基于Web的农业温室远程监控系统设计

黄杰



基于Web的农业温室远程监控系统设计

黄杰

（贺州学院机械与电子工程学院）

针对传统农业温室监控系统的现状，结合现代农业温室监控系统的具体需求，设计并实现了一种基于Web的农业温室远程监控系统。该系统可实时监测温室内的环境参量值，并控制设备的运行以调节温室内的环境参量值。该系统操作简单、性能稳定，具有较好的应用前景。

Web服务器；监控系统；温湿度监测；ARM微处理器

0　引言

目前，我国农业正处于从传统向高产、优质、高效为目标的现代化转变的新阶段。农作物的生长与环境温度、湿度及光照强度等环境因素紧密相关，不同农作物在生长时需要的环境因素不相同，即使是同一农作物在不同的生长时期需要的环境因素也不尽相同。农业温室利用现代电子通信和自动化技术，对温室实时监控和调整，可使温室内的温度、湿度和光照强度值保持在适合农作物生长的范围。农业温室的监控多采用现场监控方式，工作人员无法实时了解和调节温室内的环境参量值，效率低、操作不方便。农业温室监控系统正逐步由现场监控向远程智能监控的方向发展[1]。

随着计算机网络和嵌入式技术的发展，监控技术也得到快速发展，监控系统逐步从集中监控向网络远程监控发展。远程监控系统已逐渐发展为基于Internet、功能更完善、操作更方便的智能化控制系统，监控系统网络化已成为一种必然的发展趋势[2]。

本文利用嵌入式Web技术，设计并实现了农业温室远程监控系统，该系统可以通过Internet对温室内部的环境温度、湿度和光照强度值进行实时监测和控制。

1　系统结构

基于Web的农业温室远程监控系统由农业温室监控站点、Web服务器和PC机3部分组成，其系统架构如图1所示。

图1　基于Web的农业温室远程监控系统架构

1.1 农业温室监控站点

农业温室监控站点负责采集农业温室内的环境参量值，并对采集到的数据进行分析、判断和处理，同时，将采集到的环境参量值传送给Web服务器。其主要功能如下：

1)通过传感器不断循环采集温室内的环境温度、湿度和光照强度值，并将采集到的数据通过RS485串口发送给Web服务器；

2)若温室监控站点采集的环境温度、湿度和光照强度值超过系统设定阈值时，将发出声光报警信号；

3)温室监控站点对采集的环境温度、湿度和光照强度值进行分析，根据分析结果分别控制温、湿度和光照强度的调节电路，使其保持在合理的范围。

1.2 Web服务器

Web服务器负责接收各农业温室监控站点传送的数据，并对接收到的数据进行保存、分析和处理。其主要功能如下：

1) Web服务器接收从温室监控站点传来的数据，并对数据进行保存和分析。若环境参量超过系统阈值，则生成相应的报警信号；

2) Web服务器将接收的环境参量值、报警信号通过Internet传送到PC机浏览器端。

1.3 PC机

用户在PC机上输入Web服务器的IP地址即可实时监测温室内环境参量值和报警状态，同时还可以远程控制温室内的设备，以调节温室内环境参量。

2　系统硬件

系统硬件包括农业温室监控站点和Web服务器2部分，它们之间通过RS485串口线连接。

2.1 农业温室监控站点硬件

农业温室监控站点硬件结构框图如图2所示，由S3C44B0X微处理器、温度传感器、湿度传感器、光照传感器、键盘、温湿度调节电路、光照调节电路、LCD显示电路和报警电路等组成。

图2　农业温室监控站点硬件结构框图

2.1.1温度采集电路

温度传感器DS18B20是新的“一线总线”接口器件，只需1个接口引脚即可实现通信，测温范围为-55℃～+125℃[3]。现场温度以“一线总线”的数字方式传输，提高了系统的抗干扰性，适用于恶劣环境下的温度测量。温度采集电路如图3所示。

图3　温度采集电路

温度传感器DS18B20将采集的温度转化为12位数据，存储在DS18B20的2个8比特RAM中，前面5位是符号位，如果测得温度大于或等于0，前5位为0，将测到的数值乘以0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，前5位为1，测到的数值需要取反（补码）加1再乘以0.0625，即可得到实际温度。

2.1.2湿度采集电路

湿度传感器HS1101是电容式相对湿度传感器，测湿范围为：0% RH ~100%RH，误差为±2%RH[4]。湿度采集电路如图4所示。

图4　湿度采集电路

NE555芯片外接电阻R1、R4和湿敏电容HS1101，构成了对HS1101的充电回路[5]。引脚7端通过芯片内部的晶体管对地短路，同时构成HS1101的放电回路。将引脚2、6端相连引入到片内比较器，构成多谐振荡器—方波发生器。保护电阻R1防止输出短路；R3用于平衡湿度系数；测湿度模块通过3脚与S3C44B0X微处理器的I/O连接。

该电路充电、放电过程交替变化。首先电源VCC通过电阻R2、R4向C（HS1101）充电，经1充电时间后，达到芯片内的高触发电平（VCC），此时输出引脚3端由高电平突降为低电平；然后通过R2放电，经2放电时间后，下降到比较器的低触发电平（VCC），此时输出引脚3端又由低电平变为高电平，如此往复，便形成方波输出。其充电时间1、放电时间2为

因此，输出方波频率为

(2)

可见，空气湿度通过NE555测量振荡电路转变为与之呈反比的频率信号。NE555振荡电路变换后的脉冲频率信号经处理后送入单片机的定时器/计数器，定时记录脉冲数并存入内存缓冲区，与HS1101的湿度值进行比较，即得出相对湿度值。

2.1.3温湿度调节电路

本系统调节农业温室内的温度和湿度有2种方式：通过温室内的天窗和侧窗、空调进行调节。

当温室内的温度或湿度过高时，农业温室监控站点通过步进电机控制，打开天窗和侧窗，以自然通风的方式对温室内的温度或湿度进行调节；如果温度或湿度过高或过低，采用自然通风的方式无法将其调节到预定的范围时，温室监控站点控制打开农业温室内的空调，通过空调调节，使温室内的温度和湿度保持在系统设定的范围。农业温室监控站点通过继电器实现对空调的控制，空调控制电路如图5所示。

当S3C44B0X微处理器的I/O口输出低电平时，继电器的5、4管脚之间有电势差，继电器通电，衔铁将1、2管脚接通，空调开始工作；当S3C44B0X微处理器的I/O口输出高电平时，继电器断电，1、2管脚断开，空调停止工作。

图5　空调控制电路

2.2Web服务器硬件电路

Web服务器硬件由S3C2410微处理器、存储器、以太网接口、LCD显示器、JTAG接口、RS485接口等组成，Web服务器硬件结构框图如图6所示。

图6　Web服务器硬件结构框图

3　系统软件

系统软件包括Web服务器软件和农业监控站点软件2部分。系统程序采用C语言编程，采用模块化设计方法。

3.1Web服务器软件

Web服务器采用S3C2410作为核心处理器，以嵌入式Linux操作系统为软件开发平台。通过对Linux操作系统、SQLite数据库和Web服务器的配置和移植，完成Web服务器的构建[6]。在Web服务器上实现了串口通信程序、SQLite数据库存取程序、CGI农业温室环境参量值阈值设置程序和CGI农业温室设备控制程序等。

1) 串口通信程序，该程序负责Web服务器与农业温室监控站点之间的通信，接收从农业温室监控站点传来的数据或从Web服务器发送数据到农业温室监控站点。

2) SQLite数据库存取程序，该程序完成对SQLite数据库中数据的存取操作，如对农业温室温度值、湿度值和光照强度值的存取操作等。

3) CGI农业温室环境参量值阈值设置程序，该程序主要完成农业温室的温度、湿度和光照强度报警阈值的设置。

4) CGI农业温室设备控制程序，该程序主要完成对农业温室内设备的控制，如对温室内的空调启停控制，对温室内的天窗和侧窗开关控制等。

Linux有3个Web服务器：thttpd、Boa和httpd[7]。本设计使用Boa服务器。移植Web（Boa）服务器的步骤[8]：

1) 下载Boa源代码并解压；

2) 修改Boa/src/Makefile里面的编译器，将其改为：CC=arm-Linux-gcc、CPP=arm-Linux-cpp；

3) 编译Boa源代码，即可生成可执行文件；

4) 将生成的Boa可执行文件编译进Linux内核。

3.2 农业温室监控站点软件

农业温室监控站点软件主要实现温度、湿度和光照强度采集程序、键盘扫描程序、温湿度调节程序、光照调节程序、LCD液晶显示程序、声光报警程序等。农业温室监控站点主程序流程如图7所示。

4　系统实现

依据系统的设计和控制要求，在某农业温室内安装了该系统，系统经过1个月的运行测试，得到如表1所示的测试数据。测试数据表明该系统的各项功能指标符合设计要求。

图7农业温室监控站点主程序流程图

用户可在任意联网的PC机上，输入Web服务器的IP地址，即可实现对Web服务器的访问[9]。Web服务器以动态页面的方式，使用户实时监测农业温室内的温度、湿度、光照强度等环境参量的报警状态，同时还可远程控制温室内设备的运行以调节各环境参量。系统监控界面如图8所示。

经测试，该农业温室监控系统性能稳定，各项指标满足设计要求，系统性能良好。

表1　系统测试数据

连接服务器 历史数据 温室控制 视频 设置

图8系统监控界面

5　结语

基于Web服务器的农业温室远程监控系统能实时监测和控制温室内的温度、湿度和光照强度，使温室内的温度、湿度和光照强度保持在适当的范围。该系统操作简单，性能稳定，推广应用价值大。

参考文献

[1]李伟,段翠芳,滑伟娟.温室监控系统在国内外的发展现状与趋势[J].中国果菜,2010(6):7-9.

[2]黄杰.基于Web的远程监控系统的设计与实现[J].中国西部科技,2010,10(20):22-23,32.

[3]张军.智能温度传感器DS18B20及其应用[J].仪表技术, 2010(4):68-70.

[4]常君,李延.湿度传感器HS1101在智能家居控制系统中的应用[J].电子测试,2008(2):77-80.

[5]胡志强,程琴,李凯.基于555电路的自动灌溉系统的设计与实现[J].节水灌溉,2010(4):69-70.

[6]孙纪坤,张小全.嵌入式Linux系统开发技术详解:基于ARM[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[7]徐叶,袁敏,李国军.嵌入式Web服务器远程监控系统的设计与实现[J].计算机与现代化,2013(2):94-98.

[8]王庆辉,冯振国.Web服务器Boa在BF561上的移植及其应用[J].控制工程,2009,16(S3):74-76.

[9]李善平,刘文峰,王焕龙,等.Linux与嵌入式系统[M].北京:清华大学出版社,2003.

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

黄杰，男，1982年生，讲师，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统设计、微机控制与检测技术等。E-mail: huangjie0773@163.com