WebSocket協(xié)議應(yīng)用到嵌入式開(kāi)發(fā)中，實(shí)現(xiàn)了嵌入式設(shè)備與服務(wù)器的實(shí)時(shí)通信。用戶只需利用App/PC/Pad等設(shè)備的Web瀏覽器即能實(shí)時(shí)查看溫室設(shè)備狀況、控制溫室設(shè)備運(yùn)行并設(shè)定運(yùn)行參數(shù)等，達(dá)到了很好的跨平臺(tái)運(yùn)行效果，具有較高的應(yīng)用參考價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：黃 健）