基于GPRS和Web的農田環境監測系統的實現

張姍姍 陳令芳 張凱 高青松 楊靖

摘 要：針對農田環境的特點并結合數據傳輸存在的問題，提出了一種基于GPRS無線通信技術和Web技術的農田環境監測系統。該系統首先以MSP430單片機為控制器構成農田終端，實現對農田信息的采集與處理；然后由單片機控制GPRS模塊將數據通過GPRS網絡和Internet傳送到監測中心的服務器。用戶可通過互聯網實時、遠程地查詢各種信息。本系統重點研究了數據的遠程傳輸和農田信息的使用與共享。通過實驗表明，本系統運行穩定，可實時采集、傳輸、顯示農田的環境數據。

關鍵詞：GPRS；數據采集；Web；農田環境監測

中圖分類號：S126 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）07-00-02

0 引 言

農業環境信息是農業專家系統分析和決策的重要數據源和參數，實時、快速地采集信息是推廣精準農業和農業現代化管理的重要基礎[1]。準確而實時的農業數據能夠更好地幫助人們進行生產種植活動，并能進行各種病蟲害的預警與防治。因此，農業環境監測系統非常具有實用意義，它能在有效降低人力消耗和對農業環境影響的同時，實時獲取農業環境信息，幫助農業科技工作者清楚地掌握農田狀況并做出合適的調控措施。

現有的一些農業環境監測系統多是針對平原溫室環境。然而面對更多復雜的農田環境，如山地、丘陵等，采集到的數據如何快速傳輸，如何實現農田信息最大化的共享和使用是一個重要的問題[2]。GPRS即“通用分組無線業務”（General Packet Radio Service，GPRS）是分組交換的移動通信技術，具有永久在線、傳輸速度快、按流量計費且費用低等優點[3]。且GPRS覆蓋域廣，幾乎所有手機能通話的地方都能使用GPRS，因此非常適合在偏僻的農田野外通信。正是基于以上優點，選擇GPRS作為系統無線通信的關鍵技術。

1 系統設計

農田環境監測系統分為數據采集與傳輸、數據接收與存儲、數據使用與共享三層，系統結構如圖1所示。首先，布置在監測農田的數據采集終端主要對農田信息如溫度、濕度、光照度等進行采集、處理與打包；然后GPRS模塊將數據包通過GPRS網絡和Internet遠程傳輸到監測中心的服務器；最后，用B/S體系結構實現農田環境數據的使用與共享。用戶可以通過互聯網訪問服務器，實時查詢、瀏覽各種環境信息數據以及下載所需要的Excel表格。監測中心的服務器主要由Web服務器和數據庫服務器兩部分組成，為方便管理，將兩者放在同一臺主機上。

2 系統的具體實現

2.1 數據采集與傳輸

農田數據采集終端包括傳感器采集模塊、控制器模塊、GPRS通信模塊和電源模塊[4]，圖2所示為農田采集終端的結構圖，其可實現對農田信息數據的采集、處理及遠程傳輸。傳感器模塊包括系統所需要的各種傳感器，負責采集各類信息數據。系統以MSP430單片機作為控制模塊，單片機會控制傳感器采集農田數據，之后通過GPRS模塊發送數據。GPRS模塊內嵌TCP/IP協議，MSP430單片機通過AT指令設置GPRS模塊，兩者通過串口連接。GPRS模塊獲得監測中心PC機的IP地址和端口號，可以通過GPRS網絡將數據包遠程傳輸到服務器。

2.2 數據接收與存儲

作為監測中心服務器的PC位于實驗室，即局域網內，沒有靜態IP，因此使用具有動態域名解析功能的花生殼軟件，且內網版的花生殼自帶內網映射功能，無需在路由器上進行端口映射，這樣服務器就將本地某端口映射到互聯網。用戶可通過訪問花生殼綁定的域名來訪問監測中心的服務器。

監測中心的服務器采用流式Socket，這是針對面向連接的TCP協議[5]。Socket包括IP地址和端口兩部分，用于網絡中兩個程序的通信。首先監測中心的上位機會創建一個負責監聽的Socket，這個Socket負責監聽指定的本地端口。GPRS模塊已獲得上位機的動態域名和指定的端口號，創建Socket試圖連接監測中心的上位機；上位機接收到農田終端的連接請求后，產生一個新的Socket與GPRS模塊建立連接通信，然后數據包被接收并存入服務器緩沖區，數據傳輸完畢，關閉兩者連接的Socket。原監聽Socket繼續監聽，等待下一次連接請求。接收的數據包按照自定義的幀格式解析，并按照字段通過ADO.NET存入數據庫服務器中的MS SQL Server 2005數據庫[6]。上位機接收數據的過程如圖3所示。

2.3 數據使用與共享

系統采用C#、ASP.NET實現瀏覽器和服務器（Browser/Server，B/S）體系結構，Web服務器采用MS-IIS（Microsoft Internet Information Server，MS-IIS）技術發布。數據庫采用系統安全性和準確性都比較好且數據處理效率比較高的MS SQL Server 2005，數據庫中設計了農田信息數據表、管理員信息表、用戶信息表和報警信息等多張表格，系統主要是在Visual Studio 2010中用C#語言開發Web網站。

按照實現的功能來劃分，環境監測網站分為前臺功能模塊和后臺管理員模塊兩部分。用戶在前臺首頁登錄后，可通過瀏覽器向網絡上的Web服務器發出請求，Web服務器響應瀏覽器的請求，將用戶操作主頁面返回到瀏覽器；用戶進行數據查詢參數的輸入，即可查詢、瀏覽實時數據和歷史數據，還能夠繪制各節點信息的動態曲線；用戶可根據需求導出Excel數據表格，能更方便地使用和分析數據。為了便于管理員維護服務器和確保數據的安全，網站還設置了后臺管理模塊，管理員可以從前臺首頁進入后臺管理模塊，對管理員及注冊用戶的信息進行管理。系統還可以對用戶設置不同級別的權限。

3 系統測試與結果

從外網進行訪問時，在網址欄輸入花生殼綁定的動態域名，訪問系統農田環境監測網站。成功注冊登錄后，進入監測平臺的數據曲線頁面，實現了數據的實時、遠程查詢。圖4、圖5所示分別為歷史數據查詢頁面和數據曲線頁面。效果表明，在試驗期間，整個系統基本能一直穩定運行，采集的數據也比較準確可靠。

Web網站方面也進行了多方面的測試，如包含數據庫鏈接、按鈕、報表刷新等功能的網站功能測試，結果表明網頁功能基本實現；網站性能測試主要包括網站在運行時能承受的用戶負載和頁面響應速度。測試者分別在校園網、聯通網、電信網下訪問網站，測試表明頁面響應速度較快，基本滿足了用戶需求；瀏覽器兼容性測試，測試者分別從IE、獵豹、360、搜狗等瀏覽器訪問網站，測試表明網站均可以正常穩定地運行。

4 結 語

通過對國內外農田環境監測現狀和無線數據傳輸方式及Web信息發布技術的調查研究，搭建了基于GPRS無線數據傳輸和Web信息發布的農田環境監測系統，可以實現數據的實時采集、傳輸和發布。系統雖然具有通用性，但是也存在不穩定性因素，如惡劣的天氣不僅會干擾傳感器節點采集信息的實時性與準確性，還會影響農田數據的遠程傳輸。系統存在的不足與缺點都會在以后的研究中被不斷改善，使其具有良好的實用性和更優的通用性。

參考文獻

[1]王彥集，張瑞瑞，陳立平，等.農田環境信息遠程采集和 Web發布系統的實現[J].農業工程學報，2008，24（S2）：279-282 .

[2]謝錚輝，羅微，張慧堅，等.基于GPRS的作物生長環境監測系統設計[J].江蘇農業科學，2014，42（11） ：443-444.

[3]趙冬玲，劉書倫.基于ZigBee和GPRS的無線鉛塵監測系統[J].新鄉學院學報，2014，31（6） ： 36-40.

[4]俞昌忠，陳躍東.基于WSN和GPRS遠程溫室大棚環境監測系統的研究[J].長春工程學院學報（自然科學版），2011，12（4） ： 42-46.

[5]馬輝，黃秋波，蘇厚勤.TCP Socket 通信與 Web 服務結合實現高效可靠的數據分發[J].計算機應用與軟件，2011，28（9）：144-147.

[6]江凌，楊平利，楊梅，等.基于ADO.NET技術訪問SQL Server數據庫的編程實現[J].現代電子技術，2014，37（8）：95-98.