張姍姍 陳令芳 張凱 高青松 楊靖

摘 要：針對(duì)農(nóng)田環(huán)境的特點(diǎn)并結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸存在的問題，提出了一種基于GPRS無線通信技術(shù)和Web技術(shù)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先以MSP430單片機(jī)為控制器構(gòu)成農(nóng)田終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田信息的采集與處理；然后由單片機(jī)控制GPRS模塊將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet傳送到監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器。用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程地查詢各種信息。本系統(tǒng)重點(diǎn)研究了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和農(nóng)田信息的使用與共享。通過實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)時(shí)采集、傳輸、顯示農(nóng)田的環(huán)境數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：GPRS；數(shù)據(jù)采集；Web；農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）07-00-02

0 引 言

農(nóng)業(yè)環(huán)境信息是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)分析和決策的重要數(shù)據(jù)源和參數(shù)，實(shí)時(shí)、快速地采集信息是推廣精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化管理的重要基礎(chǔ)[1]。準(zhǔn)確而實(shí)時(shí)的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)能夠更好地幫助人們進(jìn)行生產(chǎn)種植活動(dòng)，并能進(jìn)行各種病蟲害的預(yù)警與防治。因此，農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常具有實(shí)用意義，它能在有效降低人力消耗和對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境影響的同時(shí)，實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)環(huán)境信息，幫助農(nóng)業(yè)科技工作者清楚地掌握農(nóng)田狀況并做出合適的調(diào)控措施。

現(xiàn)有的一些農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多是針對(duì)平原溫室環(huán)境。然而面對(duì)更多復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境，如山地、丘陵等，采集到的數(shù)據(jù)如何快速傳輸，如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息最大化的共享和使用是一個(gè)重要的問題[2]。GPRS即“通用分組無線業(yè)務(wù)”（General Packet Radio Service，GPRS）是分組交換的移動(dòng)通信技術(shù)，具有永久在線、傳輸速度快、按流量計(jì)費(fèi)且費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[3]。且GPRS覆蓋域廣，幾乎所有手機(jī)能通話的地方都能使用GPRS，因此非常適合在偏僻的農(nóng)田野外通信。正是基于以上優(yōu)點(diǎn)，選擇GPRS作為系統(tǒng)無線通信的關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)使用與共享三層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，布置在監(jiān)測(cè)農(nóng)田的數(shù)據(jù)采集終端主要對(duì)農(nóng)田信息如溫度、濕度、光照度等進(jìn)行采集、處理與打包；然后GPRS模塊將數(shù)據(jù)包通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器；最后，用B/S體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)的使用與共享。用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)器，實(shí)時(shí)查詢、瀏覽各種環(huán)境信息數(shù)據(jù)以及下載所需要的Excel表格。監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器主要由Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器兩部分組成，為方便管理，將兩者放在同一臺(tái)主機(jī)上。

2 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

農(nóng)田數(shù)據(jù)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(nóng)田采集終端的結(jié)構(gòu)圖，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田信息數(shù)據(jù)的采集、處理及遠(yuǎn)程傳輸。傳感器模塊包括系統(tǒng)所需要的各種傳感器，負(fù)責(zé)采集各類信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)作為控制模塊，單片機(jī)會(huì)控制傳感器采集農(nóng)田數(shù)據(jù)，之后通過GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。GPRS模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，MSP430單片機(jī)通過AT指令設(shè)置GPRS模塊，兩者通過串口連接。GPRS模塊獲得監(jiān)測(cè)中心PC機(jī)的IP地址和端口號(hào)，可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包遠(yuǎn)程傳輸?shù)椒?wù)器。

2.2 數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)

作為監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器的PC位于實(shí)驗(yàn)室，即局域網(wǎng)內(nèi)，沒有靜態(tài)IP，因此使用具有動(dòng)態(tài)域名解析功能的花生殼軟件，且內(nèi)網(wǎng)版的花生殼自帶內(nèi)網(wǎng)映射功能，無需在路由器上進(jìn)行端口映射，這樣服務(wù)器就將本地某端口映射到互聯(lián)網(wǎng)。用戶可通過訪問花生殼綁定的域名來訪問監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器。

監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器采用流式Socket，這是針對(duì)面向連接的TCP協(xié)議[5]。Socket包括IP地址和端口兩部分，用于網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)程序的通信。首先監(jiān)測(cè)中心的上位機(jī)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)負(fù)責(zé)監(jiān)聽的Socket，這個(gè)Socket負(fù)責(zé)監(jiān)聽指定的本地端口。GPRS模塊已獲得上位機(jī)的動(dòng)態(tài)域名和指定的端口號(hào)，創(chuàng)建Socket試圖連接監(jiān)測(cè)中心的上位機(jī)；上位機(jī)接收到農(nóng)田終端的連接請(qǐng)求后，產(chǎn)生一個(gè)新的Socket與GPRS模塊建立連接通信，然后數(shù)據(jù)包被接收并存入服務(wù)器緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)傳輸完畢，關(guān)閉兩者連接的Socket。原監(jiān)聽Socket繼續(xù)監(jiān)聽，等待下一次連接請(qǐng)求。接收的數(shù)據(jù)包按照自定義的幀格式解析，并按照字段通過ADO.NET存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的MS SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫[6]。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)的過程如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)使用與共享

系統(tǒng)采用C#、ASP.NET實(shí)現(xiàn)瀏覽器和服務(wù)器（Browser/Server，B/S）體系結(jié)構(gòu)，Web服務(wù)器采用MS-IIS（Microsoft Internet Information Server，MS-IIS）技術(shù)發(fā)布。數(shù)據(jù)庫采用系統(tǒng)安全性和準(zhǔn)確性都比較好且數(shù)據(jù)處理效率比較高的MS SQL Server 2005，數(shù)據(jù)庫中設(shè)計(jì)了農(nóng)田信息數(shù)據(jù)表、管理員信息表、用戶信息表和報(bào)警信息等多張表格，系統(tǒng)主要是在Visual Studio 2010中用C#語言開發(fā)Web網(wǎng)站。

按照實(shí)現(xiàn)的功能來劃分，環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)站分為前臺(tái)功能模塊和后臺(tái)管理員模塊兩部分。用戶在前臺(tái)首頁登錄后，可通過瀏覽器向網(wǎng)絡(luò)上的Web服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，Web服務(wù)器響應(yīng)瀏覽器的請(qǐng)求，將用戶操作主頁面返回到瀏覽器；用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢參數(shù)的輸入，即可查詢、瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，還能夠繪制各節(jié)點(diǎn)信息的動(dòng)態(tài)曲線；用戶可根據(jù)需求導(dǎo)出Excel數(shù)據(jù)表格，能更方便地使用和分析數(shù)據(jù)。為了便于管理員維護(hù)服務(wù)器和確保數(shù)據(jù)的安全，網(wǎng)站還設(shè)置了后臺(tái)管理模塊，管理員可以從前臺(tái)首頁進(jìn)入后臺(tái)管理模塊，對(duì)管理員及注冊(cè)用戶的信息進(jìn)行管理。系統(tǒng)還可以對(duì)用戶設(shè)置不同級(jí)別的權(quán)限。

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

從外網(wǎng)進(jìn)行訪問時(shí)，在網(wǎng)址欄輸入花生殼綁定的動(dòng)態(tài)域名，訪問系統(tǒng)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)站。成功注冊(cè)登錄后，進(jìn)入監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)曲線頁面，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程查詢。圖4、圖5所示分別為歷史數(shù)據(jù)查詢頁面和數(shù)據(jù)曲線頁面。效果表明，在試驗(yàn)期間，整個(gè)系統(tǒng)基本能一直穩(wěn)定運(yùn)行，采集的數(shù)據(jù)也比較準(zhǔn)確可靠。

Web網(wǎng)站方面也進(jìn)行了多方面的測(cè)試，如包含數(shù)據(jù)庫鏈接、按鈕、報(bào)表刷新等功能的網(wǎng)站功能測(cè)試，結(jié)果表明網(wǎng)頁功能基本實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)站性能測(cè)試主要包括網(wǎng)站在運(yùn)行時(shí)能承受的用戶負(fù)載和頁面響應(yīng)速度。測(cè)試者分別在校園網(wǎng)、聯(lián)通網(wǎng)、電信網(wǎng)下訪問網(wǎng)站，測(cè)試表明頁面響應(yīng)速度較快，基本滿足了用戶需求；瀏覽器兼容性測(cè)試，測(cè)試者分別從IE、獵豹、360、搜狗等瀏覽器訪問網(wǎng)站，測(cè)試表明網(wǎng)站均可以正常穩(wěn)定地運(yùn)行。

4 結(jié) 語

通過對(duì)國內(nèi)外農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀和無線數(shù)據(jù)傳輸方式及Web信息發(fā)布技術(shù)的調(diào)查研究，搭建了基于GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸和Web信息發(fā)布的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和發(fā)布。系統(tǒng)雖然具有通用性，但是也存在不穩(wěn)定性因素，如惡劣的天氣不僅會(huì)干擾傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，還會(huì)影響農(nóng)田數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)存在的不足與缺點(diǎn)都會(huì)在以后的研究中被不斷改善，使其具有良好的實(shí)用性和更優(yōu)的通用性。

參考文獻(xiàn)

[1]王彥集，張瑞瑞，陳立平，等.農(nóng)田環(huán)境信息遠(yuǎn)程采集和 Web發(fā)布系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（S2）：279-282 .

[2]謝錚輝，羅微，張慧堅(jiān)，等.基于GPRS的作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（11） ：443-444.

[3]趙冬玲，劉書倫.基于ZigBee和GPRS的無線鉛塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，31（6） ： 36-40.

[4]俞昌忠，陳躍東.基于WSN和GPRS遠(yuǎn)程溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，12（4） ： 42-46.

[5]馬輝，黃秋波，蘇厚勤.TCP Socket 通信與 Web 服務(wù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)高效可靠的數(shù)據(jù)分發(fā)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28（9）：144-147.

[6]江凌，楊平利，楊梅，等.基于ADO.NET技術(shù)訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫的編程實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（8）：95-98.