（环境工程专业论文）农业环境无线远程监控系统的研究与实现.pdf

摘要 现代监控技术的含义已不仅仅是局限于某种单一的或独立的传感器测量或数据处理，而是多 种技术的集成融合。针对解决农业环境远程监控技术的实际需要，本选题提出了一种无线远程监 控系统设计方案，通过基于w e b 远程访问和无线移动通信技术( g p r s 为例) 的集成。研究开发 出了一种农业环境无线远程监控系统。本系统是集环境因子测试技术、现代传感技术、无线通信 技术、计算机网络技术于一体的多功能监控系统，可满足多种情况下农业环境远程监控的需要。 系统从结构组成上可划分为三部分：远程监控终端采集发送模块。服务器端数据接收存储模 块和基于w e b 的数据管理模块。提供了从现场数据采集一数据远程传输一网络管理的整套技术解 决方案 系统实现了对远程终端现场的多类环境因子进行全天候不间断的实时监测；并具有数据远程 传输、存储和分析处理等功能：用户通过浏览器登录该系统的数据分析发布w e b 站点，可以实现 对所有监控终端传回数据的在线浏览、历史查询、动态分析、导出下载和用户注册、权限设置等 信息管理功能；通过设置系统参数实现对数据的智能判断分析，为用户和管理者提供远程诊断与 决策数据信息。 本系统在农业环境监控领域创新性明显。主要有以下几方面； 1 ) 结合农业环境监控特点，将工业测控领域中远程测控终端设备r t u ( r e m o t e t e r m i n a lu n i t ) 成功的集成在本系统中，实现了现场数据的实时采集和无线传输。 2 ) 首次将g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 无线通信技术应用于农业环境的信息传输。 实现了无线移动网络与互联网的无缝连接，从而实现了对现场数据远程监控，克服了传统监控系 统现场封闭监控的局限性。 3 ) 通过网络数据库编程技术，开发了网络数据库管理系统，可以实现长期、海量的数据存 储，并管理来自监控现场的数据信息。 4 ) 基于w e b 网站的数据管理，实现分布式远程监控终端的集群化管理。i n t e m e t 用户可以随 时随地的获取远程终端数据；管理者可同时管理来自多个监控站点的数据信息。 技术实现之后，系统进行了大量的工程实践应用，目前分别在辽宁，河北、广东、北京等地 安装应用，对系统的实现方式和关键技术进行了进一步的验证和改进。大量实践表明，该系统适 合大多数农业对象的环境监控应用。 本文最后对选题的研究内容、技术实现和实践应用进行了总结；并展望了远程监控技术的发 展趋势，规划了本系统今后进一步的发展方向。 关键词 农业环境，远程监控。传感器，g p r s ，w e b a b s t r a c t m o d e mm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni n t e g r a t i o no fm a n ya d v a n c e dt e c h n o l o g i e sf r o mn s i m p l em e t h o do fs e n s o rm e a s u r i n go rd a t ap r o c e s s i n g a i m e dt oi m p r o v et h ec o n d i t i o no fp r a c t i c a l p r o d u c t i o ni na g r i c u l t u r e , as u - u c m r a l s c h e m eo fw i r e l e s s t e l e m o n i t o r i n gs y s t e mf o ra g r i c u l t u r a l e n v i r o n m e n tw a gd e s i g n e d s u b s e q u a n f l y , aw e b - b a s e da n dg p r s b a s e dw i r e l e s st e l e m o n i t o r i n gs y s t e m f o ra g r i c n i m r a le n v i r o n m e n tw a sw o r k e du p w h i c hi so n eo ft h em o d e r nm o n i t o r i n gs y s t e m si n t e g r a t e d w i t he n v i r o n m e n t a lf a c t o rm e a s u r i n gt e c h n o l o g y , m o d e r nt r a n s d u c e rt e c h n o l o g y , w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dc o m p u t e rn e t w o r ki n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i ns l m c t o r ed e s i g n ，t h i ss y s t e mc o n s i s t so ft h r e em o d u l e s ：t e r m i n a lm o d u l eo fd a t aa c q u i s i t i o na n d s e n d i n g d a m b a s o8 d w e rm o d u l eo fd a t ar e c e i v i n ga n ds t o r i n g ，a n dw e bs e mm o d u l eo fd a t a m a n a g e m e n t a n i n t e g r a t e d t e c h n i c a ls o l u t i o n o f d a t a a c q u i s i t i o n - t r a n s m i s s i o n m a n a g e m e n t i s p r o v i d e d i nr e a l i z a t i o nf u n c t i o n ，t h i ss y s t e mc a r r i e so na l l w e a t h e ra n dr e a l - t i m em o n i t o r i n gt ot h er e m o t e t e r m i n a le n v i r o n m e n t a lf a c t o r ；a n dl o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o n ，s t o r a g e , a n dp r o c e s s i n gt h ed a t ao f e n v i r o n m e n t a lf a c t o rv a l u e ；a n yb r o w s e ru s e rl o g g e di nt h es y s t e m sw e bs i t e ，c a na c h i e v ei n f o r m a t i o n m a n a g e m e n tf u n c t i o n si n c l u d i n go n l i n eo v e r v i e w , h i s t e f i c a li n q u i r i e s ，d y n a m i ca n a l y s i s ，e x p o r t d o w n l o a do ft e r m i n a lm o n i t o r i n ge n v i r o n m e n t a ld a t a , a n du s e ra u t h o r i z a t i o n e t c ；a n db ys e t t i n gt h e p a r a m e t e r so fd a t ai n t e l l i g e n ta n a l y s i sj u d g m e n t , t h ei n f o r m a t i o no nr e m o t ed i a g n o s i sa n dd e c i s i o n s u p p o r tc a nb et i m e l ya n de f f e c t i v e l yf e e db a c k t ou s g t s s o m ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e su s e di nt h es y s t e mc a nb er e g a r d e da st h ei n t e g r a t e di n n o v a t i o n si nt h e f i e l do f a g r i c u l t u r a lm o n i t o r i n g ，w h i c hm a i n l yi n c l u d et h ef o l l o w i n gp o i n t s ： 1 ) a c c o r d i n g t o f e a t u r e s o f a g r i c u l t u r a l e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g ，t h e r t u ( r e m o t e t e r m i n a l u n i t ) d e v i c ei si n t e g r a t e di nt h es y s t e m , w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n d c o n t r 0 1 2 ) g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sf i r s ta d o p t e dt o t r a n s m i ti n f o r m a t i o no fa g r i c u l t u r a le n v i r o n m e n t t h es y s t e ma c h i e v e dr e m o t em o n i t o r i n gb y8 e a ! 1 l e s s c o n n e c t i o no fw i r e l e s sm o b i l en e t w o r ka n dt i l ei n t e r a c t , w h i c ho v e r c o l e t c st h el i m i r a t i o n so ft r a d i t i o n a l o n - s i t ec l o s e dm o n i t o r i n g 3 ) i n t e g r a t i n gn e t w o r kd a t a b a s ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g i e s ，t h es y s t e ma c h i e v e dn e t w o r kd a t a b a s e m a n a g e m e n t , w h i c hi su s e dt os t o r ea n dm a n a g em a s s i v el o n g - t e r md a mf r o mr e m o t em o n i t o r i n g t e t m i n a l 4 ) i n t e g r a t i n gw e b - b a s e dd a t am a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e s ，t h es y s t e ma c h i e v e dc l u s t e rm a n a g e m e n t t od i s t r i b u t e dr e m o t em o n i t o r i n gt e r m i n a l s i n t e r n e tu s e r sc a na c & sr e m o t et e r m i n a ld a t aa n y t i m ea n d a n y w h e r e ；a n dm a n a g e r sc a ns i n m l t a n e e u s l ym a n a g ei n f o r m a t i o no fm u l t i p l em o n i t o r i n gs i t e s a f t e rr e a l i z a t i o n ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e np u tal a r g en u m b e ro fe n g i n e e r i n ga p p f i c a t i o n s 。 w h i c hg r e a t l yv e r i f i e da n di m p m v e dt h er e a l i z i n gm e t h o d sa n dk e yt e c h n o l o g i e so ft h es y s t e m t h e n m o n i t o r i n gs y s t e mc u r r e n t l yh a sp u ti np r a c t i c ei nl i a o n i n gp r o v i n c e 。h e b e ip r o v i n c e 。g u a n g d o n g p r o v i n c e 。b e i j i n g 。a n ds o m eo fo t h e ra r e a s l o t so fp r a c t i c es h o w st h a tt h i ss y s t e mi ss u i t a b l ef o rt h e m a j o r i t yo fa g r i c u l t u r a le n v i r o n m e n tm o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n s f i n a l l y , t h er e s e a r c hc o n t e n t , t e c h n i c a lr e a l i z a t i o l la n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h es y s t e ma r e s u m m e du p t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fi c m o t em o n i t o r i n gt e c h n o l o g i e si sp r o s p e c t e d 。a n dt h ef u m r e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n o f t h es y s t e m i s d e s i g n e d k e yw o r d s a g r i c l t i t u r a le n v i r o n m e n t , r t em o n i t m i n g ，s e n s o r , g p r s ，w e b m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业科学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 砷年占月，7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国农业科学院有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 刷谧鹕 传送回客户端。数据层位于数据库服务器端，其任务是接受w e b 服务器对数据库操作的请求，实现对数据库查询、修改、更新等功能。把运行结果提交给w e b 服务器( 林海，2 0 0 0 ) 。 ( 三) c s 和b s 优势比较 针对上节对两种结构分析我们可以看到，c s 模式的数据及应用服务集中存储，可通过不同 的平台存取，有较好的系统伸缩性和安全性。它把集中管理模式转化为一种服务器与客户机负载 均衡的分布式计算模式，解决了执行效率及容量不足的问题。c s 模式有很强的实时处理能力， 与b s 模式相比c s 模式更适合大批量的数据实时处理更新( 吴毅杰等，2 0 0 3 ) 。 但是，在c s 模式下开发的应用系统也有一些方面不够完善，不能适应不断增长的多方面需 求，主要体现以下几点：系统相对封闭，不同平台之间交流困难；c s 模式必须安装客户端软件， 不利于推广使用：系统开发和维护费时、成本高。 在三层的b s 结构中，由于事务处理逻辑模块从客户机任务中分离出来，由w e b 服务器来负 担，就使客户机的压力大大减轻使客户机从沉重的负担和不断对其提高性能的要求中解放出来， 也把技术人员从繁重的维护、升级工作中解脱出来，形成了“瘦客户机，胖服务器”模式( 邱萌， 2 0 0 3 ) 。这种结构模式具有以下明显优点( 茅雪涛，2 0 0 2 ) ： 1 ) 扩展性好，由于w e b 支持底层的t c p i p 协议，使w e b 网与局域网都可以连接，解决了 异构系统间的连接问题： 2 ) 易用性好，使用通用浏览器，不需要为不同的控制系统安装不同的应用软件，也不需要对 不同的客户软件应用进行不同的培训； 3 ) 开发、维护成本低，b s 的应用只需在客户端安装通用浏览器，维护和升级工作都在服务 器端进行，不需要对客户端进行任何维护、开发，这样就大大降低了成本； 4 ) 良好的开放性，b s 结构所采用的标准都是开放的非专用的，使经过标准化组织所确定的 非单一厂商所制定的，保证了其应用的通用性和跨平台性。 3 5 2c s 和8 s 在本系统中的应用 根据两种结构各t j 不同的优势所在，本文实现的农业环境无线远程监控系统分别运用了c s 和b s 两种体系结构。远程监控现场的数据采集发送模块与数据库服务器端数据接收存储模块共 同组成了两层c s 结构，详见图3 - 1 6 所示；基于w e b 的数据管理模块的程序设计则采用了三层 b s 结构，详见图3 1 7 所示。 中国农业科学院硕十学位论文 第i 章系统使用的关键技术 圈3 - 1 7c s 在本系统中的应用示意图 瞄1 7 甄m 岫0 f t h e c 届啷甜j n 岫昭栅 在本系统中，监控现场的可编程远程测控设备r t u 一1 6 0 0 和通过r s 4 8 5 总线技术与环境因 子测试传感器共同组成的远程终端测控网络系统，即是c s 结构中的客户端( c l i e n t ) 。远程农业 环境监控现场通常为无人值守的，并且r t u - 1 6 0 0 设备中的程序要完成各类现场总线传感器值的 循环采集、解析，各类环境监控参数的执行，各类环境因子值的判断和用户短信告知和报警等现 场监控的大部分功能。也就是说，在通常无人值守的情况下，作为c s 结构中客户端角色的远程 监控终端承担着大量的数据处理任务，这正是c s 程序设计结构的优势所在( 于海晨。2 0 0 1 ) 。 围3 - 1 8 三层b s 结构在本系统中的应用 f 龟3 - 1 8 , 鼬 u c t u r e o f t h e 3 - t i e r b s u s e d i n t h e 卵s 岫m 系统的基于w e b 的数据管理模块，是使用v i s u a lb a s i c n e t 设计语言、m i c r o s o f tv i s u a l s t u d i o n e t 2 0 0 3 开发工具，采用a s p n e t 技术实现了b s ( b r o w e r s e r v e r ) 体系结构( 见图3 - 1 7 ) 。 用户操作通过客户端浏览器( b r o w e r ) 实现，数据的发布、查询、分析处理等事务则在w e b 服务 器端( w e bs e r v e r ) 实现，数据存储，提取和更新则在实验室环境监控信息数据库服务器端实现， 形成三层( 3 一t i e r ) b s 结构。 中同农业科学院硕十学位论文第四章系统廊用中的关键问题及解决方法 第四章系统应用中的关键问题及解决方法 上面章节较详细地讨论了系统实现的关键技术，但是从实际应用的角度，系统仍然面临许多 其他方面的问题需要加以解决，否则所研究开发的技术产品就只能停留在实验室阶段。本章节将 详细介绍系统应用中所遇到的主要问题和技术障碍，及其解决方法。 4 1g p r s 网络的可靠连接问题 利用g p r s 进行数据传输，远程g p r s 终端需要与数据接收存储服务器端，也即上位机建立 网络连接。由于g p r s 终端获取的是一个动态的移动内部子网。而移动的网关又没有提供相应 的映射服务，因此不管采用哪种网络拓扑，想满足随时随地的数据互传必须始终保持网络连接， 也即数据接收存储服务存在。为了确保数据的实时传输，g p r s 终端必须能够自动监测两络连接 的状况，如果网络连接断开，则能够自动发起连接。如果长时间不进行数据传输，移动的g g s n 服务器会认定此t c p 链路占用信道，会自动将其断开，表面上看起来连接还存在，但已经断掉， 是比较常见的所谓“假拨号”现象( 韩斌杰，2 0 0 3 ；文志成，2 0 0 4 ) 所以对g p r s 终端，也即 本系统的远程监控终端数据采集发送程序的设计必须实现维持在线功能和断线自动重拨功能。 如何实现维持在线功能和断线自动重拨功能，也就是如何实现尽量实时的检测到g p r s 终端 从网络上掉线的问题。 由于g p r s 网络本身的原因，g p r s 终端不可避免地会发生意外从g p r s 网络上掉线的情况。 为了保证g p r s 终端与上位机的正常通信，g p r s 终端必须知道何时从g p r s 网络上掉线。本系 统的g p r s 终端集成在可编程远程测控设备r t u 一1 6 0 0 中，本文在实现g p r s 通信的程序设计中， 根据g p r s 通信从g p r sm o d e m 初始化到p p p 连接关闭过程中所有可能出现不同的状态或操作 过程分别设立相应标识；程序中单独设立一个无限循环执行的任务，该任务每次执行时将执行以 下三步操作：判断当前g p r s 状态标识；调用g p r s 处理函数，它会根据相应的状态标识做出相 应的处理；然后重新设置状态标识。该程序执行流程见图3 1 8 所示。 中国农业科学院硕十学位论文第四章系统戍用中的关键问题及解决方法 图4 _ 1g 陬s 状态维护子程序执行流程围 啦4 - 1 f l o w c h a r t o f t h e p r o g r a m f o r g p r s o n f i n e m a i m a m k 在程序中通过设立该独立的无限循环任务，实时检测到g p r s 终端的通信状态，并做出相应 处理，以实现实时维持g p r s 在线状态并保持准备发送或等待接收状态，而非是在数据发送失败 后才重新连接或发送前检测网络连接状态。实践证明，根据多个监控终端定时传回数据的统计， 数据定时传送成功率维持在9 5 以上。 4 2 系统的实时性问题 实时是指信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并根据生产过程变化及时进行 处理。而实时系统指在事件或数据产生时，能够在规定的时间内给予响应，以足够快的速度处理， 及时地将处理结果送往目标地的一种处理系统。实时与快速并非是相同的含义，不论网络的传输 速度如何，只要在规定的响应时间内产生响应动作，则称系统具有实时性。而实时网络是指网络 中数据传输的时间是确定的，即是可以预测的。也就是说，实时网络中的数据传输是具有时限的。 一般来说，通信网络的实时性主要与以下几个方面有关： 1 ) 网络的硬件性能：包括网络的拓扑结构、通信媒体、网络接口的传送速率等。通信媒体 的传输速率越高、网络接口的传送速率越快，网络的实时性就越高。 2 ) 网络的通信协议：包括媒体的访问控制方式、网络通信协议的层次结构、传输的可靠性、 有无连接控制等等。层次结构越简单，系统的实时性就越高。而可靠性与实时性是相互矛盾的， 对于无连接、无应答的通信方式要比有连接、有应答的通信方式的实时性要高，但可靠性差。 3 ) 网络的信息量：也称为网络的负载，是指网络在一定时间内需要传送信息的多少网络 传送信息量越少，实时性就越高。 5 l 中国农业科学院硕十学位论文 第四章系统应用中的关键问题及解决方法 在本系统中，所遇到的实时性问题主要体现在两方面：一方面是数据发送时g p r s 不在通信 连接状态而导致发送延时，也即上节所提到的g p r s 网络的可靠性连接问题；另一方面是提供给 基于w e b 远程访问的i n t e m e t 网络性能的不确定性。 针对数据发送时g p r s 不在通信连接状态而导致发送延时问题，上节所提供的程序设计解决 方案：实时维持g p r s 在线状态。可以最大限度的避免在数据发送的同时遇到g p r s 假连接或重 连接失败等问题导致的发送延时。 针对i n t o n e r 网络性能的不确定性导致延时的问题，是目前所有基于w e b 远程访问的系统所 共同面临的一个技术难点，至今还没有成熟和权威的解决方案。为了提高整个b s 结构远程监控 系统的实时性，我们可以从下面几个方面做出改进措施： 1 ) 在网络结构上。尽可能增加网络带宽。百兆网、千兆网已在局域网或者城域网中得到广 泛应用，并且网络交换技术的应用使网络带宽资源大大增加，为解决实时问题提供了硬件基础。 2 ) 在软件设计中，采用优化的技术、合理的算法和程序结构，尽可能地减少软件延时对系 统响应延迟的影响。比如对于实时性较强的数据，可以采用数据网关的主动消息机制。w e b 数据 网关提供主动发送和实时响应两种数据发布方式，结构灵活，连接方便。守候进程侦听约定的端 口，当有数据请求来时，守候进程启动子进程接收请求，根据请求类氆，提交响应的服务组件提 供服务。对于实时响应请求，响应组件提供交互响应处理。对定时发送请求，由发布组件提供主 动数据发布服务。 4 3 系统的安全性问题 计算机网络安全是指利用网络管理控制和技术措施，保证在一个网络环境里，信息数据的机 密性、安全性及可使用性受到保护。它的主要目标是确保网络传输的信息，在到达目的地时没有 任何改变、丢失或被非法读取。网络的安全性问题实际上包括两方面的内容，一是网络系统的安 全，二是网络信息的安全，而保护网络的信息安全是最终目的( 黄小波，2 0 0 4 ；d a n b l h a b l 【i ， 1 9 9 8 ) 从应用上程角度上看，网络安全指标主要包括以下几个方面：数据保密性，数据在网络传输 过程中不被非授权用户或实体非法窃取；数据完整性，就是数据在发送前和到达后是否完全一样； 数据真实性，能够正确地识别信息的来源，并且确保准确无误；数据可用性，网络传输的数据可 被授权实体访问并按需求使用的特性；网络可靠性，是指系统能够在规定条件和时问内完成规定 功能的特性；不可否认性，在网络系统的信息交互过程中，确保参与者的真实同一性( m a r cf a r l e y e ta l ，1 9 9 8 ) 。 由于安全本身具有相对性，所以网络不能简单地划分为安全的或不安全的。针对不同的安全 层次，都须采用不同的安全措施。当然，不管采用什么安全技术，系统都不可能是绝对安全的。 因此，除了采用各种先进技术外，更要从思想上对系统网络安全给予客观的认识和重视。 在本系统的设计过程中，主要从以下几方面进行安全性能策略的考虑和安全性设计： 1 ) 服务器端的安全性。首先在服务器硬件系统选取上，系统硬件安全性能可以确保系统硬 件设备的安全性和可靠性，我们均采用性能比较稳定的企业级服务器；并采用主、从数据库服务 中目农业科学院硕十学位论文 第四章系统应用中的关键问题及解决方法 器的结构对环境监测数据和用户信息进行实时备份。在服务器的网络访问上，采用了防火墙技术 和多层密码验证防护。 2 ) 客户端的安全性。本系统的最终目的是面向用户应用。要保证整个系统的安全性与可靠 性，客户端的安全防范至关重要。本系统的基于w 曲的数据管理程序将提供用户识别的方式保护 数据的用户私有性。同时提供了用户密码保护措施，通过首次注册用户所用的电子邮箱方便的取 回当前密码。 3 ) 数据传输安全性。本系统中，从远程监控端到实验室监控中心数据库服务器之间，从数 据库服务器到w 曲应用服务器之间的数据传输均采用自行设置的数据编码格式和通信协议。 起到了信息加密传输的效果；另外，涉及保密的信息，比如用户注册信息，在网上传输时不以明 文形式出现，以防信息被拦截、读取甚至破坏，确保数据实时准确地传送到目标端。 4 4 数据通信协议问题 本监控系统中，数据采集和数据传输均采用本文作者自行设置的数据编码格式和通信协议规 范。其中包括提供给远程终端模块使用数据采集通信规范，采集数据编码格式，采集数据校验方 法，提供给基于g 嗣醛和b t m c t 网络的数据传输使用的数据编码格式，数据接收端识别和过滤 非法连接的方法。自行设置数据通信协议的目的，不仅为了增强数据采集和传输的健壮性，更是 提高了数据的安全性。 由于涉及到系统当前运行的安全性，尤其是开放在血t 咖e t 网络的数据接收、存储服务器的 安全性考虑，在此不列出本系统数据采集、传输所制定的具体通信协议规范。 4 5 环境因子测量精度问题 仪器的检测精度主要取决于传感器的测量精度。根据设计的要求，各参数传感器将优先选用 国际知名专业生产厂家生产的工业级应用的产品，以提高系统精度和传感器的稳定性和可靠性 ( 参见系统所使用传感器列表2 - 1 ) 。 另外，在远程监控终端的关于数据采集的程序设计中，专门设定了数据传输校验机制和错误 重发机制，充分过滤掉因信号干扰等影响而出现的跳变数值。并且，本系统的数据采集处理程序 设计采用在每次数据发送间隔多次循环采集环境因子传感器的值，并保存在发送缓冲区中，以确 保发送缓冲区中保存最新的、完整的测量值，以避免传感器或r s 4 8 5 总线网络在某些不稳定工 作状态的时刻所连续测量到的失真数数值。 4 6 环境适应性问题 由于农业环境无线远程监控系统的大部分监控设备安装在野外或温室内，其应用环境条件较 为恶劣，在温室内安装的设备，长期工作在高温高湿环境，尤其是露天安装的设备，长期工作在 中国农业科学院硕士学位论文第两章系统麻用中的关键问题及解决方法 冬天，极限温度更大，所以系统的各器件，除了实验室监控中心的设备外，必须能够适应在较恶 劣环境下工作 因此，本监控系统在硬件设备选用上遵循了工业级应用标准。所选用的远程测控设备 r t u 1 6 0 0 本身就是应用在工业领域的远程测控终端，大多应用案例是在油田、码头、矿井或水 文监测方面等较为特殊的环境；系统所选用的传感器基本都是采用国际知名传感器生产厂商的工 业级应用的元器件( 参见系统所使用传感器列2 - 1 ) 。所选用的数据采集和a d 转换设备是与北京 奥拓精仪科技公司合作开发的产品。该公司在数据采集产品开发上有多年的技术积累，并且具备 大量的工程安装应用基础。 4 7 使用成本问题 本系统的设计初衷就是为了给用户提供一套便利又节省成本的农业环境无线远程监控系统。 与传统的现场计算机监控系统相比，本系统至少在以下几方面为用户节省了大量成本： 1 ) 在设备成本上，本监控系统对远程监控终端不再采用计算机，而是一个小巧的集成测控 设备r t u ，其价格不及一台普通计算机的一半，而且作为在工控领域广泛应用的测控设备，更增 加了系统的稳定性。另外在传感器选择上，对于具有相同的规格性能的传感器，我们优先采用模 拟传感器，和具有多通道模拟信号采集的a d 转换模块配合使用。与采用数字传感器相比，这将 节省下为每个传感器都集成a d 转换电路的成本。 2 ) 在运行费用上，传统监控系统要实现远程监控功能，需要在现场提供有线网络接入，而 农业监控现场通常是在环境特殊的野外和棚室。或者是需要经常移动的监控点，不管是何种有线 网络铺设和接入，其成本都是不菲的；采用g p r s 无线通信方式不仅可以方便与i n t e r n e t 网络对 接，而且无线移动网络信号无处不在，因此对农业环境监控位置几乎没有任何限制。通信费用则 按照g p r s 流量计费，也就是说，即使是g p r s 一直在线，只要没发生数据传输，基本不会产生 费用。目前中国移动也推出了多种价格低廉的g p r s 包月或包年套餐服务，特别是随着电信部门 通信费用的不断降低，通信费用在整个系统成本中的比例是微乎其微的。 3 ) 在系统功耗上，本系统的监控现场设备都是低功耗的设备，在监控现场其它传感器设备 相同的情况下，一个r t u 测控设备的功耗相对于一台现场监控计算机的功耗，基本可以忽略不 计。在长期工作下，尤其是在使用蓄电池的情况下，本监控系统将能为用户节省大量能源成本。 4 ) 一次性投入，长期受益。从技术角度看，使用者可不必亲临现场，就能体会到“运筹帷 幄，决胜千里”感觉。从长远的效益来看，不仅节约了大量的用于亲临现场所带来的交通、时间、 人力等方面的耗费，而且大大提高了远程办公、远程诊断管理的能力，有效地提升了农业管理的 现代化水平。 第五章系统的工程实践 目前，本研究所实现的农业环境无线远程监控系统已经进行了多处的工程安装和实践应用 截至本论文撰写时，已经分别在辽宁朝阳县、河北徐水县和临漳县、广东省农业科学院、北京市 大兴区庞各庄镇、中国农业科学院国际创新园( 河北廊坊) 和中国农业科学院花卉蔬菜研究所安 装应用本系统。本系统安装应用点详见列表5 一l 所示，几个典型安装应用点现场实景见图5 1 、 图5 - 2 、图5 3 和图5 - 4 所示。 表5 - 1 本系统安装应用点 t a b l e5 1 a p p l i c a f i o n l o c a t i o no f t h es y s t e m 监控对象安装地点传感器类型：数量( 个) 沼气池发酵环境 辽宁省朝阳县池内空气温度：1 池外空气温度：1 池内沼液温度：1 温室作物生长环境 河北徐水县 沼气池发酵环境+ 温室作河北临漳县 物生长环境 池内气压： l 池外c 0 2 浓度：1 室内空气温度：8 室外空气温度：1 室内空气湿度：1 室外空气湿度：1 室内土壤温度，4 室内总辐射： 2 室外总辐射：1 光合有效辐射。1 池内空气温度：1 池内沼液温度：1 池内气压：1 室内空气温度：1 室外空气温度：1 室内c 0 2 浓度：1 温室作物生长环境 北京大兴区室内空气温度：i o 庞各庄镇室外空气温度。1 室内空气湿度：1 室外空气湿度；1 室内土壤温度：4 室内总辐射： l 室外总辐射：l 光合有效辐射：1 温室作物生长环境 中国农业科学院国际创新同室内空气温度：3 ( 河北廊坊) 室外宅气温度：l 中国农业科学院硕七学位论文 第五章系统的丁程实践 围5 - 1 北京市大兴区庞各庄温室 f i g 5 - 1a p p u c a t i o n _ mi n 掣 e e n h o u s ei np a g e z h u a n g t o w n s h i p , d a 蛐, g d i s l r i c t o r b 脚i n g 圈5 - 2 中国农业科学院国际创新园( 麻坊) 温室 f i 9 5 - 2 a p p l i c 蚵o ns c e n e i n g r e e u , s e 虹t k i n n o v a t i o n p a r k o f c a a s 中国农业科学院硕上学位论文 第五章系统的丁稃实践 围5 - 3 中国农业科学院蔬菜花卉研究所温室 f i 9 5 - 3 a p p f i c a t i o n o m i n g r e e n h o u s e i n t h e i n s t i t u t e o f v e g e t a b l e s a n d f l o w e r s o f c 从s 围5 - 4 广东省农业科学院阳江基地猪舍 f i 9 5 - 4 a p p l i c a t i o ns c i n y a n g , j i a n gs w i n e c u l t u r i n g b a s e d g u a n g d o n g a c a d e m y o f a g r i c u l t u r a l s c i e n c e s 通过实践应用表明，本监控系统不管是在科学研究，例如针对多站点、大范围、远距离、多 要素的大量数据采集，还是面向一线生产管理者，例如移动办公、远程调控管理等，均发挥着明 显的优势，甚至是不可替代的优势。 在科学研究领域，通过应用本系统，科研人员可以不用去现场，而是能够随时随地获取农业 生产现场环境信息及其变化规律分析，从而达到对该农业生产现场清晰透彻的了解。对于进行农 业环境变化影响分析、资源有效利用、环境因子的优化组合、智能化管理和专家决策支持系统等 方面研究提供了一个很好的技术支持数据资料。 在生产应用方面，通过本监控系统监测作物生长或农业生产过程中相关参数变化并及时提供 决策支持和反馈信息，以保证作物生长和农业生产过程中，这些环境参数处在优化合理的状态。 可以在优化管理技术和农艺措施，制定生产过程应变对策，田间试验方案设计以及栽培、施肥、 灌溉智能化管理和病虫害远程诊断等方面发挥重要作用。 以在辽宁省朝阳县安装应用的针对沼气池发酵环境远程监控系统为例，通过本系统我们可以 长期的、实时的获取沼气池外空气温度、池内沼液温度、池内沼气温度和池内气压等环境数据。 通过浏览器查看到2 0 0 6 年1 2 月8 日一天内该沼气池外空气温度( 见图5 1 所示) 和沼气池内沼 气温度( 见图5 2 所示) 对应的变化规律，我们可以监测出该沼气池保温性能良好，符合工程设 计标准。 莉罐张蝴蝌! = = = ! = 二= 二= 二二二= 强狂暾巍鑫荦构蠢霉囊 m 一摊 麓彝鲢缝b 浑嘞l 舅 驾嚣二臻 圈5 - 5 沼气池外空气温度一天内的变化曲线 f i g5 _ 5 髓q 目帕c u l v e 蛔咖酾d e 砌蝉p o d 羹辆嗤矗摹馥摊- 孵糊嘲_ 二j 二= 一 麓搏籀爨纛謦脚瓣_ 目薹 鬻q 一徽 船耩蛙蟪8 嚣 m # 醐i 嚣 张鬈鬻二“黛 圈5 - 6 沼气池内空气温度一天内的变化曲线 髓5 - 6 伽岬l m eq c a r v e 岫删d e 砌鲫p 0 0 i 利用池内气压值的大小和变化曲线( 见图5 - 3 所示) ，和我们己知的该沼气池储气间容量等设 计参数，我们可以精确计算出2 0 0 6 年1 2 月8 日当天沼气池的产气量，和产气效率变化规律；依 次计算，我们也可以得知该沼气池产气量的月际、年际变化。另外，利用池内环境温度值、池内 气压值大小和它们的对应变化规律，我们也可以定量分析出池内环境温度的产气效率的影响曲 线。并且，该沼气池是在我国温差较大的东北地区，利用对池外空气温度值的分析，我们获取可 以该地点某一时间段内的温度变化规律等信息。为沼气池的进步优化设计、正确使用与维护管 理提供科学依据。 中国农业科学院硕十学位论文 第五孝系统的二r 程实践 煽喇l 示- 辽宁锎田硼铺二二二：二_ 二：二二二 部圈曩是示的教扛珥 * 喇 e 撼 蕾择起始b 期 掣年_ 茑月虹日 秘时恽段 ：+ 2 - 谦 国5 - 7 沼气池相对气压一天内变化曲线 圈孓7a i r - m 嘲脚c 帆i 咖d a ，i n s i d e m a r s h 面r p 0 0 i 以北京市南口温室基地安装应用的针对温室作物生长环境远程监控系统为例，通过浏览器查 看到2 0 0 6 年3 月2 日早上6 ；5 0 到上午9 ：2 2 的温室环境条件变化情况( 见图5 1 所示) ，通过 简单的分析，就可以判断出现场管理者是在上午大约8 ：1 0 开启草帘。在此之前，温度持续下降， 温室内的光照度只有2 w i n 2 ，在这种条件下，因光合作用受到抑制，c 0 2 保持较高浓度，空气湿 度也维持在较高的水平上，几乎接近饱和。当8 ：1 0 打开保温草帘以后，光照度立刻上升到一个 较高水平，此后随着光照的增强，温度不断升高，因光合作用加强，c 0 2 浓度在持续下降( 见图 5 9 所示) ，相对湿度也呈现下降趋势，这些变化规律与已有的观测结论相一致，说明了系统的可 靠性。通过上述简单分析可以看出，采用远程监控技术不仅可实时监控各种数据，而且可对现场 管理的科学性与合理性进行评价，并以此为依据进行信息反馈和指导。 中国农业科学院