1種可聯網的在線農業環境監測系統的設計與實現

華馳等

摘要：針對當前地理位置分散的各農業環境監測站之間數據交換、傳輸困難，難以實時完成各類采集數據的集中分析及處理現狀，提出了一種基于物聯網的在線農業環境監測系統。該系統利用物聯網和云計算技術，能夠完成各在線農業環境監測站采集數據的實時查看、歷史數據分析及實時報警功能。

關鍵詞：農業環境監測；物聯網；云計算

中圖分類號： TP274+.2 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）04-0345-05

收稿日期：2013-08-18

基金項目：江蘇省自然科學基金（編號：BK20131097）；江蘇省高校“青藍工程”（編號：蘇教師[2012]39號）；江蘇省教育科學“十二五”規劃（編號：D/2011/03/046）；江蘇省高等教育教改研究（編號：2013JSJG339）；江蘇省產學研前瞻性聯合研究面上項目（編號：BY2013016）。

作者簡介：華馳（1979—），男，江蘇興化人，碩士，講師，主要從事物聯網應用技術，計算機網絡技術的教學與研究。E-mail：huac@jsit.edu.cn。物聯網被認為是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業第三次浪潮[1]。物聯網以感知為前提，實現人與人、人與物、物與物全面互聯的網絡。在物體上植入各種微型芯片，用這些傳感器獲取物理世界的各種信息，再通過局部的無線網絡、互聯網、移動通信網等各種通信網絡交互傳遞，從而實現對世界的感知。物聯網在農業環境監測上的應用將會使農業環境監測的方式發生重大變革，促進我國農業環境監測技術的提升，目前，農業環境監測裝置在地理位置上比較分散，各種監測設備都是單獨運行，設備之間的數據傳輸、交換困難，可靠性、安全性、經濟性及安裝維護非常不便，難以實時完成各類采集數據的集中處理及分析。

1系統概述在可聯網的在線農業環境監測系統中，每個可聯網的在線農業環境監測系統組成包括監測站三角支架、太陽簡易總輻射表、風速傳感器、風向傳感器、溫濕度傳感器、組件溫度傳感器、輕型百葉箱、電源、協議轉換器、主采集器機箱、抱箍、航空插頭、防水接頭、采集器、太陽能供電系統（可選）、避雷針等。

可聯網的在線農業環境監測系統（型號SA-WS01）通過3G、GPRS、WiFi無線通信方式或LAN有線通信方式接入Internet中的云服務器，各個可聯網的在線農業環境監測系統（型號SA-WS01）的所有數據都將存儲在云服務器中，各移動終端或PC終端可以通過GPRS、3G、WiFi、LAN等方式基于Web完成農業環境監測站數據顯示、歷史數據查看、報警信息查看等功能，系統模型如圖1所示。

2系統感知層設計

可聯網的在線農業環境監測系統的感知層結構如圖2所示，溫濕度傳感器、光照輻射傳感器、風向傳感器、風速傳感器、組件溫度傳感器等通過0～5 V轉ModBUS 設備和單片機80C51相連，傳感器各節點在硬件的基礎上基于ZigBee無線通信協議組建Mesh網絡，然后直接與單片機80C51相連；單片機80C51中包含了內存、SD卡及各類外圍電路；感知層通過無線收發模塊（如WiFi、GPRS模塊、3G模塊等）以及WLAN、3G網和GPRS網與互聯網進行數據交換。

2.1供電方式

2.2數據采集模塊

在線農業環境監測系統數據采集模塊主要由溫濕度傳感器、風速傳感器、光照輻射傳感器、風向傳感器、溫濕度傳感器等完成。

溫濕度傳感器電路主要由電源電路、控制電路、模擬量計算電路、通信電路及溫濕度模擬量采樣電路組成；風速傳感器電路主要由電源電路、控制電路、模擬量計算電路、通信電路及風速采樣電路組成；光照輻射傳感器電路主要由電源電路、控制電路、模擬量計算電路、通信電路及輻照數據采集電路組成；風向傳感器電路主要由電源電路、控制電路、模擬量計算電路、通信電路及風向采樣電路組成。各類傳感器電路的電源電路、控制電路、模擬量計算電路、通信電路的設計基本一致，不同的是根據各類傳感器的特點來設計其類型的數據采集電路。以下以風速傳感器電路的設計為例詳細進行描述。

數據采集中最重要的環節分別為數據采集及數據傳送，數據采集環節由溫濕度模擬量采樣電路完成。在如圖4所示的溫濕度模擬量采樣電路中，4針插座的4腳接VCC，1腳接地，2腳和3腳為溫濕度傳感模塊的數據腳，輸出信號經過電容和電阻的處理濾波后進入模擬量計算電路中，完成從模擬信號到數字信號的轉換。模擬量計算電路如圖5所示。數據傳送環節由通信電路完成，由晶振XA3、切換開關U6、無線收發芯片SI4432、天線P4及外圍的一些電容和電阻等組成如圖6所示的通信電路。

3系統傳輸層設計

在線農業環境監測系統傳輸層設計如圖7所示，在線農業環境監測系統中各類傳感器不工作時處于休眠低功耗運行狀態。在需要調用在線農業環境監測系統數據信息時，各終端訪問云計算中心，云中心向網關提出數據申請，而該請求又由網關傳遞到逆變器，逆變器進行分析后，喚醒各個低功耗運行的傳感器，各類傳感器開始工作后基于RS485[2]接口，通過Modbus協議把數據發送并存儲至網關Flash ROM或SD卡中，網關通過無線收發模塊（如WiFi、GPRS模塊、3G模塊等）以及WLAN、3G網和GPRS網連入Internet，并基于TCP/IP協議把數據傳輸并保存至云計算中心數據庫服務器中。

4系統應用層設計與實現

4.1應用層功能模塊設計

在線農業環境監測系統應用層軟件模塊設計的原則主要有3個方面。（1）底層硬件上傳的數據實時顯示，主要包括光照輻射傳感器，溫濕度傳感器，風速、風向傳感器采集的數據。（2）上位機根據底層硬件上傳的數據進行數據計算，主要包括風速、溫濕度等是否處在設定的報警條件區間內，根據光照度等數據計算是否有局部的陰影遮蓋等。（3）客戶端軟件，主要以直觀、易操作的特點讓用戶能夠快速完成各類數據的統計及分析。基于以上原則，具體在線農業環境監測系統應用層軟件模塊設計如圖8所示。

4.2應用層系統架構設計

在軟件體系架構設計中，多層架構是最常見也是最重要的一種架構[3]。本系統也使用多層架構，在系統中，將用戶訪問頁面、業務邏輯功能、數據存儲功能、數據庫分開設計及部署。系統用戶訪問頁面部署在Web服務器中，用戶通過Internet訪問Web服務器，Web服務器與業務邏輯服務器主要完成功能邏輯的請求與響應，而數據的查詢與存儲則由業務邏輯服務器與數據庫服務器通過交互而完成，具體如圖9所示。其中業務邏輯層、數據訪問層及數據庫部署在云計算中心。

4.3應用層功能模塊實現

系統客戶端軟件設計遵循界面友好、操作簡便原則來完成對系統采集數據的統計分析處理，并可以基于各類終端以友好的界面顯示出來各類監測結果，用戶在客戶端輸入正確的用戶名和密碼，登錄系統，進入該環境監測系統，系統訪問時序如圖10所示。本系統軟件基于eclipse平臺使用java語言完成開發，圖形顯示界面基于JavaScript技術，另外還在開發過程中使用了WebService、Ajax等其他技術。

歷史數據查詢功能頁面如圖11所示，在監測站名稱下方可以查看近一段時間的農業環境監測站數據，在歷史信息查看頁面中可以以圖表的形式查看環境監測站歷史記錄，如果需要查看某天的記錄可以手動選擇日期。報警信息查看功能頁面如圖12所示，在環境監測站數據下方篩選出環境監測站報警信息，在報警條目旁邊可以查看報警當天農業環境監測站數據和刪除當前報警條目。

5系統測試結果與分析

實踐證明，系統性能穩定可靠，客戶響應快捷，能實時與云計算中心進行通信，實現了在線農業環境監測系統中的監測數據實時顯示、歷史數據查看、報警信息查看等功能。

本研究提出的1種可聯網的在線農業環境監測系統采用了云計算技術、物聯網技術及太陽能采集技術，可以實時完成各類農業環境監測數據的顯示，歷史數據分析和終端報警信息的顯示，為現代化農業環境監測提供了一種可行、適用、成本低的解決方案[4]。

參考文獻：

[1]華馳，韋康，王輝，等. 基于物聯網的太陽能光伏組件監控系統的研究[J]. 計算機測量與控制，2012，20（10）：2696-2699.

[2]韓慧. 基于RS-485總線的溫室環境監測系統[J]. 儀表技術與傳感器，2012（3）：60-61.

[3]華馳. 藥監系統電子政務系統的設計及其關鍵技術的研究[D]. 上海：上海交通大學，2009.

[4]李莉，李海霞，劉卉. 基于無線傳感器網絡的溫室環境監測系統[J]. 農業機械學報，2009，40（增刊）：228-231.

4.2應用層系統架構設計

在軟件體系架構設計中，多層架構是最常見也是最重要的一種架構[3]。本系統也使用多層架構，在系統中，將用戶訪問頁面、業務邏輯功能、數據存儲功能、數據庫分開設計及部署。系統用戶訪問頁面部署在Web服務器中，用戶通過Internet訪問Web服務器，Web服務器與業務邏輯服務器主要完成功能邏輯的請求與響應，而數據的查詢與存儲則由業務邏輯服務器與數據庫服務器通過交互而完成，具體如圖9所示。其中業務邏輯層、數據訪問層及數據庫部署在云計算中心。

4.3應用層功能模塊實現

系統客戶端軟件設計遵循界面友好、操作簡便原則來完成對系統采集數據的統計分析處理，并可以基于各類終端以友好的界面顯示出來各類監測結果，用戶在客戶端輸入正確的用戶名和密碼，登錄系統，進入該環境監測系統，系統訪問時序如圖10所示。本系統軟件基于eclipse平臺使用java語言完成開發，圖形顯示界面基于JavaScript技術，另外還在開發過程中使用了WebService、Ajax等其他技術。

歷史數據查詢功能頁面如圖11所示，在監測站名稱下方可以查看近一段時間的農業環境監測站數據，在歷史信息查看頁面中可以以圖表的形式查看環境監測站歷史記錄，如果需要查看某天的記錄可以手動選擇日期。報警信息查看功能頁面如圖12所示，在環境監測站數據下方篩選出環境監測站報警信息，在報警條目旁邊可以查看報警當天農業環境監測站數據和刪除當前報警條目。

5系統測試結果與分析

實踐證明，系統性能穩定可靠，客戶響應快捷，能實時與云計算中心進行通信，實現了在線農業環境監測系統中的監測數據實時顯示、歷史數據查看、報警信息查看等功能。

本研究提出的1種可聯網的在線農業環境監測系統采用了云計算技術、物聯網技術及太陽能采集技術，可以實時完成各類農業環境監測數據的顯示，歷史數據分析和終端報警信息的顯示，為現代化農業環境監測提供了一種可行、適用、成本低的解決方案[4]。

參考文獻：

[1]華馳，韋康，王輝，等. 基于物聯網的太陽能光伏組件監控系統的研究[J]. 計算機測量與控制，2012，20（10）：2696-2699.

[2]韓慧. 基于RS-485總線的溫室環境監測系統[J]. 儀表技術與傳感器，2012（3）：60-61.

[3]華馳. 藥監系統電子政務系統的設計及其關鍵技術的研究[D]. 上海：上海交通大學，2009.

[4]李莉，李海霞，劉卉. 基于無線傳感器網絡的溫室環境監測系統[J]. 農業機械學報，2009，40（增刊）：228-231.

4.2應用層系統架構設計

在軟件體系架構設計中，多層架構是最常見也是最重要的一種架構[3]。本系統也使用多層架構，在系統中，將用戶訪問頁面、業務邏輯功能、數據存儲功能、數據庫分開設計及部署。系統用戶訪問頁面部署在Web服務器中，用戶通過Internet訪問Web服務器，Web服務器與業務邏輯服務器主要完成功能邏輯的請求與響應，而數據的查詢與存儲則由業務邏輯服務器與數據庫服務器通過交互而完成，具體如圖9所示。其中業務邏輯層、數據訪問層及數據庫部署在云計算中心。

4.3應用層功能模塊實現

系統客戶端軟件設計遵循界面友好、操作簡便原則來完成對系統采集數據的統計分析處理，并可以基于各類終端以友好的界面顯示出來各類監測結果，用戶在客戶端輸入正確的用戶名和密碼，登錄系統，進入該環境監測系統，系統訪問時序如圖10所示。本系統軟件基于eclipse平臺使用java語言完成開發，圖形顯示界面基于JavaScript技術，另外還在開發過程中使用了WebService、Ajax等其他技術。

歷史數據查詢功能頁面如圖11所示，在監測站名稱下方可以查看近一段時間的農業環境監測站數據，在歷史信息查看頁面中可以以圖表的形式查看環境監測站歷史記錄，如果需要查看某天的記錄可以手動選擇日期。報警信息查看功能頁面如圖12所示，在環境監測站數據下方篩選出環境監測站報警信息，在報警條目旁邊可以查看報警當天農業環境監測站數據和刪除當前報警條目。

5系統測試結果與分析

實踐證明，系統性能穩定可靠，客戶響應快捷，能實時與云計算中心進行通信，實現了在線農業環境監測系統中的監測數據實時顯示、歷史數據查看、報警信息查看等功能。

本研究提出的1種可聯網的在線農業環境監測系統采用了云計算技術、物聯網技術及太陽能采集技術，可以實時完成各類農業環境監測數據的顯示，歷史數據分析和終端報警信息的顯示，為現代化農業環境監測提供了一種可行、適用、成本低的解決方案[4]。

參考文獻：

[1]華馳，韋康，王輝，等. 基于物聯網的太陽能光伏組件監控系統的研究[J]. 計算機測量與控制，2012，20（10）：2696-2699.

[2]韓慧. 基于RS-485總線的溫室環境監測系統[J]. 儀表技術與傳感器，2012（3）：60-61.

[3]華馳. 藥監系統電子政務系統的設計及其關鍵技術的研究[D]. 上海：上海交通大學，2009.

[4]李莉，李海霞，劉卉. 基于無線傳感器網絡的溫室環境監測系統[J]. 農業機械學報，2009，40（增刊）：228-231.