王思樂，盧素魁，楊文柱，陳麗萍，陳向陽

(河北大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定　071002)

?

基于消息隊列服務(wù)的大田作物生長監(jiān)測系統(tǒng)

王思樂，盧素魁，楊文柱，陳麗萍，陳向陽

(河北大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定071002)

為解決大田作物生長信息獲取難的問題，設(shè)計開發(fā)了一個大田作物生長監(jiān)測系統(tǒng).該系統(tǒng)采用B/S與C/S相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，通過綜合運用ActiveMQ消息服務(wù)器、AJAX等技術(shù)，實現(xiàn)了大田作物生長信息的定時采集、實時采集、多視圖展示、動態(tài)功能部署等功能.實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能完備，穩(wěn)定性、可操作性強，完全滿足進(jìn)行大田作物長勢信息采集的各項要求.

監(jiān)測系統(tǒng)；消息服務(wù)；AJAX；信息采集

精細(xì)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)理念的標(biāo)志，其核心是實時獲取野外農(nóng)田中影響作物成長的相關(guān)信息，進(jìn)而診斷作物長勢，以達(dá)到準(zhǔn)確進(jìn)行地塊的灌溉、施肥、噴藥等農(nóng)業(yè)活動，最大限度地提高水、肥和殺蟲劑的利用效率，獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的目的[1-3].實時獲取大田作物相關(guān)信息的計算機(jī)系統(tǒng)是精細(xì)農(nóng)業(yè)能夠順利開展的基本保證.及時采集的作物長勢信息為進(jìn)一步的農(nóng)業(yè)分析提供了決策依據(jù)[4-9].基于相機(jī)的野外監(jiān)測系統(tǒng)可通過直接在田間設(shè)置觀測設(shè)備獲取作物的長勢信息，對精細(xì)農(nóng)業(yè)研究具有重要意義.

C/S結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的監(jiān)測系統(tǒng)需要各個客戶端連接同一服務(wù)器，對于大田作物生長監(jiān)測系統(tǒng)，若將大田傳感器控制客戶端和操控客戶端并聯(lián)的話，研究者便被限制在服務(wù)端可連接的物理區(qū)域.采用B/S結(jié)構(gòu)能夠最大限度的擴(kuò)展研究者的工作空間，但直接使用瀏覽器連接大田傳感器控制客戶端極為困難.為解決此矛盾，本文通過使用Active MQ橋接B/S結(jié)構(gòu)和C/S結(jié)構(gòu)的方法，達(dá)到了研究者在任意互聯(lián)網(wǎng)可連接位置，既可以方便獲取前端設(shè)備的定時、實時信息、對前端設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)，又可以對緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽比較.該架構(gòu)對遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)具有一定普適意義和較高實用價值.

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

大田作物生長監(jiān)測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主要包括野外監(jiān)控設(shè)施、大田信息服務(wù)器、Active MQ消息隊列服務(wù)器、Web應(yīng)用服務(wù)器和研究者客戶端等5部分，如圖1所示，其目的在于搭建農(nóng)業(yè)研究者和野外監(jiān)控設(shè)備之間的通訊橋梁，提供豐富的手段供研究者控制野外監(jiān)控傳感器，解決信息傳輸過程中的一系列問題.

圖1　大田作物生長監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1　Topology structure of field crop growth monitoring system

監(jiān)控設(shè)施指部署于野外的大田傳感器及其管理端構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)客戶端，該客戶端由一臺運行WinCE系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)、供電系統(tǒng)和一系列監(jiān)控傳感器構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)收集大田作物生長信息并由DTU傳回服務(wù)端，由大田信息服務(wù)器收集后供農(nóng)業(yè)研究者使用.同時，系統(tǒng)能接收研究者部署的符合協(xié)議的功能模塊，提升設(shè)施的監(jiān)控能力.

大田信息服務(wù)器由于研究者研究環(huán)境的差異性，桌面監(jiān)控端不便研究者隨時利用監(jiān)測系統(tǒng)獲取大田數(shù)據(jù)，為研究者提供B/S服務(wù)非常必要；但由于監(jiān)控設(shè)施所處的惡劣環(huán)境，直接導(dǎo)致利用監(jiān)控設(shè)施提供B/S服務(wù)的方案缺乏可行性.在為研究者提供大田信息服務(wù)之前，利用一個管理程序完成信息的收集及命令轉(zhuǎn)發(fā)非常必要.同時為保證實時性，該程序應(yīng)采用C/S結(jié)構(gòu)與監(jiān)控設(shè)施直接通訊，大田信息服務(wù)器便承擔(dān)了這部分任務(wù)，接收研究者發(fā)出的收集指令、與監(jiān)控設(shè)施通訊、管理監(jiān)控設(shè)施的反饋信息轉(zhuǎn)給研究者.

Web應(yīng)用服務(wù)器接收研究者通過瀏覽器發(fā)送的命令請求，與大田信息服務(wù)器進(jìn)行交互，將大田信息服務(wù)器反饋的執(zhí)行結(jié)果信息反饋給研究者.

消息隊列服務(wù)器由于Web應(yīng)用服務(wù)器與大田信息服務(wù)器采用了不同的實現(xiàn)架構(gòu)，二者之間的通訊同步存在問題.消息隊列是當(dāng)前異構(gòu)系統(tǒng)同步問題比較成熟的解決方案，ActiveMQ是比較穩(wěn)定的開源消息隊列服務(wù)器，利用ActiveMQ可以獲得穩(wěn)定的Web服務(wù)器和C/S結(jié)構(gòu)服務(wù)器通訊的同步結(jié)果.

研究者客戶端由于監(jiān)控設(shè)施獲取大田數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)傳回服務(wù)端均需較長的時間，研究者的命令往往不能得到及時的結(jié)果響應(yīng).研究者客戶端利用AJAX技術(shù)將命令推送到服務(wù)端并不斷查詢Web應(yīng)用服務(wù)器的反饋結(jié)果，保證研究者的每一條命令都能夠穩(wěn)定執(zhí)行.

從系統(tǒng)的整體功能來說，主要完成了信息定時收集、信息實時收集、多視圖信息觀察、功能模塊遠(yuǎn)程部署、監(jiān)控設(shè)施遠(yuǎn)程管理等功能.

1)信息的定時收集在指定時段收集大田作物生長信息并上傳大田信息服務(wù)器.

2)信息的實時收集在任一時刻對任一監(jiān)控設(shè)施發(fā)布收集指令并得到系統(tǒng)的及時反饋.

3)多視圖信息觀察收集的信息可以按收集時間橫向比較、按監(jiān)控設(shè)施縱向比較；歷史數(shù)據(jù)按時段進(jìn)行圖表比較；圖像數(shù)據(jù)按指定預(yù)處理方式查看等一系列不同的視角對緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察.

4)功能模塊遠(yuǎn)程部署利用預(yù)先指定的接口方法，遠(yuǎn)程部署功能模塊至監(jiān)控設(shè)施，提升監(jiān)控設(shè)施的處理能力.

5)監(jiān)控設(shè)施遠(yuǎn)程管理對監(jiān)控設(shè)施參數(shù)(定時采集時段、休眠時段等控制信息)遠(yuǎn)程設(shè)置，具體定制監(jiān)控設(shè)施的監(jiān)控行為.

1.1JMS與Avtive MQ消息隊列服務(wù)器

JMS即Java消息服務(wù)(Java message service)應(yīng)用程序接口，它是一個Java平臺中關(guān)于面向消息中間件(MOM)的API標(biāo)準(zhǔn)，由Java標(biāo)準(zhǔn)化組織(JCP)管理，用于在2個應(yīng)用程序之間，或分布式系統(tǒng)中發(fā)送消息，進(jìn)行異步通信.

ActiveMQ是Apache出品的消息總線服務(wù)器，完全支持JMS1.1標(biāo)準(zhǔn).和其他消息總線服務(wù)器相比，它的開源特性降低了系統(tǒng)的總擁有成本；只需要JVM便能運行的特征提升了它的環(huán)境適應(yīng)性.ActiveMQ的實現(xiàn)短小精悍，速度很快，對多種語言都提供了訪問接口，同時支持多種不同的消息協(xié)議，多種優(yōu)秀特性使ActiveMQ成為了當(dāng)前最流行的消息服務(wù)器之一.

1．2AJAX技術(shù)

AJAX 即異步JavaScript及XML(Asynchronous JavaScript And XML)，是一種創(chuàng)建交互式網(wǎng)頁應(yīng)用的網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù).傳統(tǒng)的Web應(yīng)用處理在用戶填寫表單時，必須在前一個表單頁面發(fā)送請求之后服務(wù)器才能接收并處理傳來的表單，然后返回一個新的網(wǎng)頁.但在前后2個頁面中的大部分HTML代碼往往相同，這就導(dǎo)致了帶寬的浪費.而且每次交互都需要向服務(wù)器發(fā)送請求，響應(yīng)時間必然依賴于服務(wù)器的響應(yīng)時間，這就導(dǎo)致了用戶界面的響應(yīng)比本地應(yīng)用慢得多.與此不同，AJAX應(yīng)用可以僅向服務(wù)器發(fā)送并取回必需的數(shù)據(jù)，它使用SOAP或其他一些基于XML的Web Service接口，并在客戶端采用JavaScript處理來自服務(wù)器的響應(yīng).因為在服務(wù)器和瀏覽器之間交換的數(shù)據(jù)量大大減少，應(yīng)用的響應(yīng)速度將得到顯著提高，同時由于很多前期處理工作可以在發(fā)出請求的客戶端上完成，Web服務(wù)器的處理時間也會明顯減少.

2　系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由野外監(jiān)控設(shè)施、大田信息服務(wù)器、Active MQ消息隊列服務(wù)器、Web應(yīng)用服務(wù)器和研究者客戶端等5部分構(gòu)成，其中Active MQ消息隊列服務(wù)器作為完整嵌入的系統(tǒng)不需要再次設(shè)計，下面討論其他5部分的實現(xiàn)結(jié)構(gòu).

2.1監(jiān)控協(xié)議

系統(tǒng)主要涉及野外監(jiān)控設(shè)施和大田信息服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通訊，由于野外環(huán)境惡劣，設(shè)計好通訊協(xié)議關(guān)系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.為了保證惡劣環(huán)境下信息傳輸?shù)馁|(zhì)量，底層選擇TCP協(xié)議進(jìn)行連接，監(jiān)控協(xié)議在TCP穩(wěn)定連接的基礎(chǔ)上實施，協(xié)議的設(shè)計格式如表1所示.

表1　監(jiān)控協(xié)議格式

信息傳遞過程中，傳遞整數(shù)(包括4字節(jié)整數(shù)、2字節(jié)整數(shù)、1字節(jié)整數(shù))時，位0為最低有效位(LSB，Least Significant Bit).若整數(shù)包含多個字節(jié)，字節(jié)0為最低有效字節(jié).整型數(shù)據(jù)采用大端(Big Endian)字節(jié)序編碼，浮點數(shù)采用IEEE 745標(biāo)準(zhǔn)，字符采用ASCII編碼，網(wǎng)絡(luò)傳輸時，先傳輸最高有效字節(jié).

時間使用2種編碼方法：簡單時間和精確時間.

簡單時間表示為32位整數(shù)，其中0～5位表示分，6～10位表示時，11～15位表示天，16～19位表示月，20～31位表示年；精確時間表示為64位整數(shù)，其中0～9位表示微秒，10～19位表示毫秒，20～25位表示秒，26～31位表示分，32～36位表示時，37～41位表示天，42～45位表示月，46～63位表示年.

具體監(jiān)控命令由Content字段表示，主要包括信息上傳指令、命令回復(fù)指令、監(jiān)控設(shè)置指令等.

2.2Web服務(wù)端實現(xiàn)機(jī)制

Web服務(wù)端需要在客戶端進(jìn)行AJAX查詢時返回相應(yīng)的json格式數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用Struts2技術(shù)實現(xiàn)此目的，在struts.xml配置文件中需要指明返回類型為json格式，關(guān)鍵配置如下：

Result

Web服務(wù)端的核心是執(zhí)行研究者客戶端命令和查詢大田信息服務(wù)器結(jié)果2個過程.在第1個過程中，研究者首先將指令發(fā)送至Web服務(wù)器，由Web服務(wù)器進(jìn)行命令解析，解析后將對大田信息服務(wù)器的操縱指令寫入消息服務(wù)器；第2個過程中，Web服務(wù)器提供的查詢結(jié)果方法檢索消息服務(wù)器，取回大田信息服務(wù)器的返回結(jié)果，相關(guān)序列圖如圖2所示.

在圖2中消息服務(wù)器暫存了監(jiān)控命令，等待大田信息服務(wù)器取出，命令執(zhí)行完畢后，大田信息服務(wù)器將結(jié)果寫回消息服務(wù)器，研究者客戶端通過Web服務(wù)器不斷輪詢消息服務(wù)器，等待返回結(jié)果.

2.3大田信息服務(wù)器及監(jiān)控設(shè)施實現(xiàn)機(jī)制

大田信息服務(wù)器使用一個線程循環(huán)查詢ActiveMQ服務(wù)器檢查是否存在研究者發(fā)送的監(jiān)控命令.不論是否存在命令，都需要依據(jù)既定設(shè)置取回監(jiān)控設(shè)施按時間采集的數(shù)據(jù)，相關(guān)序列圖如圖3所示.

圖2　Web服務(wù)端序列Fig.2　Sequence diagram of web server

圖3　大田信息服務(wù)器及監(jiān)控設(shè)施序列Fig.3　Sequence diagram of information server and monitor

2.4研究者客戶端實現(xiàn)機(jī)制

研究者客戶端采用AJAX發(fā)送及檢索返回結(jié)果，關(guān)鍵代碼如下：

$("#commandbutton").click(function(){

$.ajax({

type :"GET",

url :"j_Command_Execute",

data :{

'commandText':$('#tc').val()

},

dataType :"json",

success :function(data){

if (data.commandInfo.resultIsValid){

$('#cb').prepend(data.ci.des+ "
");

} else {

$('#cb').prepend("no result
");

}

$('#tc').val("");

}});});

研究者在客戶端的文本框tc中輸入指令，按下commandbutton按鈕執(zhí)行本過程發(fā)送指令.AJAX訪問Web服務(wù)端的j_Command_Execute方法，如果返回的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)則顯示到結(jié)果顯示層cb中，否則在cb中顯示“NoResult”,最后清空tc等待下一條命令.

refreshOnTime每秒執(zhí)行1次實現(xiàn)輪詢，輪詢時調(diào)用Web服務(wù)端的j_Command_ExecuteResult，如果返回值有效則顯示返回結(jié)果，否則顯示“no Result”.客戶端輪詢的主要代碼如下：

function refreshOnTime(){

$.ajax({

type :"GET",

url :"j_Command_ExecuteResult",

data :{},

dataType :"json",

success :function(data){

if (data.ci.resultIsValid){

$('#cb').prepend(

data.ci.des + "
");

} else

{$('#cb').prepend("no result
");}

}});

}

var sh;

sh = setInterval(refresh OnTime,1000);

3　系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果分析

系統(tǒng)完成后，組織了一些農(nóng)業(yè)科研人員和研發(fā)人員組成測試團(tuán)隊進(jìn)行了試用及測試，測試環(huán)境盡量考慮了實際生產(chǎn)環(huán)境要求，總結(jié)配置如下：

研究者客戶機(jī)：WinXP，IE、Chrome及Firefox；

服務(wù)端：Windows 2003 Server，JDK 1.8.0，Apache Tomcat 8.0，ActiveMQ 5.10.1，MySQL 5.5；

監(jiān)控設(shè)施系統(tǒng)核心：WinCE 5.5；

DTU：Comway.

在歷經(jīng)覆蓋式集成測試、隨機(jī)抽樣功能測試、72 h的穩(wěn)定性測試、隨機(jī)試用等方式的測試過程之后，測試團(tuán)隊一致認(rèn)為系統(tǒng)實用性及穩(wěn)定性基本滿足科研人員要求，測試中出現(xiàn)的主要問題集中在圖片采集時間延遲較長、GPRS通訊受環(huán)境影響較大2個方面，前者可以在將來采用更好的采集傳感器解決，后者隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋度的增長會有改進(jìn)，當(dāng)前情況仍在農(nóng)業(yè)科研人員可接受的范圍之內(nèi).

4　結(jié)束語

利用消息隊列融合C/S模式與B/S模式構(gòu)建了一種降低遠(yuǎn)端信息傳遞成本、操控端控制手段豐富的大田監(jiān)測系統(tǒng)，完成了大田作物生長信息的定時采集、實時采集、多視圖展示、動態(tài)功能部署等多種實用功能，經(jīng)農(nóng)業(yè)科研人員試用，該系統(tǒng)表現(xiàn)良好.

[1]王思樂．脫耦權(quán)限組件模型研究[J]．河北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，4(35):405-410.DOI:10.3969/j.issn.1000-1565.2015.04.012.

WANG S L.Decoupled privilege component modeling[J].Journal of Hebei University (Natural Science Edition),2015，4 (35):405-410.DOI:10.3969/j.issn.1000-1565.2015.04.012.

[2]HONKAVAARA E,SAARI H,KAIVOSOJA J,et al.Processing and assessment of spectrometric,stereoscopic imagery collected using a lightweight UAV spectral camera for precision agriculture[J].Remote Sensing,2013(5):5006-5039.DOI:10.3390/rs5105006.

[3]XIANG H T,TIAN L.An automated stand-alone in-field remote sensing system (SIRSS)for in-season crop monitoring[J].Computers and Electronics in Agriculture,2011,78(1):1-8.DOI:10.1016/j.compag.2011.04.006.

[4]YU Z H,CAO Z G,WU X,et al.Automatic image-based detection technology for two critical growth stages of maize:Emergence and three-leaf stage[J].Agricultural and Forest Meteorology,2013,174-175:65-84.DOI:10.1016/j.agrformet.2013.02.011.

[5]DUVEILLER G,BARET F,DEFOURNY P.Remotely sensed green area index for winter wheat crop monitoring:10-Year assessment at regional scale over a fragmented landscape[J].Agricultural and Forest Meteorology,2012,166-167(2):156-168.DOI:10.1016/j.agrformet.2012.07.014.

[6]YANG C H.A high-resolution airborne four-camera imaging system for agricultural remote sensing[J].Computers and Electronics in Agriculture,2012,88:13-24.DOI:10.1016/j.compag.2012.07.003.

[7]MONTALVO M,GUERRERO J M,ROMEO J,et al.Automatic expert system for weeds/crops identification in images from maize fields[J].Expert Systems with Applications,2013,40(1):75-82.DOI:10.1016/j.eswa.2012.07.034.

(責(zé)任編輯：孟素蘭)

Field crop growth monitoring system based on message queue service

WANG Sile,LU Sukui,YANG Wenzhu,CHEN Liping,CHEN Xiangyang

(College of Computer Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China)

It is difficult to acquire the growth information of the crops in the far field.A growth monitoring system for the field crops was designed to solve the problem.The designed system adopted a hybrid architecture which combined the B/S and C/S access mode.It made use of various techniques including ActiveMQ message server and AJAX.The crop growth information can be obtained at fixed time or in real time,and can be presented in multiple ways.The system function can also be deployed dynamically.The results indicate that the presented system was comprehensive,consistent and workable,and it can satisfy all requirements of information acquisition from the filed crops.

monitoring system;message service;AJAX；infomation collection

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.04.016

2016-01-03

國家國際科技合作專項項目(2013DFA11320);河北省自然科學(xué)基金資助項目(F2015201033);河北省教育廳項目(QN2014222)

王思樂(1971—)，男，河北大城人，河北大學(xué)講師，主要從事計算機(jī)應(yīng)用與模式識別方面的研究.

E-mail:fontain@163.com

TP319

A

1000-1565(2016)04-0432-06