溫室遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究

王秀清，劉 青，趙繼民，楊世鳳，李 煜

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

作物聲發(fā)射的產生是作物對水分狀況和病害較敏感的響應，能夠為溫室調控提供重要的依據[1–3]．隨著互聯網＋時代的到來，溫室監(jiān)測技術正向著網絡化、信息化方向發(fā)展．無線傳感網絡技術為人們提供了一種全新的信息獲取和處理方式，其在溫室中的應用有利于提高溫室的自動化程度和現代管理水平，在農作物生長監(jiān)測中發(fā)揮重要作用[4–5]．

當前的溫室監(jiān)測大多側重于環(huán)境因子，而對作物生理信息進行監(jiān)測的研究較少；同時，對聲發(fā)射信號無線傳輸方面的研究應用也不多[6–7]．若能更好地解決聲發(fā)射信號的無線傳輸問題，會為設施農業(yè)管理提供極大便利．本文據此構建了基于無線傳感網絡的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，完成對溫室環(huán)境參數和作物病害脅迫下的聲發(fā)射信號的采集和傳輸，利用Apache＋PHP＋MySQL組合搭建遠程監(jiān)測平臺，實現了對溫室的遠程監(jiān)測．

1 系統(tǒng)總體結構

基于 B/S和 C/S混合型架構設計的溫室遠程監(jiān)測系統(tǒng)如圖 1所示．底層為無線傳感采集網絡和LabVIEW組成的C/S架構，在C/S模式下，無線傳感網絡將傳感器采集的溫度、濕度、CO2濃度、光照強度等環(huán)境因子和作物病害脅迫下聲發(fā)射信息傳輸給上位機；上位機溫室監(jiān)測系統(tǒng)以 LabVIEW 為軟件平臺搭建，對實時的溫室信息進行采集處理，并與MySQL數據庫服務器交互存儲溫室數據信息．上層為 Web服務器構成的 B/S架構網站，中間由數據庫實現 2層的數據共享．B/S模式利用 Apache作為服務器供 Web應用端調用采集數據，將數據庫中的溫室信息發(fā)布到遠程瀏覽器中．用戶通過瀏覽器登錄網站，查詢溫室信息．

圖1 系統(tǒng)架構圖Fig. 1 Architecture diagram of the system

2 數據采集及傳輸

2.1 環(huán)境因子監(jiān)測

溫室環(huán)境監(jiān)測因子主要有溫度、濕度、CO2濃度和光照強度等，采用基于 ZigBee的無線傳感網絡系統(tǒng)進行溫室環(huán)境參數采集和傳輸．無線傳感網絡節(jié)點分為網絡協調器節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點，采用模塊化設計，各個節(jié)點采用 ATmega8單片機作為處理器模塊完成A/D轉換、數據讀取、數據預處理等功能，采用 SZ05無線通信模塊完成信息的無線傳輸和交換．

針對溫室監(jiān)測環(huán)境，系統(tǒng)通過多個終端傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和網絡協調器節(jié)點構建樹型網絡，實現多路信號的無線傳輸．網絡協調器節(jié)點在無線網絡中負責整個網絡的組建工作，完成網絡設置、網絡管理、數據收發(fā)等功能，并通過串口和計算機連接．傳感器節(jié)點預先布置在溫室指定的監(jiān)測點上，定時將采集到的數據經路由節(jié)點傳送至網絡協調器節(jié)點，同時接收并響應網絡協調器節(jié)點的命令．

2.2 作物聲發(fā)射監(jiān)測

傳統(tǒng)的作物病害識別與分類主要采取人眼觀察的方式，具有耗時、費力、預報滯后的缺點[8]．研究發(fā)現健康番茄植株每日的聲發(fā)射信號是按照一定的生理周期規(guī)律發(fā)生的，病害脅迫下的植株會發(fā)生畸變[3]．對植株進行連續(xù)監(jiān)測，可觀察不同時間聲發(fā)射情況，從中探尋番茄在病害脅迫下聲發(fā)射事件發(fā)生規(guī)律，用于病害診斷和制定防治策略，對溫室調控有著積極作用．

圖 2(a)是應用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)以番茄為對象檢測到的一個聲發(fā)射事件的信號波形．從時域圖可以看出番茄聲發(fā)射信號是突發(fā)型聲發(fā)射信號，持續(xù)時間為微秒級，呈衰減形式．通過對信號進行快速傅里葉變換后得到了圖 2(b)所示的頻域波形圖，從頻率分布中可以得出該信號的峰值頻率[9]為 159,kHz．其特征值提取結果見表1．

圖2 聲發(fā)射信號波形Fig. 2 Waveform of acoustic emission signal

表1 特征參數提取結果Tab. 1 Calculation results of characteristic parameters

以一株生長期的番茄為監(jiān)測對象，進行了8,d的連續(xù)監(jiān)測，得到 416次聲發(fā)射事件．各種聲發(fā)射源產生的聲發(fā)射信號形態(tài)各異，強度不等，有很寬的頻率范圍．結合本實驗所采集到的番茄病害脅迫下的聲發(fā)射數據進行統(tǒng)計分析，番茄病害脅迫下的聲發(fā)射信號特征參數主要范圍見表2．

通過分析聲發(fā)射信號的主要特征參數可以了解聲發(fā)射信號發(fā)生規(guī)律．為了將聲發(fā)射信號通過無線傳感器網絡傳輸，并提高傳輸效率，可提取聲發(fā)射信號波形的主要特征參數并傳輸，接收端通過多項式插值法模擬得到信號波形．圖 3是根據圖 2所示聲發(fā)射信號的特征值恢復得到波形與原波形的對比．從圖3中可以看出，該方法可以較好地恢復聲發(fā)射信號的波形，并且通過特征提取運算得到的特征值一致．

表2 番茄病害脅迫下聲發(fā)射信號特征參數的主要范圍Tab. 2 The main range of characteristic parameters of acoustic emission signals under tomato disease stress

圖3 波形恢復信號和原波形對比Fig. 3 Comparison of waveform recovery signal and original waveform

考慮到作物受病害脅迫時的聲發(fā)射信號特點，本系統(tǒng)采用 TMS320F28335設計了作物聲發(fā)射采集處理系統(tǒng)，將聲發(fā)射傳感器固定在被檢測植株上，采集的聲發(fā)射信號經過放大處理后，通過 DSP進行濾波和特征值提取，并進行特征值存儲和傳輸，傳輸至上位機進行存儲和統(tǒng)計分析．

3 上位機監(jiān)測平臺

3.1 現場監(jiān)測數據的存儲

溫室遠程監(jiān)測系統(tǒng)需要存儲大量溫室環(huán)境參數，可進行歷史數據的查詢和分析處理；系統(tǒng)中要包含作物病害的有關資料信息，以供用戶查詢．

選取 MySQL作為數據庫，存儲相關數據．根據系統(tǒng)需求，在數據庫中建立了用戶信息表、監(jiān)測參數表、管理員表、農作物種類表和病害信息表．其中，監(jiān)測參數表用于存儲現場采集的環(huán)境因子和聲發(fā)射時頻次信息．根據硬件采集系統(tǒng)的數據格式，在MySQL數據庫中設計了監(jiān)測參數表，用來記錄時間、溫度、濕度、光照強度、CO2濃度和聲發(fā)射時頻次數值．數據類型均為 Varchar型，長度為 255，不允許為空．

上位機監(jiān)測軟件[10]基于 LabVIEW 平臺開發(fā)．LabVIEW提供了多種與數據庫連接的方法，這里選取 NI公司的附加數據庫接口工具包 LabVIEW SQL Toolkit進行數據庫訪問．在 LabVIEW 訪問MySQL過程中，需要將監(jiān)測參數寫入預先設計好的數據庫表格中，并且每個參數都要有數值及對應時間．因此，需要在 LabVIEW 中編寫一個循環(huán)寫入程序，將采集的數值寫入MySQL中．

3.2 PHP訪問數據庫

對于不同的Web編程技術，其搭配的Web服務器軟件是不同的．本文采用 Apache＋PHP搭配的Web服務器與編程技術，主要完成數據庫服務器與Web服務器的交互，實現瀏覽器客戶端動態(tài)頁面的操作．

通常 PHP與 MySQL的交互方式有 2種：通過mysqli函數和PDO(PHP data object)類庫．根據系統(tǒng)的需要，采用 mysqli函數連接方式實現 Web應用程序與MySQL數據庫交互．

4 遠程監(jiān)測

溫室遠程監(jiān)測系統(tǒng)的主界面如圖 4所示．遠程監(jiān)測系統(tǒng)主要分為前臺用戶頁面和后臺管理頁面．用戶頁面以曲線和表單方式實時顯示監(jiān)測數據，并擁有用戶注冊登錄、數據查詢、病害查詢、在線咨詢等功能．后臺管理頁面用于管理數據庫表中數據，主要實現典型病害特征的插入、刪除管理．

圖4 遠程溫室監(jiān)測平臺Fig. 4 Remote greenhouse monitoring platform

(1)參數查詢模塊．該模塊以 Ajax的方式與Web服務器交互，通過 Ajax技術，用戶可根據需求僅刷新局部頁面，查看最新的溫室數據，從而減少了界面響應時間，提高了用戶操作體驗．

(2)監(jiān)測數據曲線模塊．該模塊采用 Highcharts技術，通過調用 CURDATE()函數查詢出目前采集的數據，根據上位機軟件采集數據的情況確定顯示的時間間隔．圖5為實時監(jiān)測數據曲線圖．

圖5 監(jiān)測數據曲線圖Fig. 5 Curves of monitoring data

(3)歷史數據查詢模塊．該模塊以具體表單的方式呈現在用戶面前，用戶通過輸入查詢日期獲取歷史數據．

(4)病害查詢模塊．該模塊的目的在于為用戶解決作物病害問題．當用戶輸入關鍵字查詢時，PHP利用 SQL語句查詢數據庫中的數據，Web服務器調用數據庫中匹配的數據返回 HTML頁面，以表格形式顯示出用戶可能需要的病害數據．

5 結 語

本文綜合考慮環(huán)境參數和作物病害聲發(fā)射信號，設計了溫室遠程監(jiān)測系統(tǒng)，可獲取溫室環(huán)境參數和植株的聲發(fā)射信息．并以番茄為例，對番茄病害脅迫下的聲發(fā)射信號進行監(jiān)測，對聲發(fā)射信號的特征值進行提取分析和傳輸，提高了聲發(fā)射信號的傳輸效率，利用聲發(fā)射信號進行作物病害程度評價，可更好地進行遠程監(jiān)測和管理．基于LabVIEW平臺開發(fā)上位機軟件，在滿足現場監(jiān)測需要的同時，通過連接互聯網即可使用戶通過瀏覽器對溫室進行監(jiān)測．遠程監(jiān)測平臺利用 Ajax、Highcharts等網絡技術提高了用戶體驗，可在多個操作系統(tǒng)平臺下運行，具有較好的可移植性．

［1］ 霍曉靜，錢東平，呂長飛，等. 用聲發(fā)射技術實現作物生理需水信息監(jiān)測[J]. 節(jié)水灌溉，2008(9)：10–12.

［2］ 王潤濤，楊方. 基于虛擬儀器的番茄水脅迫中心頻率的研究[J]. 東北農業(yè)大學學報，2009，40(5)：108–111.

［3］ 王秀清，游國棟，楊世鳳. 基于作物病害脅迫聲發(fā)射的精準施藥[J]. 農業(yè)工程學報，2011，27(3)：205–209.

［4］ 何龍，聞珍霞，楊海清，等. 無線傳感網絡技術在設施農業(yè)中的應用[J]. 農機化研究，2010，32(12)：236–239.

［5］ 楊金生，田志宏. 基于 SHT71的溫濕度無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 天津科技大學學報，2009，24(2)：51–54.

［6］ 王銀鈴，辛磊，梁國柱. 基于無線高速聲發(fā)射系統(tǒng)設計[J]. 信息通信，2014(8)：44–45.

［7］ 鄭先鋒，劉剛. 基于作物水脅迫聲發(fā)射技術與 Zigbee無線傳感器網絡的精細灌溉系統(tǒng)的設計[J]. 電子器件，2014，37(6)：1189–1192.

［8］ 尚怡君，張善文，張云龍. 基于植物葉片圖像的作物病害檢測方法[J]. 江蘇農業(yè)科學，2014，42(4)：340–342.

［9］ 張穎，趙廣宇，周俊鵬，等. 20#鋼拉伸過程的聲發(fā)射信號頻率特性分析[J]. 化工機械，2013，40(5)：569–573.

［10］ 王秀清，趙娜，陳浩，等. 無線傳感網絡溫室環(huán)境監(jiān)測病害診斷系統(tǒng)的構建[J]. 天津科技大學學報，2013，28(2)：50–54.