發(fā)布時(shí)間：2022-05-10所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要針對(duì)現(xiàn)代溫室監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)效性差、監(jiān)控環(huán)境lllff-單一等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于Web技術(shù)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee的遠(yuǎn)程溫室監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)溫度、二氧化碳濃度、濕度的數(shù)據(jù)采集，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程Web客戶端的實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程Web客戶端對(duì)溫室內(nèi)通風(fēng)、
摘要針對(duì)現(xiàn)代溫室監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)效性差、監(jiān)控環(huán)境lllff-單一等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于Web技術(shù)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee的遠(yuǎn)程溫室監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)溫度、二氧化碳濃度、濕度的數(shù)據(jù)采集，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程Web客戶端的實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程Web客戶端對(duì)溫室內(nèi)通風(fēng)、灌溉、燈光設(shè)施的調(diào)節(jié)控制，滿足了分散不集中的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境信息監(jiān)控的需求。
關(guān)鍵詞Web;ZigBee;無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)：遠(yuǎn)程監(jiān)控
隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展。溫室已經(jīng)由傳統(tǒng)的簡(jiǎn)易塑料大棚發(fā)展成為具有人工控制自動(dòng)化、機(jī)械化程度很高的現(xiàn)代化溫室模式。溫室中的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照以及室內(nèi)的通風(fēng)、灌溉都是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要環(huán)境參數(shù)，如何對(duì)這些重要的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，是目前農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題和熱點(diǎn)問(wèn)題之一。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性是開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的必須要解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控依然存在著控制技術(shù)智能程度過(guò)低的問(wèn)題，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的調(diào)控技術(shù)不夠完善，只能簡(jiǎn)單地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集顯示和控制，對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析處理等不夠成熟，同時(shí)主要采用C/S模式的監(jiān)控模式存在著用戶使用不便的缺點(diǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題，筆者利用web技術(shù)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee，采用B/S架構(gòu)模式構(gòu)建基于Web的遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和處理，以及溫室內(nèi)相關(guān)種植設(shè)備的控制，以期達(dá)到大規(guī)模農(nóng)業(yè)溫室分布式遠(yuǎn)程集中監(jiān)控和低投入高產(chǎn)出的目的。
1遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體
1.1 系統(tǒng)總體框架基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)功能不同劃分為3層，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層，存儲(chǔ)與共享監(jiān)控信息數(shù)據(jù)的web服務(wù)層，與用戶交互的Web監(jiān)控層，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層中主要在室內(nèi)采用大量的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，利用ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)自組智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式多點(diǎn)采集。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳到服務(wù)器端，由服務(wù)器處理后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)服務(wù)器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)Inter. net互聯(lián)網(wǎng)發(fā)給Web客戶端，用戶在任何地方通過(guò)瀏覽器便可以方便快捷地瀏覽這些監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，用戶也可以在Web頁(yè)面上設(shè)置、修改參數(shù)遠(yuǎn)程控制溫室內(nèi)相關(guān)的設(shè)施。系統(tǒng)采用B/S的架構(gòu)模式，改善了傳統(tǒng)C/S模式無(wú)法夸平臺(tái)的局限性，使得系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活通用，便于系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)。
1.2基于Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)整個(gè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、讀取和歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的查詢。一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫(kù)將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行起到重要的作用，在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)建立在Web服務(wù)器端，通過(guò)接13程序的調(diào)用，執(zhí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的接受和存儲(chǔ)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊通過(guò)自組網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)連接，將獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到Web服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析和處理，將有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶只要通過(guò)瀏覽器便可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽和對(duì)分布在設(shè)施內(nèi)的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
2無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
2.1 zigB讎自組網(wǎng)技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無(wú)線雙向通信技術(shù)，擁有低成本、低損耗、時(shí)間延遲短、安全性能高、靈活易用等特點(diǎn)，受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。它是由 ZigBee聯(lián)盟在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出來(lái)的， IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)組織定義的，相比于WiFi在技術(shù)上更簡(jiǎn)單，
2.4 GHz的ZigBee信號(hào)強(qiáng)度也比較準(zhǔn)確，網(wǎng)絡(luò)容量大，理論上1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的容量可達(dá)65 536個(gè)，雖然它的數(shù)據(jù)傳輸速度只有250 kpbs，但只對(duì)于采集環(huán)境參數(shù)傳感器信息來(lái)講能夠提供較高性價(jià)比的解決方案。同時(shí)ZigBee支持地理定位功能，這對(duì)于查找設(shè)備異常故障有非常重要的作用。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)有兩種常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)浜忘c(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)都至少需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 FDD來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能，一個(gè)終端設(shè)備FDD或者RFD，為節(jié)約系統(tǒng)成本該設(shè)計(jì)使用RFD。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般由一個(gè) FFD和若干RFD組成，F(xiàn)FD充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能，其他設(shè)備負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)通信。ZigBee采用的自組織網(wǎng)，當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端在彼此的通信范圍內(nèi)，通過(guò)自動(dòng)尋找，很快就可以形成一個(gè)互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如果模塊移動(dòng)彼此之間的網(wǎng)絡(luò)還會(huì)發(fā)生變化，可以通過(guò)重新尋找通信對(duì)象，再次確定相互聯(lián)絡(luò)，對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新。ZigBee組網(wǎng)模式見(jiàn)圖2。
2.2無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)分布在溫室中的監(jiān)控站點(diǎn)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的瓦斯氣體濃度數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;微控制器模塊控制著整個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，處理該節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)和其他傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ);無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)各傳感器節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)、通信、交換控制信息以及收發(fā)采集存儲(chǔ)的信息;電源模塊為整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行提供電源，這里采用電池供電。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。，
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對(duì)于微控制器模塊，該研究使用Philips公司開(kāi)發(fā)的32 位低功耗ARM處理器LPC2160，該處理器完全滿足對(duì)整個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的控制操作，且其較低的功耗對(duì)于采用電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)大大延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間，減少因更換電池帶來(lái)的維護(hù)成本。CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片 (SoC)CMOS解決方案，該ZigBee射頻芯片能夠大大提高節(jié)點(diǎn)的性能，滿足ZigBee技術(shù)的2.4 GHz ISM波段的應(yīng)用，具有低成本、低功耗的特點(diǎn)。
2.3傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化傳感器節(jié)點(diǎn)、進(jìn)行環(huán)境參數(shù)采集與其他傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器通信。通電后先對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化操作，然后搜索附近協(xié)調(diào)器FFD組建的網(wǎng)絡(luò)，若附近找到協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)則加入網(wǎng)絡(luò)，若沒(méi)有找到協(xié)調(diào)器則將自身設(shè)為協(xié)調(diào)器FFD等待其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)始采集氣體濃度數(shù)據(jù)并及時(shí)上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在傳給PC機(jī)，保證將監(jiān)測(cè)信息及時(shí)發(fā)送到 Web服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)。協(xié)調(diào)器將定時(shí)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)立刻將故障信息發(fā)送給Pc 機(jī)，同時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)向區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令。傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程見(jiàn)圖4。
3基于Web的遠(yuǎn)程溫室監(jiān)控系統(tǒng)
3.1基于Ajax技術(shù)的Web數(shù)據(jù)交互Ajax(Asynchronous JavaScript and XML)南Adptive path的顧問(wèn)Jesse James Gar— rett首先提出，是一種創(chuàng)建異步通信交互式網(wǎng)頁(yè)的Web技術(shù)，其核心是JavaScript對(duì)象XMLHttpRequest，是一種創(chuàng)建異步請(qǐng)求的技術(shù)。XMLHttpRequest可以使用JavaScfipt向服務(wù)器提出請(qǐng)求并處理響應(yīng)，同時(shí)不會(huì)阻塞用戶。傳統(tǒng)的Web應(yīng)用用戶在提交表單(form)時(shí)，Web服務(wù)器會(huì)接受并處理用戶提交的表單，然后向?yàn)g覽器返回一個(gè)新的網(wǎng)頁(yè)。這種請(qǐng)求數(shù)據(jù)的方式會(huì)浪費(fèi)很多資源，因?yàn)榍昂髢蓚�(gè)頁(yè)面中的大部分 Html代碼往往是相同的。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，Web頁(yè)面切換、顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，如果采用傳統(tǒng)交互模式則會(huì)出現(xiàn)頁(yè)面不斷的刷新閃爍，Web頁(yè)面加載緩慢影響系統(tǒng)的體驗(yàn)效果。
Ajax引擎通過(guò)客戶端腳本JavaScript調(diào)用XMLHttpRe. quest對(duì)象，產(chǎn)生Http請(qǐng)求不需要等待服務(wù)器響應(yīng)，服務(wù)器將向Web客戶端傳回XML格式數(shù)據(jù)，利用JavaScript DOM編程操作Html頁(yè)面實(shí)現(xiàn)Web頁(yè)面的動(dòng)態(tài)局部刷新，應(yīng)用模型如圖5所示。這種方法能減少對(duì)服務(wù)器的冗余請(qǐng)求以及響應(yīng)，減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，同時(shí)降低了帶寬資源的浪費(fèi)，給用戶帶來(lái)良好的體驗(yàn)。
3.2監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示 系統(tǒng)是采用基于Web技術(shù)的 B/S結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)是實(shí)時(shí)性要求較高的web應(yīng)用。數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示要求頁(yè)面不斷地刷新更新數(shù)據(jù)，它的實(shí)時(shí)性就是要求頻繁地更新客戶端的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中采用C#編程語(yǔ)言利用asp.Net中的Ajax控件，來(lái)解決實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示部分的局部刷新Ajax技術(shù)的應(yīng)用，能夠避免開(kāi)發(fā)者進(jìn)行復(fù)雜的客戶端腳本編寫(xiě)，只需要在頁(yè)面上進(jìn)行控件的操作就可以實(shí)現(xiàn)局部刷新。Web頁(yè)面采用Ajax中的Timer控件設(shè)置定時(shí)局部周期性的更新，將實(shí)現(xiàn)局部更新的區(qū)域放置在Updat— aPanel控件中，然后通過(guò)Script Manager控件制定需要執(zhí)行的腳本就可以進(jìn)行局部更新。
3.3溫室設(shè)備的遠(yuǎn)程控制 設(shè)備的遠(yuǎn)程控制也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，也是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中控制的一個(gè)具體的體現(xiàn)。設(shè)備的控制指令主要通過(guò)建立套接字socket()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)送，用戶在Web客戶端對(duì)設(shè)備控制參數(shù)修改時(shí)，客戶端發(fā)出的指令由指定的端口發(fā)送給Web服務(wù)器端，服務(wù)器將控制指令存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)控制服務(wù)器的串口發(fā)給與設(shè)備相連的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)中的微控制器，控制指令執(zhí)行完成后并向服務(wù)器返回控制信息，并將數(shù)據(jù)庫(kù)中與設(shè)備相關(guān)的狀態(tài)信息進(jìn)行更新。
4結(jié)語(yǔ)
基于Web的遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)，利用Web技術(shù)與 ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合充分的發(fā)揮Intemet的優(yōu)勢(shì).實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集及顯示、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)控制的功能。系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)溫室中影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的各環(huán)境要素的智能監(jiān)控，節(jié)約了溫室管理者的勞動(dòng)成本.為管理者提供了更加便利、準(zhǔn)確、智能的管理工具。——論文作者：胡云陽(yáng)，張智斌，王海瑞
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