農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)WebAPP的設計與實現

吳竹 崔忠偉 趙勇 桑海偉

摘 要：為了對農作物在生長過程中的風速、大氣溫度與濕度、PM2.5等氣象因子進行實時監(jiān)測，研發(fā)了農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)WebAPP。后臺管理子系統(tǒng)實現用戶、傳感器、農業(yè)環(huán)境數據、通信連接等管理。前端APP實現對監(jiān)測站的模式設置、現場維護、數據收集、歷史數據顯示等功能，為農作物生長的動態(tài)監(jiān)測提供數據支撐。

關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測;WebAPP;GPRS;藍牙;人機交互;MCU

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）02-00-04

0 引 言

傳統(tǒng)農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)普遍采用人工管理，不僅耗費大量時間與人力且出錯率較高，具體表現在如下幾方面：

（1）采用效率低下的工具收集農作物在生長過程中的環(huán)境數據;

（2）采集數據的方式為傳統(tǒng)人工收集而非自動收集、統(tǒng)計和分析;

（3）缺乏相關互聯網工具和平臺對相關數據進行有序地采集和分析，導致對數據的采集具有延遲性。

若采用WebAPP的方式實現監(jiān)測站的模式設置、現場維護、歷史數據顯示等一系列功能，便可做到對氣象因子的遠程監(jiān)測和實時預警。此外，WebAPP的方式適用于多種復雜的場景，如在智慧農業(yè)場合和交通不便利、地形復雜的山區(qū)、丘陵等農林場合使用。這種方式能夠顯著改進和優(yōu)化傳統(tǒng)農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的性能，進而提高其所應用農業(yè)環(huán)境下農產品的生產效率與農作物品質。

1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)通過數據采集儀將農業(yè)環(huán)境數據采集到MCU，數據經處理后通過GPRS或藍牙等通信手段傳送至后臺服務器。之后向WebAPP提供數據接口進行數據交互。最后后臺管理系統(tǒng)對所有監(jiān)測站采集的數據進行匯總、分析、顯示、存儲等[1]，從而實現對監(jiān)測站的模式設置、現場維護、數據收集、歷史數據顯示等。系統(tǒng)架構如圖1所示。

2 WebAPP后臺管理系統(tǒng)的設計與實現

后臺管理系統(tǒng)基于Windows平臺，在瀏覽器端運行，方便管理員對用戶、傳感器、農業(yè)環(huán)境數據進行管理操作與后期的管理和維護[2]。本系統(tǒng)在開發(fā)和設計階段不斷進行補充及完善，后期可進行持續(xù)開發(fā)，為用戶提供更好的體驗。

2.1 WebAPP后臺管理系統(tǒng)的功能設計

后臺管理系統(tǒng)包括四個模塊，分別為用戶管理模塊、傳感器節(jié)點管理模塊、農業(yè)環(huán)境數據管理模塊、通信連接模塊，具體如圖2所示。

2.2 WebAPP后臺管理系統(tǒng)的數據庫設計

系統(tǒng)的主要實體包括用戶、傳感器和環(huán)境數據，邏輯結構如圖3所示。

2.3 WebAPP后臺管理系統(tǒng)開發(fā)技術

后臺管理系統(tǒng)的邏輯功能代碼通過Java語言以及編譯工具IDEA實現。系統(tǒng)在云平臺搭建Tomcat服務器，采用SpringBoot框架與SQL Server關系數據庫。

3 WebAPP的設計與實現

3.1 WebAPP的功能設計

WebAPP功能設計如圖4所示，主要包括藍牙通信、GPRS通信、傳輸與數據處理、數據動態(tài)顯示、數據庫功能等五個模塊。

（1）藍牙通信的主要內容包括與MCU進行數據通信，提示手機打開藍牙，查找周圍的藍牙并將找到的藍牙設備顯示到設備列表，與設備列表中的藍牙設備進行配對，配對好的藍牙設備連接后便可通信。

（2）GPRS通信模塊主要負責與后臺進行數據交流，提取編輯框輸入的服務器端IP及端口號進行Socket連接，啟動接收線程接收數據，通信開始后便將數據通過發(fā)送線程發(fā)送到后臺。

（3）傳輸與數據處理模塊主要負責按照制定的協(xié)議發(fā)送相應的經校驗確認無誤的數據命令，并按協(xié)議分析、存儲、處理、顯示采集器傳來的數據[3]。

（4）數據庫負責將采集到的原始數據存儲到SD卡，用于查詢、備份存儲及動態(tài)曲線顯示。

（5）氣象因子動態(tài)顯示模塊主要負責將采集器存儲的歷史數據進行動態(tài)曲線顯示，測量參數見表1所列。

3.2 通信功能流程

3.3 WebAPP開發(fā)技術

WebAPP主要使用HBuilder和Visual Studio Code編輯軟件開發(fā)，前端選用HTML/CSS，HTML5/CSS3，Vuejs搭建框架[4]。在本系統(tǒng)平臺中，用戶通過WebAPP頁面經JavaScript等技術向后臺發(fā)起請求，服務器后臺接收請求并進行相關運算，處理結果后傳輸給手機端進行JavaScript解析，之后返回WebAPP頁面[5]。簡言之，用戶通過瀏覽器發(fā)起請求，服務器接收請求并處理后返回手機端[6]。用戶在這一過程中實現了一次完整的數據請求服務。數據請求流程如圖6所示。

3.4 APP界面

WebAPP實現了對監(jiān)測站的模式設置、現場維護、數據收集、歷史數據顯示等功能。用戶可根據實際情況自由設置采集站的工作時間、使用狀態(tài)等，從而使得數據采集效率和系統(tǒng)續(xù)航能力達到平衡[7]。

（1）主界面中選擇“菜單”按鈕進入藍牙選擇列表，選擇對應的藍牙列表進行連接，進入設置頁面后輸入服務器IP及端口號以連接服務器，連接成功顯示頁面如圖7所示。

（2）設置頁面讀取采集器地址。通過相應命令連接采集器，對設備的工作時間、設備初始化等進行遠程控制。在傳感器設置頁面選擇相應序號的傳感器進行設置并讀取采集器端的傳感器信息，如圖8所示。

（3）在手機端實現了農業(yè)環(huán)境的遠程監(jiān)測，可提取有效信息進行分析處理，通過曲線圖實時更新并動態(tài)顯示在APP中，部分氣象因子動態(tài)曲線如圖9所示。

4 結 語

本系統(tǒng)主要實現了農業(yè)生產過程中對氣象因子的實時監(jiān)測和預警，APP實現了監(jiān)測站的模式設置、現場維護、數據收集等功能，擴充了用戶的自定義操作功能，應用節(jié)能設計增加了系統(tǒng)續(xù)航能力，相比傳統(tǒng)農業(yè)環(huán)境監(jiān)測模式顯著優(yōu)化并提高了系統(tǒng)性能與監(jiān)測效率。

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