基于Web的遠程農業溫室監控系統設計

胡云陽　張智斌　王海瑞

摘要 針對現代溫室監控系統時效性差、監控環境因子單一等問題，設計了一種基于Web技術與無線傳感網絡技術ZigBee的遠程溫室監控系統，實現對溫室環境參數溫度、二氧化碳濃度、濕度的數據采集，利用互聯網進行遠程Web客戶端的實時顯示，實現遠程Web客戶端對溫室內通風、灌溉、燈光設施的調節控制，滿足了分散不集中的現代農業設施環境信息監控的需求。

關鍵詞 Web；ZigBee；無線傳感網絡；遠程監控

中圖分類號 S126；TP393.1 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）05-328-03

Abstract Aiming at the problems of modern greenhouse monitoring system， such as poor timeliness， and single monitoring environment factors， a remote greenhouse monitoring system based on Web technology and wireless sensor network technology ZigBee was designed， achieving greenhouse environment parameters such as temperature， carbon dioxide concentration， humidity data acquisition. Using Internet to carry out realtime display of the remote Web client， can realize the control of ventilation， irrigation and lighting facilities in greenhouse， meet the needs of modern decentralized agricultural facilities and environmental information monitoring.

Key words Web； ZigBee； Wireless sensor networks； Remote monitoring

隨著現代農業技術的飛速發展，溫室已經由傳統的簡易塑料大棚發展成為具有人工控制自動化、機械化程度很高的現代化溫室模式。溫室中的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照以及室內的通風、灌溉都是影響農作物生長的重要環境參數，如何對這些重要的環境參數進行遠程智能監控，是目前農業現代化領域的關鍵問題和熱點問題之一。監測數據的準確性和實時性是開發遠程監控系統的必須要解決的問題。

傳統的農業溫室監控依然存在著控制技術智能程度過低的問題，對農作物生長環境的調控技術不夠完善，只能簡單地進行數據采集顯示和控制，對采集的數據分析處理等不夠成熟，同時主要采用C/S模式的監控模式存在著用戶使用不便的缺點。針對以上問題，筆者利用Web技術與無線傳感網絡技術ZigBee，采用B/S架構模式構建基于Web的遠程農業設施監控系統，實現了對監控數據的存儲、分析和處理，以及溫室內相關種植設備的控制，以期達到大規模農業溫室分布式遠程集中監控和低投入高產出的目的。

1 遠程監控系統總體

1.1 系統總體框架

基于Web的遠程監控系統根據功能不同劃分為3層，對現場生產設備進行數據采集與處理的現場監控層，存儲與共享監控信息數據的Web服務層，與用戶交互的Web監控層，系統總體結構見圖1。

在現場監控層中主要在室內采用大量的無線傳感網絡節點，利用ZigBee自組網技術自組智能網絡系統，實現分布式多點采集。采集的數據通過網關上傳到服務器端，由服務器處理后存儲到數據庫，同時服務器將實時數據通過Internet互聯網發給Web客戶端，用戶在任何地方通過瀏覽器便可以方便快捷地瀏覽這些監控數據，用戶也可以在Web頁面上設置、修改參數遠程控制溫室內相關的設施。系統采用B/S的架構模式，改善了傳統C/S模式無法夸平臺的局限性，使得系統應用更加靈活通用，便于系統的升級和維護。

1.2 基于Web服務器的數據庫

整個系統中數據庫主要負責實時數據的存儲、讀取和歷史監控數據的查詢。一個穩定的數據庫將對整個系統的正常運行起到重要的作用，在遠程監控系統中數據庫建立在Web服務器端，通過接口程序的調用，執行實時監控數據的接受和存儲。現場監控層的無線傳感節點通過ZigBee無線模塊通過自組網絡與網關連接，將獲得的實時數據信息實時發送到Web服務器端進行數據的解析和處理，將有效的數據存儲到數據庫。用戶只要通過瀏覽器便可對數據庫中的數據進行瀏覽和對分布在設施內的無線傳感節點進行遠程控制。

2 無線傳感網絡系統

2.1 ZigBee自組網技術

ZigBee技術是一種新興的短距離無線雙向通信技術，擁有低成本、低損耗、時間延遲短、安全性能高、靈活易用等特點，受到廣泛的關注和應用。它是由ZigBee聯盟在802.15.4標準的基礎上提出來的，IEEE802.15.4標準組織定義的，相比于WiFi在技術上更簡單，2.4 GHz的ZigBee信號強度也比較準確，網絡容量大，理論上1個ZigBee網絡的容量可達65 536個，雖然它的數據傳輸速度只有250 kpbs，但只對于采集環境參數傳感器信息來講能夠提供較高性價比的解決方案。同時ZigBee支持地理定位功能，這對于查找設備異常故障有非常重要的作用。

ZigBee網絡有兩種常見的拓撲結構：星型拓撲和點對點拓撲結構。每個ZigBee網絡都至少需要一個網絡協調器FDD來實現網絡協調功能，一個終端設備FDD或者RFD，為節約系統成本該設計使用RFD。星型拓撲結構一般由一個FFD和若干RFD組成，FFD充當網絡協調功能，其他設備負責協調通信。ZigBee采用的自組織網，當ZigBee網絡模塊終端在彼此的通信范圍內，通過自動尋找，很快就可以形成一個互聯互通的ZigBee網絡，如果模塊移動彼此之間的網絡還會發生變化，可以通過重新尋找通信對象，再次確定相互聯絡，對原有網絡進行刷新。ZigBee組網模式見圖2。

2.2 無線傳感節點

分布在溫室中的監控站點的無線傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。傳感器模塊負責采集監測區域的瓦斯氣體濃度數據并進行數據轉換；微控制器模塊控制著整個無線傳感器節點的操作，處理該節點采集的數據和其他傳感器節點發來的監測數據并對數據進行存儲；無線通信模塊負責各傳感器節點之間的組網、通信、交換控制信息以及收發采集存儲的信息；電源模塊為整個傳感器節點的運行提供電源，這里采用電池供電。無線傳感器節點結構見圖3。

對于微控制器模塊，該研究使用Philips公司開發的32位低功耗ARM處理器LPC2160，該處理器完全滿足對整個無線傳感器節點的控制操作，且其較低的功耗對于采用電池供電的傳感器節點大大延長了電池的使用時間，減少因更換電池帶來的維護成本。CC2430是一顆真正的系統芯片（SoC）CMOS解決方案，該ZigBee射頻芯片能夠大大提高節點的性能，滿足ZigBee技術的2.4 GHz ISM波段的應用，具有低成本、低功耗的特點。

2.3 傳感器節點程序設計

傳感器節點軟件實現系統初始化傳感器節點、進行環境參數采集與其他傳感器節點、協調器通信。通電后先對節點進行初始化操作，然后搜索附近協調器FFD組建的網絡，若附近找到協調器網絡則加入網絡，若沒有找到協調器則將自身設為協調器FFD等待其他節點加入網絡，開始采集氣體濃度數據并及時上傳到協調器節點，由協調器節點在傳給PC機，保證將監測信息及時發送到Web服務器端數據庫。協調器將定時檢測網絡內傳感器節點設備運行狀態，發現故障節點立刻將故障信息發送給PC機，同時協調器節點會向區域內各節點發送控制指令。傳感器節點工作流程見圖4。

3 基于Web的遠程溫室監控系統

3.1 基于Ajax技術的Web數據交互

Ajax（Asynchronous JavaScript and XML）由Adptive path的顧問Jesse James Garrett首先提出，是一種創建異步通信交互式網頁的Web技術，其核心是JavaScript對象XMLHttpRequest，是一種創建異步請求的技術。XMLHttpRequest可以使用JavaScript 向服務器提出請求并處理響應，同時不會阻塞用戶。 傳統的Web應用用戶在提交表單（form）時，Web服務器會接受并處理用戶提交的表單，然后向瀏覽器返回一個新的網頁。這種請求數據的方式會浪費很多資源，因為前后兩個頁面中的大部分Html代碼往往是相同的。在遠程監控系統中，Web頁面切換、顯示實時數據時，如果采用傳統交互模式則會出現頁面不斷的刷新閃爍，Web頁面加載緩慢影響系統的體驗效果。

Ajax引擎通過客戶端腳本JavaScript調用XMLHttpRequest對象，產生Http請求不需要等待服務器響應，服務器將向Web客戶端傳回XML格式數據，利用JavaScript DOM編程操作Html頁面實現Web頁面的動態局部刷新，應用模型如圖5所示。這種方法能減少對服務器的冗余請求以及響應，減輕服務器的負擔，同時降低了帶寬資源的浪費，給用戶帶來良好的體驗。

3.2 監控數據的實時顯示

系統是采用基于Web技術的B/S結構遠程監控系統，系統是實時性要求較高的Web應用。數據動態顯示要求頁面不斷地刷新更新數據，它的實時性就是要求頻繁地更新客戶端的數據。該系統中采用C#編程語言利用asp.Net中的Ajax控件，來解決實時數據顯示部分的局部刷新Ajax技術的應用，能夠避免開發者進行復雜的客戶端腳本編寫，只需要在頁面上進行控件的操作就可以實現局部刷新。Web 頁面采用 Ajax中的 Timer控件設置定時局部周期性的更新，將實現局部更新的區域放置在 UpdataPanel 控件中， 然后通過Script Manager 控件制定需要執行的腳本就可以進行局部更新。

3.3 溫室設備的遠程控制 設備的遠程控制也是系統設計的重要組成部分，也是遠程監控系統中控制的一個具體的體現。設備的控制指令主要通過建立套接字socket（）函數來實現發送，用戶在Web客戶端對設備控制參數修改時，客戶端發出的指令由指定的端口發送給Web服務器端，服務器將控制指令存入實時數據庫，通過控制服務器的串口發給與設備相連的無線傳感節點中的微控制器，控制指令執行完成后并向服務器返回控制信息，并將數據庫中與設備相關的狀態信息進行更新。

4 結語

基于Web的遠程農業溫室監控系統，利用Web技術與ZigBee無線傳感網絡技術結合充分的發揮Internet的優勢，實現了對實時環境數據的采集及顯示、數據處理、實時控制的功能。系統對農業溫室中影響農作物生長的各環境要素的智能監控，節約了溫室管理者的勞動成本，為管理者提供了更加便利、準確、智能的管理工具。

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