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1系統整體結構設計

1.1總體框架如圖1所示，系統的總體結構分為三個部分：硬件設施部分、服務器端、Web客戶端。其中硬件部分，在溫室內首先采用大量可移動無線傳感網絡節點組成多跳、自組織智能網絡系統，實現分布式多點采集；其次通過GPRS網絡將實時數據傳達至服務器端，經服務器端的處理后存入數據庫；服務器是一個單機版的管理軟件，采用多線程進行對實時數據監測、采集和管理等，同時承擔遠程管理系統Web客戶端的同步動作，通過互聯網的通道轉發給客戶端；客戶端是采用B/S架構的Web頁面，實現廣域網范圍的多用戶的便捷訪問和管理，同時可以實現設施內的作物生長的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度等參數信息的實時顯示、歷史查詢、遠程監控、即時影像等功能，并依據作物的生長習性自動調節相關參數的設置。系統在設計時考慮到用戶的使用方便，利用互聯網采用Web頁面的形式，改善了傳統C/S模式的局限性，使得系統的應用更加靈活，具有更強的通用性，便于系統的升級和維護。采用Web客戶端頁面，用戶可以在帶有IE瀏覽器的任意一個聯網的電腦上通過系統操作管理，使用簡單方便，實現廣域網范圍的多用戶便捷的訪問和管理。

1.2數據庫設計數據庫主要起到兩個主要的功能，實時數據的存儲讀取和歷史數據的查詢。在遠程監控系統中，數據庫建立在服務器端，通過接口的調用，實現實時數據的接收和存儲。現場的監測設備是實時數據庫的數據來源，通過ZigBee無線模塊與移動GPRS網絡連接，將獲得的實時數據信息實時地發送到服務器端進行數據解析和處理，經過該服務器的數據處理后，將有效數據存入數據庫。客戶端只要通過瀏覽器即可實時訪問、瀏覽和對數據采集模塊進行遠程控制，給分布在設施內的無線傳感器節點發送控制指令。客戶端通過時間模塊來調用任務、定時刷新，通過瀏覽器向Web服務器發出請求，Web服務器將請求轉發到數據庫，數據庫服務器響應請求，將實時數據顯示在Web頁面中。數據庫中數據的存儲是采用單節點存儲的方式，將每個節點采集的數據作為一個獨立的數據存儲在數據庫中，用戶可以詳細地了解設施內不同位置的不同環境參數，使得監控數據更加精準、詳細。

2關鍵技術

2.1基于異步Ajax技術的異步Web數據交互Ajax是由JesseJamesGaiiett創造的名詞，是指一種創建交互式網頁應用的網頁開發技術。Ajax的核心是JavaScript對象XMLHttpRequest。它是一種支持異步請求的技術。Ajax極大地發掘了Web瀏覽器的潛力，開發了大量的新特性。傳統Web應用采用同步交互過程，瀏覽器每做一個動作，用戶都要等待漫長的處理才能繼續下個動作，因為客戶端瀏覽器必須重新載入整個頁面。用戶出發一個HTTP請求到服務器，服務器接收請求，進行處理后再返回一個新的HTML頁面到客戶端。在遠程管理系統中，Web頁面切換到即時影像或者查詢歷史數據時，如果采用傳統交互方式，則會在顯示視頻或者歷史數據時出現全局刷新而造成頁面抖動甚至可能引起加載滯緩，影響視頻效果。系統采用基于Ajax技術的異步交互方式構建遠程管理系統為用戶提供流暢的數據交互體驗。Ajax引擎在客戶端瀏覽器和Web服務器之間，通過客戶端JavaScript調用XMLHttpRequest對象觸發Ajax引擎產生HTTP請求而無需等待服務器響應，服務器傳回XML格式數據，利用JavaScript操作DOM實Web頁面的動態局部更新。這種方法在很大程度上減少了冗余請求以及響應對服務器造成的負擔，同時在很大程度上減少了寬帶的浪費，很好地改善了用戶體驗。

2.2無線傳感網絡搭建設施內的無線傳感網絡的搭建，需要一種大范圍的、多節點、低功耗、低成本、具有自組織功能的網絡傳感器，結合以上需求，最終決定采用ZigBee技術實現無線傳感器網絡的搭建。基于ZigBee實現的無線傳感器網絡是基于IEEE802.0.4技術標準和ZigBee網絡協議實現的無線數據傳輸網絡。相對于現有的各種無線通信技術，低功耗的、高可靠性的ZigBee技術與無線傳感器網絡完美地結合在一起，使其成為設施內無線傳感網絡搭建的最好的選擇。無線傳感器網絡是一種傳感器比較密集、范圍比較廣的無線數據傳輸網絡。在普通的數據傳輸過程中對速度一般沒有較高的要求，但是在對傳輸數據的實時性要求比較高，并且由于傳感器比較分散，而ZigBee的出現正好解決了這一問題。所以設施內的各個監控節點是集成在ZigBee模塊上，進行自組網絡，最終實現數據的無線傳輸。ZigBee有近距離、低復雜度、低功耗、低成本等諸多優點，這些優點使得ZigBee與無線傳感器網絡完美地結合在一起，使其成為發展前景最為看好的無線傳感器網絡。

2.3遠程監控系統的信息交互根據本系統的設計，在基于Web的遠程監控中，交互信息在現場設備和瀏覽器之間的交互式通過以下兩個過程進行的。遠程監控需要獲得現場設備的實時數據信息進行分析，進而產生控制決策，遠程控制指令通過通信網絡傳回給現場設備，現場設備執行控制指令。而現場設備和Web服務器之間的通信有以下兩種方法：1)通過服務器端的數據庫進行通信。基于數據庫通信是指客戶端和現場硬件控制之間通過數據庫作為中間站，遠程監控系統下達的命令，首先錄入數據庫，客戶端周期性的對數據庫進行查詢，發現有新的命令下達立即進行處理，服務器端將采集的設備信息的實時狀態以及相關參數上傳到數據庫中，客戶端訪問數據庫讀取所需要的數據。這種方式的優點是開放性好，實時性也比較高，只要能訪問到數據庫即可。2)應用Socket編程實現TCP實時通信。客戶端與現場控制采用基于TCP/IP協議的Socket通信，是實時性非常好的方式，兩層之間可以通過服務器端作為中轉站與現場設備進行直接通信。由于服務器端可以直接和硬件設備進行通信，遠程監控系統可以通過Socket直接將指令發送給服務器端直接下達給硬件設備，之后存儲到數據庫中。這樣在整個通信過程中減少了時間延遲，實時性更高。

3系統主要模塊的實現

根據遠程監控系統的設計需求，主要界面有實時顯示界面、歷史查詢界面、實時控制界面以及即時影像界面等，各個界面分別實現設施管理的需求，實時監控、參數設置、歷史數據查詢、廣域網的遠程控制等功能。

3.1數據動態曲線的實時顯示由于本系統是采用B/S模式來構建的基于Web的遠程監控系統，所以系統的實時性要求較高的Web應用。數據動態數據實時顯示要求頁面的不斷刷新，而這就是實時數據顯示的關鍵。它的實時性就是要求頻繁的更新客戶端數據，在實際應用中數據刷新的頻率會比平時的高。由于因特網是一個同步的請求/響應系統，也就是說服務器端腳本是在服務器端運行，客戶端只是接受服務器端運行后生成的HTML格式的文本，所以客戶端對服務器的任何請求都將導致整個頁面刷新。在設計本系統中，由于中Ajax控件與可以良好的結合，在實時數據顯示部分，解決了局部刷新的問題Ajax技術的應用，減少了編程過程中的代碼量，開發者不需要編寫復雜的客戶端腳本，只需要在頁面上進行控件的操作就可以完成局部刷新。最終實現監控頁面保持穩定，只要監控點的數據發生變化，無需整體刷新就可實現實時監控。在正常運行情況下，被監測的各種參數在一定時間內應保持穩定，變化幅度較小；而當出現意外情況時，其參數往往會出現大幅度的變動。因此，引入參數隨時間變化的趨勢圖能夠更加形象地監視設施內的工作情況，同時種植戶也可以根據近期的數據變化總結種植經驗等。對于動態圖形的顯示，采用CGI、ASP、JSP等純Web技術實現是困難的。為了達到數據曲線的動態繪制的要求，本系統采用了visualstudio2010中自帶的chart控件對其進行編碼，結合B/S架構中的Ajax的局部刷新進行設計。在實時數據顯示模塊中，數據是由設施內硬件設備采集，由服務器端接收并存儲到數據庫當中，Web客戶端從數據庫中進行周期性的讀取。Web頁面采用Ajax中的Timer空間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中，然后通過ScriptManager制定需要執行的腳本就可以進行局部更新，減少了寬帶占用率，提高了網頁的加載速度。圖形顯示采用chart控件，動態顯示數據變化曲線，同時有數據顯示，圖文并茂。能在觀看到數據期變化的同時，同時能直觀的觀察到文字數據的顯示。當數據庫中相關數據發生變化時，頁面上的曲線會實時動態的變化，達到實時的效果，當鼠標移動到曲線某點處時，會顯示出對應的坐標值即設施編號、節點編號以及對應的數值，界面如圖2。

3.2歷史數據查詢歷史數據查詢主要是對設施內空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度等進行查詢。查詢方式是按照大棚號，選擇需要查詢的時間段進行查詢。查詢的數據按照二維表和曲線圖進行顯示的，在用戶瀏覽數據的同時可以直觀的觀察到對應時間段內的數據變化。系統采集的數據的存儲方式是按照節點數據存儲的，這樣對歷史數據查詢需要對數據庫中數據進行按照大棚號求平均值，再顯示在客戶端頁面。用戶選擇的時間段不同，處理的數據量就不一樣，在數據量很大時，同時要對各節點數據進行整合，求取一個大棚的各個節點的平均值，導致數據查詢超時。為了解決歷史數據查詢問題，編寫相關類對數據進行處理，在數據查詢出用此類進行相關處理，之后傳給客戶端頁面，這樣解決了查詢超時的問題，同時縮短了查詢時間，界面如圖3顯示。

3.3設備的遠程控制設備的遠程控制是系統設計的重要組成部分，也是智能化的一個具體體現。系統綜合考慮用戶的實際需求，設計了手動控制和自動控制兩種控制方式，主要控制有卷簾控制和灌溉控制。設備控制的指令發送實現主要是通過建立套接字socket()函數，進行Web客戶端與服務器端進行通信，客戶端發出的指令通過指定端口傳輸給服務器端，服務器將指令傳給控制設備，從而達到遠程控制的效果，界面如圖4。1)灌溉控制。作物需水量控制是作物生長的關鍵，系統設計以下灌溉模式：手動灌溉和自動灌溉。在數據庫中根據作物的種類以及生長狀況等條件，建立控制參數模型，濕度傳感器會周期性的采集濕度數據，當采集的數據超出參數范圍，系統會發出警告(警告方式比如說短信提醒，界面顯示上面與普通情況的不同)，在用戶選擇自動灌溉的情況下，硬件設備會自動打開，傳感器進行監控，直至采集的數據恢復正常；用戶也可以手動開啟和關閉，用戶可以根據自己的種植經驗設置灌溉時間等。2)卷簾控制。卷簾的控制影響設施的通風程度以及光照度等條件，影響作物的健康生長，也是設施種植的一項至關重要的部分。卷簾的控制采用手動控制，同樣根據傳來的警告信息，用戶自己控制打開程度，卷簾開啟等級分為0~100%檔，0即時關閉，100%是全部打開。總結以上介紹，用戶通過Web客戶端就可以對設備進行控制方式設置，實現系統自動控制和手動控制。開啟和關閉設備時，通過Web客戶端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執行節點。命令執行后并向服務器返回一個信息，告訴用戶遠程控制是否成功，并將數據庫中與設備相關的狀態、時間等信息進行更新。

3.4參數設置模塊由于植物病蟲害的發生和傳播與環境的溫濕度有及其密切的聯系，系統設計了參數設置模塊，主要便于用戶對溫室內不同作物的生長環境的參數控制，設置溫室內的各種參數范圍，具有針對性的管理作物，具有更高的科學性，同時為服務器端預警奠定基礎。

3.5視頻監控技術隨著Internet寬帶的不斷增長，視頻監控也得到了迅速的發展。系統在設計時嵌入了即時影像模塊。在設施內安裝視頻設備，對其內部情況進行監控。可以監控植株的生長狀態以及果實的成熟情況；還可以通過調整監控角度、焦距，清晰地看到幾乎每一片葉上的情況，從而監控植物病蟲發生。視頻的使用首先是對視頻進行開發，客戶端只要連接其對應的網址，就可以觀察到當前設施內的生長狀況；通過視頻設備可以捕捉影像、及時存儲，在作物病變期間也可以及時精確地拍攝下病蟲害的變化過程，對防治病蟲害以及新病害的研究提供可研究的準確材料。

4總結

本系統可以實現實時數據采集及顯示、數據處理、實時控制等功能，適合東北地區的設施農業遠程監控，實現廣域網范圍的應用，系統性能穩定，經濟方便，通用性強，易于升級，構建靈活。與傳統單機版的系統設計相比有以下優點：1)簡單、易于操作。首先：客戶端采用基于B/S架構的Web頁面形式，解決了C/S架構的部署困難，除安裝服務器外，每臺客戶機都要安裝客戶端軟件。其次，系統界面的設計，圖文并茂，適合不同教育程度的種植者，界面簡單，易于操作。2)分布式。采用TCP/IP協議，通過B/S架構的Web頁面能夠實現不同的用戶，從不同的地點，以不同的接入方式訪問采集的數據，達到更廣范圍的數據共享。3)繼承性。通過網絡可以遠程的、全面的管理設施中的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度等參數，實時監測、遠程控制大棚內設備。本設計是一種比較成熟的系統監控模式，能節省遠程監控系統的開發成本，而且通用瀏覽器就可以實現復雜專用軟件才能實現的強大功能，真正地實現隨時隨地、不受地域限制的智能監控，為設施農業的發展提供更加便利、準確、智能的管理工具，真正達到無人化的科學種植模式。

作者：于合龍 劉杰馬麗吳水方單位：吉林農業大學信息技術學院