CN108391246A - 基于wsn的温室大棚环境数据采集/展示和预警系统 - Google Patents

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CN108391246A CN201810131822.1A CN201810131822A CN108391246A CN 108391246 A CN108391246 A CN 108391246A CN 201810131822 A CN201810131822 A CN 201810131822A CN 108391246 A CN108391246 A CN 108391246A
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张文波
谭小波
付立冬
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Abstract

基于WSN的温室大棚环境数据采集/展示和预警系统，将WSN技术融入到温室大棚管理中，使用无线传感器代替人力完成对温室大棚内部多种类型环境数据的自动化采集。引入智能化预警机制，从而避免依靠人力长期值守。采用数据可视化方式统计温室大棚内部各位置实时环境信息，并获取温室大棚内部环境数据的变化趋势。开发中间件，支持数据请求、数据解析、数据持久化、实时预警和节点信息管理功能。本大棚监测系统集自动化环境信息采集、可视化数据展示和智能化实时预警一体，替代传统依靠人工管理温室大棚，支持用户远程获取温室大棚内部实时环境信息，从而帮助新农人有效进行大棚规模化管理并解决了传统温室大棚生产管理方式的不足。

Description

基于WSN的温室大棚环境数据采集/展示和预警系统
技术领域
本发明属于对于温室大棚环境的监测管理技术。
背景技术
随着我国农业发展的战略转型和人民对四季新鲜农产品的需求量增高，露天种植方式和传统温室大棚生产管理方式已经无法跟上农业发展的步伐。本发明将无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）监测技术应用在温室大棚管理领域，实现自动化采集、可视化展示和智能化预警一体化，结合新式的大棚生产管理方式，帮助用户高效进行生产管理，对于推动大棚生产管理发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的，是提供一种基于WSN的温室大棚环境数据采集/展示和预警系统。主要应用温室大棚环境监测系统，用户通过系统可以实时自动化采集温室大棚环境信息，并将环境数据结合温室局部、整体和集群的不同展现角度进行可视化展示，同时，系统的智能化环境预警机制可以有效解决长期人力值守问题，促进大棚生产管理方式向无人化方向发展，此外，本系统根据新型管理方式的功能需求将WSN引入对温室大棚生产管理的总体设计，形成具有两种管理模式的生产思路，主动管理模式和被动管理模式，从而帮助新农人有效进行大棚规模化管理并解决了传统温室大棚生产管理方式的不足。
采用的技术方案是：
一种基于WSN的温室大棚环境数据采集/展示和预警系统，主要内容包括：传感子网平台选取全IP接入方式设计并实现WSN接入IPv6网络机制，同时传输层实现节点数据采集和收发、RPL组网和网关数据转发；应用层致力于为用户和温室传感子网之间的实时稳定交互提供保证，同时为远程用户了解温室大棚内部环境信息提供服务；在应用层分别设计了中间件程序和远程实时监测程序，实现了自动化采集、可视化展示和智能化预警的一体化，中间件需要被部署在与网关互联的主机上，该程序是远程实时监测程序与传感子网间通信的消息中间件，支持数据请求、数据解析、数据持久化、实时预警和节点信息管理功能。远程实时监测程序是应用层向用户提供的服务接口，该接口支持用户远程接入监测系统，并提供可视化的实时数据展示、历史数据查询和预警模块配置等功能，包括：
1、基于WSN的传感子网平台设计与实现
本系统采用先进的WSN技术和传感子网通信及开发技术包括IPv6技术、6LoWPAN技术、RPL路由协议和Contiki操作系统内核工作机制设计了传感子网平台；
设计与实现组成传感子网平台的网关和节点，完成两者间RPL组网配置。在网关的设计与实现方面，首先比较WSN接入IPv6网络的多种方式，并选择全IP接入思想设计本文的WSN接入机制，然后将Contiki移植到相关平台，最后实现网关双向数据转发，即实现WSN接入；在节点的设计与实现方面，同样通过对节点进行Contiki移植，实现节点数据采集和数据收发。
2、中间件的设计与实现
中间件需要被部署在与网关互联的主机上，该程序是远程实时监测程序与传感子网间通信的消息中间件，支持数据请求、数据解析、数据持久化、实时预警和节点信息管理功能。中间件程序分为数据请求模块、数据解析模块、节点管理模块、以及环境预警模块。实现了自动化环境信息采集和智能化实时预警。请求模块负责定期向传感子网提出数据采集请求，支持动态修改数据请求频率；数据解析模块负责解析并持久化指定数据格式的反馈信息；节点管理模块负责节点地址的录入、更新和删除；环境预警模块负责根据数据临界值完成对数据的过滤，当数据突破临界值时，立即以邮件的方式通知温室大棚管理员或远程用户。
3、远程实时监测系统的设计与实现
远程实时监测程序是应用层向用户提供的服务接口，该接口支持用户远程接入监测系统。远程实时监测程序基于B/S结构，采用MVC开发模式，使用Java作为Web后端的主要实现，数据库选择MySQL。该程序包括实时数据可视化模块、历史数据查询模块和远程系统配置模块。实现了可视化数据展示。实时数据可视化模块负责将各个节点近期采集的数据以图表的方式展示出来；历史数据查询模块支持以日期和温室编号作为筛选条件，查询某温室指定日期的当日历史数据；远程系统配置模块负责整个系统的预警信息配置。
本发明温室大棚环境监测系统，用户通过系统可以实时自动化采集温室大棚环境信息，并将环境数据结合温室局部、整体和集群的不同展现角度进行可视化展示。同时，系统的智能化环境预警机制可以有效解决长期人力值守问题，促进大棚生产管理方式向无人化方向发展，此外，本系统根据新型管理方式的功能需求将WSN引入对温室大棚生产管理的总体设计，形成具有两种管理模式的生产思路，主动管理模式和被动管理模式，从而帮助新农人有效进行大棚规模化管理并解决了传统温室大棚生产管理方式的不足。
本发明温室大棚环境监测系统的优势在于：将WSN技术融入到温室大棚管理中，使用无线传感器代替人力完成对温室大棚内部多种类型环境数据的自动化采集。引入预警机制，当传感器节点采集的环境数据低于或高于临界值时，将当前节点编号、节点所在温室编号、不符合临界值标准的数据类型及数据值信息作为告警文本发送给温室管理员，后者负责采取相关补救措施进行处理，从而避免依靠人力长期值守。采用数据可视化方式统计温室大棚内部各位置实时环境信息，并获取温室大棚内部环境数据的变化趋势。开发中间件，实现持久化历史数据留存温室大棚内部环境历史数据供后期分析。从而构建集自动化环境信息采集、可视化数据展示和智能化实时预警一体的温室大棚环境监测系统，实现替代传统依靠人工管理温室大棚，支持用户远程获取温室大棚内部实时环境信息，从而辅助生产者进行温室大棚管理。
附图说明
图1 是本发明温室大棚管理示意图。
图2 是本发明系统功能分层图。
具体实施例
基于WSN的温室大棚环境数据采集/展示和预警系统，是一种对于温室大棚环境进行监测管理的技术，主要内容包括：传感子网平台选取全IP接入方式设计并实现WSN接入IPv6网络机制，同时传输层实现节点数据采集和收发、RPL组网和网关数据转发；应用层致力于为用户和温室传感子网之间的实时稳定交互提供保证，同时为远程用户了解温室大棚内部环境信息提供服务；在应用层分别设计了中间件程序和远程实时监测程序，实现了自动化采集、可视化展示和智能化预警的一体化，中间件需要被部署在与网关互联的主机上，该程序是远程实时监测程序与传感子网间通信的消息中间件，支持数据请求、数据解析、数据持久化、实时预警和节点信息管理功能。远程实时监测程序是应用层向用户提供的服务接口，该接口支持用户远程接入监测系统，并提供可视化的实时数据展示、历史数据查询和预警模块配置等功能。
基于WSN的温室大棚环境数据采集/展示和预警系统，采用WSN技术和传感子网通信及开发技术包括IPv6技术、6LoWPAN技术、RPL路由协议和Contiki操作系统内核工作机制设计了传感子网平台，其技术特征包括以下要件：
1、基于WSN的传感子网平台设计与实现
本系统将无线传感器网络（WSN）和Internet视为一个网络整体。其中无线传感器网络作为网络整体中的传感子网而存在，其硬件平台由传感器节点和接入网关组成，本系统传感器节点选用集成了SHT11温度传感器LIGHT SENSOR的MX231CC平台实现，网关硬件基于AVR-USBSTICK平台实现，两者均采用Atmel RF230射频发送模块和Atmel AVR微控制器，并支持 IEEE 802.15.4标准。本系统实现一种传感子网接入IPv6网络的机制，在此基础上完成基于IPv6的网关双向数据转发、节点数据多跳传输、环境数据采集和数据收发。
对组成传感子网平台的网关和节点分别进行设计与实现，完成两者间RPL组网配置。传感器节点的硬件结构由能量供应模块、无线射频模块、处理器模块和数据采集模块组成。节点的能量供应方式一般是干电池；无线射频模块主要完成信号调制和解调；处理器模块主要负责数据的收发处理、响应中断和进程调度；数据采集模块负责对周边环境信息的数据采集，并将采集到的数据发送出去。网关作为传感子网的边界，是将WSN接入IPv6网络的关键。对传感子网接入IPv6网络的各种方式进行研究，结合温室大棚环境监测系统构建的需求，分析选取合适的接入方式，在此基础上采用全IP接入思想设计WSN接入机制，然后将Contiki移植到传感子网平台，从而完成将传感子网接入IPv6网络，最后实现网关双向数据转发。
2、自动化采集和智能化预警的中间件的设计与实现
本系统应用层致力于为用户和温室传感子网之间的实时稳定交互提供保证，同时为远程用户了解温室大棚内部环境信息提供服务。在应用层分别设计了中间件程序和远程实时监测程序，中间件需要被部署在与网关互联的主机上，该程序是远程实时监测程序与传感子网间通信的消息中间件，支持数据请求、数据解析、数据持久化、实时预警和节点信息管理功能。本系统设计的中间件程序分为数据请求模块、数据解析模块、节点管理模块、以及环境预警模块。
实现了自动化环境信息采集和智能化实时预警。
数据请求模块作为请求体系场景下功能实现的首要模块，负责定期向传感子网中所有传感器节点发送HTTP请求，以触发节点完成数据采集，并为中间件程序的数据解析模块提供反馈数据。
数据解析模块负责从HTTP响应体中解析节点反馈的指定数据格式，并最终实现数据持久化。本系统选择以XML作为节点反馈信息的数据格式。并在中间件程序的数据解析模块完成XML解析。
节点管理模块负责传感子网中的交互提供对接信息。该模块的设计初衷是为系统部署人员和本地温室系统管理员提供节点信息维护接口，具体的节点信息包括节点编号、节点IP地址和应用程序端口号，相关的维护操作包括节点信息录入、修改和删除。
将环境预警模块引入中间件程序，从而保证每当温室大棚内各种环境因素对农作物的生长具有消极作用时，该模块会实时通知管理员。环境预警模块相当于一个数据过滤器，每当数据解析模块解析节点反馈数据后，且持久化数据之前，环境预警模块会先检测数据是否超过或低于预设的临界值。反馈的数据如果不符合临界值要求，则采用邮件通知方式实时向温室管理员和远程用户发送告警邮件。
3、可视化展示的远程实时监测系统的设计与实现
远程实时监测程序是应用层向用户提供的服务接口，该接口支持用户远程接入监测系统。远程实时监测程序基于B/S结构，采用MVC开发模式，使用Java作为Web后端的主要实现，数据库选择MySQL。该程序包括实时数据可视化模块、历史数据查询模块和远程系统配置模块，实现了可视化数据展示。
为了完成以可交互图表的方式实现数据可视化，对于环境数据可视化的方式，本系统选择前端动态生成策略，即通过控制前后端的接口数据格式，在前端动态生成可交互的数据图表。与后端生成策略相比，选择在前端生成图表不但满足用户与图表间的动态交互需求，而且用JSON数据格式作为数据载体可以减少数据传输量。本系统使用HighCharts结合AJAX技术实现异步发送请求、局部刷新页面，进而完成实时数据可视化。在技术实现方面，首先在后端组织需要被可视化的数据，随后将集合数据转换成JSON数据格式，最后将JSON传送至前端HighCharts接口，从而完成前端数据可视化功能。
历史数据查询模块的实现主要依托前端插件jqGrid和AJAX技术。在具体实现过程中，利用AJAX技术发送HTTP请求至后端Action，后端数据访问层完成数据查询后即可将查询结果、记录总数和总页数等信息封装成JSON数据格式，返回到前端jqGrid插件，后者针对指定的JSON数据格式进行解析，提取需要的数据信息，从而实现历史数据展示。在实际使用过程中，用户只需要选择温室编号和日期即可进行历史数据查询。
关于预警配置模块的工作流程。当携带预警配置信息的表单提交数据至后台时，后端Action会先将表单数据进行封装，然后在服务层对表单数据进行校验。如果数据校验通过，则数据访问层对配置信息进行持久化。配置修改完毕后，当中间件再次启动时，会读取最新的配置信息，从而实现预警配置更新。

Claims (1)

1.本温室大棚环境监测系统，是一种对于温室大棚环境进行监测管理的技术，主要内容包括：传感子网平台选取全IP接入方式设计并实现WSN接入IPv6网络机制，同时传输层实现节点数据采集和收发、RPL组网和网关数据转发；应用层致力于为用户和温室传感子网之间的实时稳定交互提供保证，同时为远程用户了解温室大棚内部环境信息提供服务；在应用层分别设计了中间件程序和远程实时监测程序，实现了自动化采集、可视化展示和智能化预警的一体化，中间件需要被部署在与网关互联的主机上，该程序是远程实时监测程序与传感子网间通信的消息中间件，支持数据请求、数据解析、数据持久化、实时预警和节点信息管理功能，远程实时监测程序是应用层向用户提供的服务接口，该接口支持用户远程接入监测系统，并提供可视化的实时数据展示、历史数据查询和预警模块配置等功能，包括：
⑴、基于WSN的传感子网平台设计与实现
本系统采用先进的WSN技术和传感子网通信及开发技术包括IPv6技术、6LoWPAN技术、RPL路由协议和Contiki操作系统内核工作机制设计了传感子网平台；
设计与实现组成传感子网平台的网关和节点，完成两者间RPL组网配置，在网关的设计与实现方面，首先比较WSN接入IPv6网络的多种方式，并选择全IP接入思想设计本文的WSN接入机制，然后将Contiki移植到相关平台，最后实现网关双向数据转发，即实现WSN接入；在节点的设计与实现方面，同样通过对节点进行Contiki移植，实现节点数据采集和数据收发；
⑵、中间件的设计与实现
中间件需要被部署在与网关互联的主机上，该程序是远程实时监测程序与传感子网间通信的消息中间件，支持数据请求、数据解析、数据持久化、实时预警和节点信息管理功能，中间件程序分为数据请求模块、数据解析模块、节点管理模块、以及环境预警模块，实现了自动化环境信息采集和智能化实时预警，请求模块负责定期向传感子网提出数据采集请求，支持动态修改数据请求频率；数据解析模块负责解析并持久化指定数据格式的反馈信息；节点管理模块负责节点地址的录入、更新和删除；环境预警模块负责根据数据临界值完成对数据的过滤，当数据突破临界值时，立即以邮件的方式通知温室大棚管理员或远程用户；
⑶、远程实时监测系统的设计与实现
远程实时监测程序是应用层向用户提供的服务接口，该接口支持用户远程接入监测系统，远程实时监测程序基于B/S结构，采用MVC开发模式，使用Java作为Web后端的主要实现，数据库选择MySQL，该程序包括实时数据可视化模块、历史数据查询模块和远程系统配置模块，实现了可视化数据展示，实时数据可视化模块负责将各个节点近期采集的数据以图表的方式展示出来；历史数据查询模块支持以日期和温室编号作为筛选条件，查询某温室指定日期的当日历史数据；远程系统配置模块负责整个系统的预警信息配置。
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