黃杰

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基于Web的農(nóng)業(yè)溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃杰

（賀州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院）

針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的具體需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Web的農(nóng)業(yè)溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)的環(huán)境參量值，并控制設(shè)備的運(yùn)行以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境參量值。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，具有較好的應(yīng)用前景。

Web服務(wù)器；監(jiān)控系統(tǒng)；溫濕度監(jiān)測(cè)；ARM微處理器

0　引言

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效為目標(biāo)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變的新階段。農(nóng)作物的生長(zhǎng)與環(huán)境溫度、濕度及光照強(qiáng)度等環(huán)境因素緊密相關(guān)，不同農(nóng)作物在生長(zhǎng)時(shí)需要的環(huán)境因素不相同，即使是同一農(nóng)作物在不同的生長(zhǎng)時(shí)期需要的環(huán)境因素也不盡相同。農(nóng)業(yè)溫室利用現(xiàn)代電子通信和自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)溫室實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，可使溫室內(nèi)的溫度、濕度和光照強(qiáng)度值保持在適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的范圍。農(nóng)業(yè)溫室的監(jiān)控多采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控方式，工作人員無法實(shí)時(shí)了解和調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境參量值，效率低、操作不方便。農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)正逐步由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控向遠(yuǎn)程智能監(jiān)控的方向發(fā)展[1]。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控技術(shù)也得到快速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)逐步從集中監(jiān)控向網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)展。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已逐漸發(fā)展為基于Internet、功能更完善、操作更方便的智能化控制系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化已成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

本文利用嵌入式Web技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過Internet對(duì)溫室內(nèi)部的環(huán)境溫度、濕度和光照強(qiáng)度值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于Web的農(nóng)業(yè)溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)、Web服務(wù)器和PC機(jī)3部分組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于Web的農(nóng)業(yè)溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)

農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)負(fù)責(zé)采集農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)的環(huán)境參量值，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷和處理，同時(shí)，將采集到的環(huán)境參量值傳送給Web服務(wù)器。其主要功能如下：

1)通過傳感器不斷循環(huán)采集溫室內(nèi)的環(huán)境溫度、濕度和光照強(qiáng)度值，并將采集到的數(shù)據(jù)通過RS485串口發(fā)送給Web服務(wù)器；

2)若溫室監(jiān)控站點(diǎn)采集的環(huán)境溫度、濕度和光照強(qiáng)度值超過系統(tǒng)設(shè)定閾值時(shí)，將發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

3)溫室監(jiān)控站點(diǎn)對(duì)采集的環(huán)境溫度、濕度和光照強(qiáng)度值進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果分別控制溫、濕度和光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)電路，使其保持在合理的范圍。

1.2 Web服務(wù)器

Web服務(wù)器負(fù)責(zé)接收各農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析和處理。其主要功能如下：

1) Web服務(wù)器接收從溫室監(jiān)控站點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析。若環(huán)境參量超過系統(tǒng)閾值，則生成相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)；

2) Web服務(wù)器將接收的環(huán)境參量值、報(bào)警信號(hào)通過Internet傳送到PC機(jī)瀏覽器端。

1.3 PC機(jī)

用戶在PC機(jī)上輸入Web服務(wù)器的IP地址即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)環(huán)境參量值和報(bào)警狀態(tài)，同時(shí)還可以遠(yuǎn)程控制溫室內(nèi)的設(shè)備，以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境參量。

2　系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件包括農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)和Web服務(wù)器2部分，它們之間通過RS485串口線連接。

2.1 農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)硬件

農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，由S3C44B0X微處理器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、鍵盤、溫濕度調(diào)節(jié)電路、光照調(diào)節(jié)電路、LCD顯示電路和報(bào)警電路等組成。

圖2　農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1溫度采集電路

溫度傳感器DS18B20是新的“一線總線”接口器件，只需1個(gè)接口引腳即可實(shí)現(xiàn)通信，測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃[3]。現(xiàn)場(chǎng)溫度以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適用于惡劣環(huán)境下的溫度測(cè)量。溫度采集電路如圖3所示。

圖3　溫度采集電路

溫度傳感器DS18B20將采集的溫度轉(zhuǎn)化為12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在DS18B20的2個(gè)8比特RAM中，前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得溫度大于或等于0，前5位為0，將測(cè)到的數(shù)值乘以0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，前5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反（補(bǔ)碼）加1再乘以0.0625，即可得到實(shí)際溫度。

2.1.2濕度采集電路

濕度傳感器HS1101是電容式相對(duì)濕度傳感器，測(cè)濕范圍為：0% RH ~100%RH，誤差為±2%RH[4]。濕度采集電路如圖4所示。

圖4　濕度采集電路

NE555芯片外接電阻R1、R4和濕敏電容HS1101，構(gòu)成了對(duì)HS1101的充電回路[5]。引腳7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路，同時(shí)構(gòu)成HS1101的放電回路。將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器，構(gòu)成多諧振蕩器—方波發(fā)生器。保護(hù)電阻R1防止輸出短路；R3用于平衡濕度系數(shù)；測(cè)濕度模塊通過3腳與S3C44B0X微處理器的I/O連接。

該電路充電、放電過程交替變化。首先電源VCC通過電阻R2、R4向C（HS1101）充電，經(jīng)1充電時(shí)間后，達(dá)到芯片內(nèi)的高觸發(fā)電平（VCC），此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平；然后通過R2放電，經(jīng)2放電時(shí)間后，下降到比較器的低觸發(fā)電平（VCC），此時(shí)輸出引腳3端又由低電平變?yōu)楦唠娖?，如此往?fù)，便形成方波輸出。其充電時(shí)間1、放電時(shí)間2為

因此，輸出方波頻率為

(2)

可見，空氣濕度通過NE555測(cè)量振蕩電路轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)。NE555振蕩電路變換后的脈沖頻率信號(hào)經(jīng)處理后送入單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，定時(shí)記錄脈沖數(shù)并存入內(nèi)存緩沖區(qū)，與HS1101的濕度值進(jìn)行比較，即得出相對(duì)濕度值。

2.1.3溫濕度調(diào)節(jié)電路

本系統(tǒng)調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)的溫度和濕度有2種方式：通過溫室內(nèi)的天窗和側(cè)窗、空調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)溫室內(nèi)的溫度或濕度過高時(shí)，農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)通過步進(jìn)電機(jī)控制，打開天窗和側(cè)窗，以自然通風(fēng)的方式對(duì)溫室內(nèi)的溫度或濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)；如果溫度或濕度過高或過低，采用自然通風(fēng)的方式無法將其調(diào)節(jié)到預(yù)定的范圍時(shí)，溫室監(jiān)控站點(diǎn)控制打開農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)的空調(diào)，通過空調(diào)調(diào)節(jié)，使溫室內(nèi)的溫度和濕度保持在系統(tǒng)設(shè)定的范圍。農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)通過繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的控制，空調(diào)控制電路如圖5所示。

當(dāng)S3C44B0X微處理器的I/O口輸出低電平時(shí)，繼電器的5、4管腳之間有電勢(shì)差，繼電器通電，銜鐵將1、2管腳接通，空調(diào)開始工作；當(dāng)S3C44B0X微處理器的I/O口輸出高電平時(shí)，繼電器斷電，1、2管腳斷開，空調(diào)停止工作。

圖5　空調(diào)控制電路

2.2Web服務(wù)器硬件電路

Web服務(wù)器硬件由S3C2410微處理器、存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)接口、LCD顯示器、JTAG接口、RS485接口等組成，Web服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6　Web服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)框圖

3　系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括Web服務(wù)器軟件和農(nóng)業(yè)監(jiān)控站點(diǎn)軟件2部分。系統(tǒng)程序采用C語言編程，采用模塊化設(shè)計(jì)方法。

3.1Web服務(wù)器軟件

Web服務(wù)器采用S3C2410作為核心處理器，以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)平臺(tái)。通過對(duì)Linux操作系統(tǒng)、SQLite數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器的配置和移植，完成Web服務(wù)器的構(gòu)建[6]。在Web服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)了串口通信程序、SQLite數(shù)據(jù)庫存取程序、CGI農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境參量值閾值設(shè)置程序和CGI農(nóng)業(yè)溫室設(shè)備控制程序等。

1) 串口通信程序，該程序負(fù)責(zé)Web服務(wù)器與農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)之間的通信，接收從農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)或從Web服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)到農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)。

2) SQLite數(shù)據(jù)庫存取程序，該程序完成對(duì)SQLite數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存取操作，如對(duì)農(nóng)業(yè)溫室溫度值、濕度值和光照強(qiáng)度值的存取操作等。

3) CGI農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境參量值閾值設(shè)置程序，該程序主要完成農(nóng)業(yè)溫室的溫度、濕度和光照強(qiáng)度報(bào)警閾值的設(shè)置。

4) CGI農(nóng)業(yè)溫室設(shè)備控制程序，該程序主要完成對(duì)農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)設(shè)備的控制，如對(duì)溫室內(nèi)的空調(diào)啟?？刂?，對(duì)溫室內(nèi)的天窗和側(cè)窗開關(guān)控制等。

Linux有3個(gè)Web服務(wù)器：thttpd、Boa和httpd[7]。本設(shè)計(jì)使用Boa服務(wù)器。移植Web（Boa）服務(wù)器的步驟[8]：

1) 下載Boa源代碼并解壓；

2) 修改Boa/src/Makefile里面的編譯器，將其改為：CC=arm-Linux-gcc、CPP=arm-Linux-cpp；

3) 編譯Boa源代碼，即可生成可執(zhí)行文件；

4) 將生成的Boa可執(zhí)行文件編譯進(jìn)Linux內(nèi)核。

3.2 農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)軟件

農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)軟件主要實(shí)現(xiàn)溫度、濕度和光照強(qiáng)度采集程序、鍵盤掃描程序、溫濕度調(diào)節(jié)程序、光照調(diào)節(jié)程序、LCD液晶顯示程序、聲光報(bào)警程序等。農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)主程序流程如圖7所示。

4　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制要求，在某農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)安裝了該系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過1個(gè)月的運(yùn)行測(cè)試，得到如表1所示的測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

圖7農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控站點(diǎn)主程序流程圖

用戶可在任意聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)上，輸入Web服務(wù)器的IP地址，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)Web服務(wù)器的訪問[9]。Web服務(wù)器以動(dòng)態(tài)頁面的方式，使用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參量的報(bào)警狀態(tài)，同時(shí)還可遠(yuǎn)程控制溫室內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行以調(diào)節(jié)各環(huán)境參量。系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖8所示。

經(jīng)測(cè)試，該農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)性能良好。

表1　系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

連接服務(wù)器 歷史數(shù)據(jù) 溫室控制 視頻 設(shè)置

圖8系統(tǒng)監(jiān)控界面

5　結(jié)語

基于Web服務(wù)器的農(nóng)業(yè)溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制溫室內(nèi)的溫度、濕度和光照強(qiáng)度，使溫室內(nèi)的溫度、濕度和光照強(qiáng)度保持在適當(dāng)?shù)姆秶Ｔ撓到y(tǒng)操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，推廣應(yīng)用價(jià)值大。

參考文獻(xiàn)

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Design of Web-Based Agricultural Greenhouse Remote Monitoring System

Huang Jie

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Hezhou University)

This paper proposes a design and implementation of modern agricultural greenhouse monitoring system based on web. The system consisted of monitoring site, web server and PC. The PC is applied to monitor environment parameters value of greenhouse through internet and regulate the environment parameters value of greenhouse through the equipment from the greenhouse. The system is simple in operation, stable performance, and has better application prospect.

Web Serve; Monitoring System; Temperature and Humidity Monitoring; ARM Microprocessor

黃杰，男，1982年生，講師，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、微機(jī)控制與檢測(cè)技術(shù)等。E-mail: huangjie0773@163.com