高原生態(tài)屋管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王熠鑫 曾曉莉 嚴(yán)李強(qiáng) 郭龍銀

摘? 要：為了改善青藏高原缺氧、晝夜溫差大等獨(dú)特的氣候環(huán)境帶來的不利因素，根據(jù)生態(tài)屋的設(shè)計理念和模式，基于智能溫室設(shè)計了高原生態(tài)屋，并通過將多種類傳感器與管理系統(tǒng)相連設(shè)計了高原生態(tài)屋管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能根據(jù)實時監(jiān)測高原生態(tài)屋內(nèi)各生態(tài)因子的數(shù)值并將其控制在適合人類居住、適宜該種植物生長的最佳范圍內(nèi)，且可視化數(shù)據(jù)能更好地分析生態(tài)屋運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，同時為生態(tài)屋的大數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：高原生態(tài)屋;生態(tài)因子;數(shù)據(jù)管理系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)可視化

中圖分類號：TU17? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0033-04

引言

為有效緩解由高原環(huán)境帶來的不適，專門為生活在高原的人們及往來行人設(shè)立特殊的供給站即高原智能生態(tài)屋是非常有必要的。高原智能生態(tài)屋既可設(shè)立在進(jìn)藏線路中的無人區(qū)，也可設(shè)立在長期有人居住的農(nóng)牧區(qū)、戶外旅游景點及軍隊駐扎區(qū)，為人們提供更為舒適的環(huán)境。

高原智能生態(tài)屋通常采用透明導(dǎo)電薄膜材料作為生態(tài)屋的外罩，為生態(tài)屋和過往人群提供電能，其內(nèi)部有泡泡屋或民居為過往人群提供居住點，并同時設(shè)置生態(tài)因子控制模塊、電能供給模塊、供氧模塊、自助售藥模塊、供水模塊、智能化生態(tài)廁所模塊等模塊[1]，為過往人群提供便利，改善因高原環(huán)境帶來的胸悶、頭暈等高原反應(yīng)。

由于高原智能生態(tài)屋所處環(huán)境的特殊性，通常交通不便、信息閉塞，從而導(dǎo)致我們無法及時了解高原生態(tài)屋的具體信息，不能更好的管理高原生態(tài)屋，故此設(shè)計了高原生態(tài)屋生態(tài)因子數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，擬通過先進(jìn)的信息化技術(shù)和手段實現(xiàn)高原生態(tài)屋的智能管理、數(shù)據(jù)的及時更新與遠(yuǎn)程監(jiān)控。

我們利用多種傳感器搭建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，并根據(jù)不同的模塊和需求采取不同的數(shù)據(jù)信息獲取方式，設(shè)計了生態(tài)因子數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化處理，以便實現(xiàn)觀察各生態(tài)因子之間的相互影響。另外，系統(tǒng)設(shè)計了不同環(huán)境因子之間的兩兩比較或多組比較功能，能夠更容易地發(fā)現(xiàn)不同環(huán)境因子之間的直接影響和間接影響，為研究不同數(shù)據(jù)之間存在的關(guān)系提供便利。

1 需求分析

1.1 采集數(shù)據(jù)

高原生態(tài)屋數(shù)據(jù)采集部分包括生態(tài)因子模塊、電能模塊和物資補(bǔ)給模塊。

1.1.1 生態(tài)因子模塊

由于高原生態(tài)屋中最重要的是對植物生長環(huán)境的檢測和植物的照料，故初步考慮兩種形式內(nèi)部環(huán)境的自循環(huán)功能：一是管理員定時人工檢查維護(hù)，如補(bǔ)充養(yǎng)料和驅(qū)蟲;二是系統(tǒng)自動檢測植物生長的幾大要素，例如環(huán)境溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、光照時長及CO2含量等。

因此，為了實現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的自循環(huán)功能，首先通過多種傳感器采集數(shù)據(jù)，然后利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并尋找其規(guī)律，同時將采集的數(shù)據(jù)作為生態(tài)屋DNA算法的前期數(shù)據(jù)源進(jìn)行算法更新，最后基于專業(yè)人士意見對系統(tǒng)和算法進(jìn)行優(yōu)化，最終實現(xiàn)高原生態(tài)屋的智能化管理[2]。

1.1.2 電能模塊

高原生態(tài)屋的作用不僅可以作為旅客休息之所，也可以有效利用太陽能，其表面的透明導(dǎo)電薄膜可將接收到的太陽能部分轉(zhuǎn)化為電能。將轉(zhuǎn)化的電能收集存儲起來，一部分用于生態(tài)屋自身使用，另一部分通過蓄電池蓄電后上傳至電網(wǎng)，利用電表讀取數(shù)據(jù)，設(shè)計采用串口MODBUS協(xié)議，得出轉(zhuǎn)化的、使用的以及消耗的電能，進(jìn)而得出生態(tài)屋的電能效率。

1.1.3 物資補(bǔ)給模塊

高原生態(tài)屋除了產(chǎn)生電能和內(nèi)構(gòu)環(huán)境外，還能為旅客提供藥品、食物和水等。這些物品通過自動售賣機(jī)進(jìn)行交易，并將其物資販賣記錄利用售賣機(jī)內(nèi)部程序系統(tǒng)把所有信息在后臺記錄，以便管理員調(diào)用，實時對物資管理補(bǔ)充。另外，對一些無法自動上傳的物資信息，需管理員手工輸入。

1.2 數(shù)據(jù)傳送和存儲

高原生態(tài)屋管理系統(tǒng)主要應(yīng)用在兩個方面，一是管理單一的生態(tài)屋[3]，二是作為最底層傳感器與上層服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，這方面最需要的是處理傳感器與服務(wù)器之間的連接功能。

在數(shù)據(jù)錄入方面設(shè)置兩個功能模塊，首先，設(shè)置手動輸入數(shù)據(jù)的功能;其次，組建傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)解決采集底層數(shù)據(jù)。

在通過傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)采集底層數(shù)據(jù)時，為盡量實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化和最小代價，對于不同模塊采用不同的數(shù)據(jù)傳輸方式。例如，生態(tài)因子模塊通過各類傳感器收集數(shù)據(jù)信息，并利用ZigBee組件對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包[4]，再通過Jennet協(xié)議[5]利用IP地址和自組網(wǎng)實現(xiàn)對端點的訪問和操作;而電能模塊則根據(jù)MODBUS協(xié)議獲取電表數(shù)據(jù)信息并得出生態(tài)屋的電能效率，同時電能存儲部分通過檢測電池儲能情況獲取電池數(shù)據(jù)信息;此外，物資補(bǔ)給模塊則將自動販賣機(jī)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、存儲并上傳至上層服務(wù)器。

1.3 用戶功能

高原生態(tài)屋生態(tài)因子數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的使用者有超級管理員也稱開發(fā)者、總管理員、普通管理員三種。他們擁有不同的權(quán)限和安全性控制，所以在權(quán)限設(shè)置方面，各角色分別使用自己的成員名和密碼進(jìn)入自己能使用權(quán)限范圍界面。超級管理員擁有對本系統(tǒng)進(jìn)行維修、保護(hù)以及升級的職能;總管理員作為一個生態(tài)屋的一把手，是一個生態(tài)屋的支柱，其能修改、刪除整個生態(tài)屋內(nèi)生態(tài)因子的所有數(shù)據(jù)，同時，也關(guān)注普通管理員的日常記錄，避免問題的發(fā)生;普通管理員是一個生態(tài)屋的管家，其使得生態(tài)屋的數(shù)據(jù)能正常有序的錄入、查詢。普通管理員能及時根據(jù)生態(tài)屋內(nèi)生態(tài)因子數(shù)據(jù)對生態(tài)屋進(jìn)行管理，其系統(tǒng)功能如表1所示。

1.4 可視化數(shù)據(jù)

高原生態(tài)屋是一個實時變化的自循環(huán)系統(tǒng)，為了能夠準(zhǔn)確而又及時的分析和為生態(tài)屋的下一步做決定，可視化是一個必要而又高效的途徑[7]。而我們主要采用R語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，利用統(tǒng)計學(xué)習(xí)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的工具進(jìn)行統(tǒng)計計算和統(tǒng)計制圖，從而對生態(tài)因子進(jìn)行一些簡單的統(tǒng)計分析，例如方差分析、功效分析等。

1.5 更新要求

數(shù)據(jù)更新采用MySQL數(shù)據(jù)庫的自動更新和超級管理員遠(yuǎn)程更新兩種方式實時錄入存儲，并每日上傳一次服務(wù)器。自動更新則通過上層服務(wù)器存儲的系統(tǒng)版本信息來主動更新數(shù)據(jù)，當(dāng)管理員登錄系統(tǒng)并連接服務(wù)器時，就會自動獲取版本信息;遠(yuǎn)程更新則需超級管理員將更新后的安裝包發(fā)送到各個生態(tài)屋，進(jìn)行更新后再利用服務(wù)器檢查系統(tǒng)是否完整正常。

2 整體架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊包括基本表、視圖、索引、存儲過程的創(chuàng)建以及各個基本表中插入的數(shù)據(jù)。其中視圖、索引和存儲過程的創(chuàng)建，是為了方便用戶使用本高原生態(tài)屋生態(tài)因子數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

2.1.2 系統(tǒng)界面模塊

系統(tǒng)界面模塊包括登錄界面、超級管理員界面、總管理員界面和普通管理員界面。登錄界面主要有登陸功能，超級管理員界面主要有維護(hù)、升級系統(tǒng)的功能，總管理員界面主要有修改、刪除和批量處理的功能，普通管理員界面主要有錄入、查詢的功能。

2.1.3 界面與數(shù)據(jù)庫連接模塊

界面與數(shù)據(jù)庫連接模塊有下載驅(qū)動、設(shè)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)和安全、通過JDBC把界面與數(shù)據(jù)庫連接起來三個部分。該模塊在數(shù)據(jù)庫模塊和系統(tǒng)界面模塊之間起到了橋梁的作用[7]。

2.1.4 功能設(shè)計

高原生態(tài)屋生態(tài)因子數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)基于業(yè)務(wù)流程而設(shè)計，將流程控制與業(yè)務(wù)管理分離，以流程控制為核心，主要分為五個層次：

系統(tǒng)頂端是門戶層，提供管理員和開發(fā)者兩個登錄界面。普通管理員和總管理員的功能有限，操作簡單，從個人門戶登錄;功能復(fù)雜的開發(fā)者從開發(fā)者界面登錄。根據(jù)實際工作情況，使用者分別從不同界面登錄，進(jìn)入相應(yīng)界面。

第二層是權(quán)限層，用于對登錄者進(jìn)行身份識別、用戶管理以及權(quán)限控制，其中，權(quán)限控制主要涉及權(quán)限管理，比如普通管理員沒有刪除數(shù)據(jù)的功能等。

第三層是流程層，主要包括流程管理和流程監(jiān)控兩部分，流程管理模塊通過解析流程定義，根據(jù)不同信息，分析流程當(dāng)前節(jié)點狀態(tài)，調(diào)用業(yè)務(wù)層相應(yīng)模塊進(jìn)行處理，并引導(dǎo)流程正常運(yùn)行。流程監(jiān)控模塊用于實時獲取流程進(jìn)展情況，服務(wù)于查詢、統(tǒng)計報表等功能[8]。

第四層是業(yè)務(wù)層，分為更改個人信息、可視化分析、日程總結(jié)、電能查詢、生態(tài)因子查詢、物資查詢幾個功能模塊，處理系統(tǒng)的具體業(yè)務(wù)操作。其中，更改個人信息涉及角色最多，涵蓋功能廣泛;可視化分析主要是分析生態(tài)屋內(nèi)生態(tài)因子模塊內(nèi)各因子數(shù)據(jù);日程總結(jié)是使用者即普通管理員、總管理員、開發(fā)者登錄后對所做工作及感想的記錄;電能查詢、生態(tài)因子查詢及物資查詢這三個模塊的功能主要是對其因子進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。

最底層是數(shù)據(jù)層，生態(tài)屋內(nèi)生態(tài)因子、電能及物資模塊等信息的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)運(yùn)行中其信息錄入者的個人信息通過數(shù)據(jù)中心的方式與其他系統(tǒng)交互獲得[9]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.2 軟件設(shè)計

高原生態(tài)屋生態(tài)因子數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)有三個模塊：數(shù)據(jù)庫模塊、系統(tǒng)界面模塊、界面與數(shù)據(jù)庫連接模塊。

2.2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

高原生態(tài)屋管理系統(tǒng)主要涉及到6個表，即：普通管理員用戶信息表、總管理員用戶信息表、開發(fā)者用戶信息表、生態(tài)因子模塊表、電能模塊表、物資補(bǔ)給表?？倲?shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2.2 可視化設(shè)計

高原生態(tài)屋管理系統(tǒng)的可視化設(shè)計，著重考慮用戶的交互性和數(shù)據(jù)直觀化這兩點?？梢暬鞒倘鐖D3所示。

交互性：管理員們可以選擇不同的模塊和不同時段進(jìn)行查詢分析，模塊分為生態(tài)因子、電能和物資補(bǔ)給三個部分;時段分為日周月年四個不同的時間段[10]。

數(shù)據(jù)直觀化：在數(shù)據(jù)庫調(diào)取數(shù)據(jù)信息后，針對生態(tài)因子模塊，我們采取二維散點圖（只表示日時間段的數(shù)據(jù)變化）和動態(tài)三維散點圖（周月年），第一第二維是生態(tài)因子計量單位和時間，其定義按照管理員需求做出調(diào)整，而生態(tài)因子的第三維植物生長狀況維度保持不變[11]，在-1和1之間，其中1為極好，-1為極差，而生長狀態(tài)只由管理員定期檢查時錄入。針對電能模塊和物資補(bǔ)給模塊，本系統(tǒng)采取折線和餅狀圖，用以簡單的而有直觀的表示電量的變化和各部分的百分比。

3 數(shù)據(jù)傳輸與服務(wù)

3.1 因子數(shù)據(jù)分析

利用高原生態(tài)屋生態(tài)因子數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過對其溫度、光照強(qiáng)度、濕度環(huán)境因子數(shù)據(jù)的收集與分析[12]，將得到不同環(huán)境因子之間的直接影響與間接影響，為自我進(jìn)化算法（“DNA算法”）奠定基礎(chǔ)，建立有助于植物自我進(jìn)化的數(shù)據(jù)庫，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

3.2 因子數(shù)據(jù)傳輸

Zigbee協(xié)議分為兩部分，IEEE 802.15.4定義了PHY（物理層）和MAC（介質(zhì)訪問層）技術(shù)規(guī)范;Zigbee聯(lián)盟定義了NWK（網(wǎng)絡(luò)層）、APS（應(yīng)用程序支持層）、APL（應(yīng)用層）技術(shù)規(guī)范[13]。Zigbee協(xié)議棧將各個層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并給用戶提供API（應(yīng)用層），用戶可以直接調(diào)用。在eclipse加載相應(yīng)的jar包，引入接口SerialPortEventListener，連接正確的端口，便可以接收數(shù)據(jù)。

3.3 聯(lián)網(wǎng)模塊

服務(wù)器框架采取的是：JAVA的SpringMVC+Mybatis +MySQL[14]，將高原生態(tài)屋管理系統(tǒng)連接網(wǎng)絡(luò)后，通過客戶端連接服務(wù)器端的IP地址和端口號，并遵循TCP/IP協(xié)議，構(gòu)建socket通信，sever端將接收請求和參數(shù)，最后通過訪問client客戶端的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)資料上傳，其通信過程如圖4所示。

3.4 界面設(shè)計與功能實現(xiàn)

使用JAVA語言開發(fā)系統(tǒng)的界面，通過JDBC把系統(tǒng)界面與MySQL5.0建立的數(shù)據(jù)庫聯(lián)系起來[15]。系統(tǒng)根據(jù)不同的操作從數(shù)據(jù)庫中查詢數(shù)據(jù)或輸入數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)管理。

管理員界面以普通管理員界面為例，該界面的主要功能是錄入、查詢各模塊的數(shù)據(jù)信息及存儲普通管理員基本信息。普通管理員添加修改以后，其個人信息及工作記錄會存儲到這張表中。

數(shù)據(jù)可視化模塊以二維散點圖為例，在數(shù)據(jù)庫調(diào)取數(shù)據(jù)信息后，針對生態(tài)因子模塊，采取二維散點圖（只表示日時段的數(shù)據(jù)變化），可使數(shù)據(jù)直觀化。

4 結(jié)束語

此項目能高效的儲存和管理海量的高原生態(tài)屋中各環(huán)境因子的數(shù)據(jù)，對高原環(huán)境下的高原生態(tài)屋有著巨大的作用。切實保證了高原生態(tài)屋能夠科學(xué)化運(yùn)行，為未來智能化、信息化管理生態(tài)屋奠定基礎(chǔ)。

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