農業大棚環境遠程監控系統的研究與設計

馮永祥++邢水紅

摘要：隨著控制技術、Internet的飛速發展，智能化控制技術在農業生產中廣泛應用。針對我國農業信息化落后，設施農業起步較低的現狀，本文將信息技術引入到農業大棚中，實現農業大棚環境遠程監控系統的設計，從而及時準確的了解、控制大棚內的環境參數，以保障大棚內作物生長所需要的溫度、濕度、光照等條件，并智能化遠程監控農業大棚作物生長，對提高農業的生產效率具有重大的社會意義和較高的經濟價值，進而達到農業大棚內作物產量增加和人力資源勞動投入減少的目的。

關鍵詞：農業大棚；環境參數；遠程監控

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）20-0261-03

Abstract：With the rapid development of control technology， Internet， intelligent control technology is widely used in agricultural production.Agricultural informationization in China， facility agriculture started lower status quo， this paper will be introduced to the information technology in agricultural greenhouses， realize the design of the remote monitoring system of agricultural greenhouse environment， so as to timely and accurate understanding， within the control of greenhouse environment parameters， in order to ensure inside the greenhouse crop growth required conditions such as temperature， humidity， illumination， and intelligent remote monitoring agricultural greenhouse crop growth， to improve the production efficiency of agriculture has important social meaning and high economic value， thus achieve agricultural greenhouses in crop yield increase and labor input to reduce the purpose of human resources.

Keywords：Agricultural greenhouses；Environmental parameters；Remote monitoring

我國是農業大國，大棚種植雖然已成為我國一些農村的重要支柱型產業，大棚種植能為低溫季節喜溫蔬菜、花卉等作物提供生育期和增加產量，但對環境溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等要求很高。大棚種植的人力投入太多，其中對于反季節蔬菜的管理，更是要求全天候值守管理，如何降低投資，增值創收已成為當前農戶的迫切需求?，F代農業將計算機、通信等信息技術引入到本領域中，定量獲取、分析環境參數和對農業目標進行實時自動監測，是現代農業的一個基本要求。故將信息技術引入到農業大棚，及時準確的了解大棚內的環境參數，以保障大棚內農作物生長所需要的環境條件[1～3]。

隨著通信技術的飛速發展不僅促進了社會發展，便利了人們的日常生活，同時給農業的信息化生產帶來了新的機遇，也給現代農業大棚基本環境的監控帶來了新的策略，即通過互聯網對大棚進行遠程監控。對提高農作物產量、合理分布農業資源、改善生態環境、提高生產效率及降低生產成本等方面有積極的作用。

1 相關理論及技術

本文采用SSH進行開發設計，SSH為Struts+Spring+Hibernate的一個集成框架，考慮到瀏覽器端對數據庫的操作，利用Hibernate持久化框架來操縱數據庫。集成SSH框架的系統從職責上分為四層：表示層、業務邏輯層、數據持久層和域模塊層，以幫助開發人員在短期內搭建結構清晰、可復用性好、維護方便的Web應用程序。其中使用Struts作為系統的整體基礎架構，負責MVC的分離，在Struts框架的模型部分，控制業務跳轉，利用Hibernate框架對持久層提供支持，Spring做管理，管理Struts和Hibernate[4，5]。

本文采用上述開發模型，不僅實現了視圖、控制器與模型的徹底分離，而且還實現了業務邏輯層與持久層的分離。這樣無論前端如何變化，模型層只需很少的改動，并且數據庫的變化也不會對前端有所影響，大大提高了系統的可復用性，而且由于不同層之間耦合度小，有利于并行工作，大大提高了開發效率。

2 可行性分析

進行可行性研究可以讓開發人員在最短的時間付出最小的代價來確定問題能否解決，進行可行性研究一般情況下需要從理論可行性、技術可行性、經濟可行性、操作可行性四個方面展開研究。

2.1 理論可行性

目前，已經形成了一套比較完備的理論體系支持農業大棚環境遠程監控系統的運行。系統的理論體系發展速度非?？?，同時，軟件的計算架構是“服務器+客戶端”。

2.2技術可行性

技術可行性主要是針對系統開發中需要解決的問題，使用目前的技術手段能否解決，解決這些問題需要花費時間和費用代價。本文采用Java語言，Eclipse開發工具，MySQL數據庫系統設計并實現其功能，可以提高開發效率，還易于系統的維護及擴展。

2.3經濟可行性

經濟可行性主要是確定軟件開發后的經濟效益能否超過它的開發成本，這就需要對軟件的投資情況認真分析，以及預測實際應用后軟件所能帶來的效益進行綜合的分析對比。經濟可行需要軟件投產后的效益大于投資開發軟件的資金。

2.4操作可行性

在系統開發方面具有一定的開發經驗，并對此系統具有成熟的開發理念，技術上保持先進性，能夠合理完成責任內的工作任務。本文采用面向對象技術開發和人性化設計，界面易用，使得系統操作起來簡單、快捷、方便、易學，極大提高了操作的可行性。

3 農業大棚環境遠程監控系統

3.1 設計目標

大棚種植的人力投入太多，如何降低投資，增值創收已成為當前農戶的迫切需求。我國農業生產水平落后，機械化程度低。農業一直是我國國民經濟的基礎，為我國經濟的發展和社會的穩定提供了一定的物質基礎。近幾年來，利用物聯網科學技術和自動控制技術來提高農業大棚的自動化控制水平，達到農業大棚內作物產量增加和人力資源勞動投入減少的目的。隨著通信技術的飛速發展不僅促進了社會發展，便利了人們的日常生活，同時給農業的信息化生產帶來了新的機遇，也給現代農業大棚基本環境的監控帶來了新的策略，即通過互聯網對大棚進行遠程監控。對提高農作物產量、合理分布農業資源、改善生態環境、提高生產效率及降低生產成本等方面有積極的作用。

3.2系統概述

3.2.1需求分析概述

通過調查農業大棚環境遠程監控的情況，結合系統的開發目標，該系統應具備以下功能需求：

1）基本需求：該系統基本全面涉及農業大棚環境遠程監控范圍，其中包括：采集環境參數數據等日常監控工作，要求各功能模塊操作方便、快捷、實用。

2）系統輸入：通過使用該系統能夠實現對農業大棚環境參數信息進行監控，包括對用戶管理、大棚管理等信息進行輸入、修改以及刪除。

3）系統輸出：該系統可根據用戶具有的相應權限，根據查詢條件對數據進行查詢和篩選操作。

3.2.2設計原則

結合用戶需求，充分考慮系統后期的實施、維護等問題，在進行系統設計時應遵循以下原則：

1）面向對象的設計模式。系統設計完全采用面向對象的設計模式，將對象的某些特征封裝起來，將現實業務抽取為更加符合實際業務的軟件模型，降低業務場景的復雜性。

2）面向服務的體系架構。通過將程序中的不同功能單元使用接口連接起來，而接口的定義不受平臺或操作系統的限制，實現服務之間的松耦合，降低程序變更帶來的成本。

3）模塊化結構。系統設計時，把代碼組裝成不同功能的模塊，完成整個系統所要求的業務操作，通過互相調用來達到求解的目的，同時以較小的代價完成系統的維護與升級。

4）業務完整性。保證系統功能涵蓋了用戶的整體業務，能夠適應不同角色、不同場景的業務需求。

5）系統實用性。切實解決用戶在工作中的問題，符合用戶的工作習慣，通過使用系統，用戶不僅能夠完成日常工作，還能提高工作效率。

6）系統可維護性。系統操作簡單，實用性高，具有易操作、易維護的特點。

3.3系統總體分析與設計

系統分析，根據系統的業務需求，設計系統結構圖，如圖1所示。

1）采集控制終端：負責采集大棚監測點環境數據，如溫度、濕度、光照、CO2濃度等各項參數情況。

2）數據傳輸網關：通過Internet將環境監測數據發送到數據處理服務器；分析環境監測數據，根據用戶設定自動向采集控制終端下發環境調節指令，當達到環境參數預警值時，進行報警；接收并轉發遠程監控終端所下發的指令。

3）數據處理服務器：接收數據傳輸網關的環境監測數據，根據遠程監控終端的瀏覽器請求或客戶端程序請求，為遠程監控終端提供歷史和實時環境監測數據查詢，實時接收和轉發調節環境參數指令及對采集控制終端、數據傳輸網關的系統設置指令。

4）PC遠程監控和手機遠程監控：可以通過瀏覽器向數據處理服務器請求歷史和實時環境監測數據，向數據處理服務器、數據傳輸網關及采集控制終端發送指令。

3.4系統功能模塊設計

農業大棚環境遠程監控系統功能模塊如圖2所示：

1）信息管理模塊：

用戶信息管理是規定用戶使用權限，不同用戶提供不同的操作權限，非用戶不能登錄系統，保證系統安全。公告信息為用戶建立一個電子公告欄。使用戶可以通過公告欄發布通知、通告和消息。所有用戶都可隨時瀏覽公告欄。為保證公告的嚴肅性，不允許用戶隨意發布信息。

2）大棚管理模塊：

ZigBee網絡的協調器節點可以收集本網絡內的所有傳感器發送來的采集數據，可以獨立向服務器發送和接收服務器數據，所以應該具有一個獨立的IP地址。大棚管理是顯示各個大棚的信息，包括不同地方不同地點的大棚相關信息，比如呼和浩特市金川開發區01號大棚的信息，都會顯示出來的。

3）數據中心模塊：

系統將采集到的數據信息以實時數據顯示給用戶，并根據需要按照環境參數和采集時間的變化以曲線的形式展示出來，根據歷史數據可以了解大棚環境參數的周期性變化規律，為農作物生長環境優化方案的調整提供了完備的數據支撐。便于對農業大棚運轉情況進行分析做出改進，提高農業大棚的生產效率。

4）控制中心模塊：

遠程控制主要有接收數據傳輸網關的環境監測數據，采用HTTP協議。接收WEB客戶端請求來控制采集控制終端。發送WEB客戶端給數據傳輸網關間接控制采集控制終端。模糊控制是利用模糊控制算法對大棚環境參數進行控制。在監測時如發現有監測結果超出設定的閾值時，系統會自動發出報警提醒工作人員。

4 結語

本文主要針對實際情況，來研究與設計農業大棚環境遠程監測系統，采用框架模式克服了傳統模式管理系統軟硬件資源共享性差、運算速度慢、設備成本高等弱點。雖然本文農業大棚環境遠程監測系統設計方案還不夠成熟，但是也為以后進一步研究和開發提供了一定的參考價值，為今后的研究帶來新的研究方向。

參考文獻：

[1]李中華，王國占，齊飛.我國設施農業發展現狀及發展思路[J].中國農機化，2012，10（12）： 40-41.

[2] V.Shanmuga Sundaram， Dr. T.Jayabharathi. An Investigation of ANN based PID Controllers using Three-Area Load Frequency Control in Interconn ected Power System[J]. International Journal of Engineering Science and Technology， 2011，6（11）：44-47.

[3] Soheil Ganjefar， Mohsen Farahani. Damping of subsynchronous resonance using self-tuning PID and wavelet neural network[J]. COMPEL：The Int ernational Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electr onic Engineering， 2012，8（9）：314-315.

[4] 儲澤楠，李世揚.基于MVC模式的Struts框架的研究與應用[J].科技信息，2009（31）：34-35.

[5] 宋曉迪.計算機輔助審計系統的設計與建設[J].福建電腦，2012（12）：118-120.

[6] Wen Z， Li S J. Design and Implementation of the Greenhouse Environmental Monitoring System Based on JN5148[J]. Applied Mechanics & Materials， 2013， 333-335：2305-2309.

[7] Zhang M， Jiang J， Liu C， et al. Development of a Multi-Function Gateway Node Oriented Environment Monitoring in Greenhouse[J]. Sensor Letters， 2013，11（6-7）：1236-1239.

[8] 田野， 徐保強， 于欣欣. 溫室大棚環境遠程監控及自動灌溉系統的設計[J]. 機械工程與自動化， 2015（3）：149-151.

[9] 郭陽雪， 孔祥洪， 宋連偉，等. 農業大棚溫度遠程實時監控系統設計[J]. 安徽農業科學， 2013， 41（3）：1308-1310.

[10]李志華. 基于Web的遠程蔬菜大棚監控系統研究與設計[J]. 山西電子技術，2014（5）：78-79.

[11] 李瑋瑤， 王建璽， 王巍. 基于ZigBee的蔬菜大棚環境監控系統設計[J]. 現代電子技術， 2015，（12）：51-54.

[12] 侯衛平， 鐘蘇麗， 包君. 基于Zigbee蔬菜大棚溫濕度遠程監控系統的研究設計[J]. 中國農機化學報， 2014， 35（4）：196-198.

[13]潘剛. 溫室環境遠程智能監控系統的設計與實現[J]. 微型機與應用， 2014（7）：91-93.