基于Web的智能灌溉系统监控中心的设计与实现.doc

北方民族大学硕士学位论文开题报告书报 告 人： * 专 业： 电路与系统 研究方向： 计算机控制系统 导 师： 教授 论文题目：基于Web的智能灌溉系统监控中心 的设计与实现 系 所： 电气信息工程学院 填表时间： 20140612 北方民族大学研究生处制毕 业 论 文 开 题 报 告1本课题的研究目的与意义一、课题简介农业是我国国民经济的基础，但是灌溉用水非常低的利用率，阻碍了农业的发展。因此，发展节水灌溉技术对于我国农业的发展具有重要意义。随着网络技术的迅速发展，Web技术被引入到传统的工控领域中。设计和开发一套基于Web的可靠性高且易于维护的智能灌溉监控系统已逐步成为时下工业领域的重要发展方向和研究热点。本文结合宁夏引黄灌区田间节水智能灌溉模型与方法研究项目，开展基于Web的农田智能灌溉监控系统的设计。本论文实现的灌溉监控系统是集控制与管理于一体的智能灌溉监控系统，系统利用Web技术来实现的灌溉监控系统，不仅可以实现对农田作物以及设备数据的实时监控，使用户可以通过网络登录监控系统对田间的灌溉进行控制；系统还具有收费管理功能，通过对灌溉时间的精确计算实现合理的水费计收，系统数据库的设计采用SQL Server 2008数据库，提供Excel格式导出各个用户的灌溉用水量数据和农田环境监测的历史数据等，不仅实现了农田的智能化管理，还大大提高了灌溉用水的利用率。本文首先对智能灌溉的国内外研究状况及最新动态做了比较深入的研究，并且对课题的研究目的与意义、研究内容进行了概述。其次对系统的总体方案和采用的关键技术做了简单的介绍，本系统采用B/S结构实现Web程序开发，并在此基础上运用了Struts和Hibernate等成熟稳定的框架技术。然后，按照软件开发的一般过程，进行了系统各模块需求分析和系统性能需求分析。最后，对本系统各功能模块和数据库进行了详细设计和实现，展示了不同权限的用户访问系统的各功能模块的界面。其中，针对各模块关键功能部分的实现进行了详细分析并给出了部分实现代码。2与选题相关的国内外研究状况及最新动态目前，我国农业发展面临的主要问题是农业资源不足和农业资源利用率低的双重矛盾。Web技术在农业中的应用改变了粗放的农业经营管理方式，大大提高了资源利用率和劳动生产率。农业领域中物联网的应用并不是没有基础，在农村通信和信息化建设中取得的成果为其奠定了通信和信息网络资源的基础，在四川省 都江堰灌溉区运行的监控系统，该系统的开发环境以计算机网络和数据库为基础，水位自动测报系统负责采集水位数据，通过对水位数据的分析处理得出决策信息。然后将信息由中心站向灌区各监测站发送，最终使水资源实现最优分配。下位机采用PLC来检测和控制阀门的开关。但是该系统最大的缺点是实时采集数据只能在在线状态下运行，并且下位机不具有存储历史数据和计算用水量的功能。位于欧阳海灌区的配水管理遥测系统，系统的通讯网络采用无线数传电台技术，监控中心平台采用DOS操作系统，采用C语言 编程开发 实现操作界面。在红旗渠灌溉区的自动化管理系统中，下位机采用的是单片机以及可扩展存储器部件，可现场和远程控制阀门，记录水位和流量；中心监控系统采用Windoes3.2操作系统，能够实现远程开关阀门、水位统计和报表打印，但是只能实现阀门的开关操作，不能按照调节目标值让下位机自动调节阀门，同时自动化管理系统的操作系统以及它的软件界面不能满足用户的需求。熊迎军(2012)针对物联网型智能温室的信息管理需求，设计开发了智能温室信息管理系统，该系统将客户端/服务器 和浏览器 /服务器混合架构。系统分别由温棚内部管理系统、数据库系统和温室远程管理系统3个子系统构成。国内其他灌区在智能灌溉方面还比较落伍，比如控制的实时性和灌溉信息管理方面，灌溉系统只能实现对一个排灌站、配罐头或阀门的控制，并且控制系统与灌溉管理系统的数据采集 功能需要通过 存储介质来实现。综合分析以上的几个灌溉控制系统的例子，它们的共同特点是都能够实现 水位的远程检测和 对阀门的远程控制，但都没有涉及到对灌溉用水的精确计算、水费收取问题，这是广大用户最关注的问题。国外的灌溉监控系统具有比较高的智能控制程度，尤其在运行和管理方面。在美国、日本、荷兰、西班牙和以色列等农业机械化和自动化程度较高的国家中，有很多有价值的灌溉控制技术适宜在我国农业灌溉改革过程中参考。美国加利福尼亚州的调水工程由水资源部统一管理运行，该工程的控制系统于1964至1974年安装，可通过计算机对17座泵站和电厂，71座节制阀门组的198个阀门和其他各种设备、设施实行远程监控，包括通信、监控、检测和调度。由计算机系统、CRT系统、调度控制台、模拟屏和通信系统组成的中央监控系统包括主控制站和遥控终端单元。其中主控制站由2台高级计算机组成，用于联机控制和数据的分析处理。美国Campbell Scientific公司的PC208W远程监控系统中，系统下位机硬件设备以单片机为核心，具有水位的远程监测、阀门的自动控制等功能，但是由于单一的控制方式和移植能力差的上位机软件系统，该系统只能在Windows95系统下使用。在利用无线传感器网络技术来感知信息和处理数据技术方面，为实现高效率的管理无线网络资源和多个传感器数据信息融合技术，Fukatsu (2006,2011)提出无线网络分布的各节点与Internet网络的连接引入智能体(Agent)技术，并开发了基于WEB的农田信息监控管理系统。在当今生活中无处不存在信息化的作用，人们对信息化的需求不断扩大。在这种大形势下，农业监测技术和设备的发展方向以电子化的监测仪器、自动化的测试方法、网络化的数据传输发展已成为必然的趋势。在这种大环境下，中国农业科学院与北京农林科学院在农业监控系统下做了相应的研究及开发工作，研制了相关的灌溉设施。虽然现有的控制器也能满足部分需求，但是控制系统都是需要远距离布线，十分麻烦，对日后的维护也十分不利。3本课题的基本内容本文设计的基于物联网的智能灌溉监控系统主要是为了实现对农田作物环境参数的远程监测以及相关控制参数的设置，利用互联网通过通用浏览器远程登录智能监控中心系统，实现对农作物的远程监测和控制。管理员不必亲临现场就可以查看传感器采集的数据，监控现场设备的运行状态以及各项参数的配置，将偏远的、相对分散的农田统一起来管理。本文研究的主要内容总结为有以下几个方面：1、分析比较B/S架构和传统的C/S架构的优缺点，提出一种更能满足需求的架构模式来实现智能监控中心系统的解决方案。2、运用JAVA语言、JSP及Struts框架和Hibernate框架技术在Myeclipse平台下架构远距离监控的Web网站，完成灌溉系统显示页面的编写以及后台处理程序的编程，实现对农田环境参数的远程监测、灌溉决策信息的生成和水费管理。3、使用Tomcat服务器作为网络服务器;采用功能强大的SQL Sercer数据库，建立监控系统的数据库系统。应用程序和数据库都放在服务器上，客户端只需有通用浏览器，无论在哪里，只要能上网就能访问服务器，实现远距离监控。根据上位机系统需求，监控中心可划分为普通用户和管理员两大部分，下面分别介绍其操作下的主要功能模块。普通用户部分分别包括用户信息编辑、农田信息查询、数据查询、缴费消费记录查询和手动灌溉这五项内容。系统管理员登陆监控系统后有以下权限：农户、农田信息的增、删、改、查功能，设备/传感器信息、类别的管理，田间监测数据的查询，灌溉权限的设置、查询，系统参数信息的录入、修改等。4本课题的重点和难点一、重点 （1） 根据智能灌溉系统的需求分析，设计并实现了智能灌溉监控中心网上实时监控和管理功能。继而可以将各农户的信息、农田的信息、灌溉系统的各种设备和水费进行统一管理，实现灌溉智能化、数据实时性和灌水量精确化的网络化管理，提高水资源的利用率。（2）合理设计数据库，使系统的数据处理和存储更加有效；二、难点（1）数据库的设计与实现；（2）系统业务逻辑层的设计实现；（3）监控中心系统数据的处理与显示。 5 本课题实验设计及创新之处一、本课题的设计方案：（1）逻辑架构：3层架构，JSP+JavaBean+Database；（2）技术解决方案：WebserverTomcat7.0， Database SQL Server2008；（3）数据库的设计：为了便于日后的数据分析处理，灌溉现场采集的信息及水费管理信息需存储到监控系统的数据库中，数据库为系统业务提供数据支撑。数据库存储使数据的存储结构化，不仅增加了存储的效率，还使数据查询更加高效。本系统采用SQL Server 2000数据库，数据库中建立了如下几类表：农户信息表、地块信息表、土壤信息表、水费信息表、传感器数据表、气象信息表、阀门状态信息表、操作历史信息表等。 （4）服务器端的设计：软件的编程语言采用Java编程，界面的显示采用Jsp和Css实现； 二、创新之处（1）本设计不仅使管理人员和用户能实时监控农田作物生长情况，而且还能有效管理水费的计收问题，使灌溉监控和水费管理结合在一起。（2）由于本设计采用了HTML、CSS、JavaScript实现了跨移动终端平台，使开发人员能一次开发，多个平台使用。（3）灌溉策略的设定：根据不同的农作物和土壤墒情进行不同的灌溉处理，进一步提高了节水灌溉的节水能力，并且合理的灌溉能够提高作物的产量。6可行性论证一、国内已有类似成功案例可供参考二、了解了该项目的相关技术和各设计模块的功能，对项目采用相关技术有足够的了解和运用三、根据系统的需求分析，已基本完成数据库的设计四、资料参考方面，有较充足的资料和论文参考7论文提纲摘 要Abstract第一章 概论1.1 课题研究的背景及意义1.2 国内外研究现状1.3 课题研究内容1.4 论文结构安排第二章 系统方案及关键技术简介2.1 智能灌溉监控系统的总体方案2.2 数据远程传输的实现2.2.1 GPRS2.2.3 数据传输协议的选择2.3 灌溉监控系统的运行模式2.3.1 C/S模式2.3.2 B/S模式2.4 系统开发技术简介2.4.1 JSP2.4.2 SQL Server 20082.4.3 Tomcat2.5 本章总结第三章 监控中心系统的需求分析3.1 监控系统目标3.2 监控系统需求分析3.2.1 系统各模块需求分析3.2.2 查询打印功能3.3 系统用户需求分析3.4 系统的性能需求分析3.5 系统开发环境及运行环境3.5.1 开发环境3.5.2 运行环境3.6 本章总结第四章 智能灌溉监控系统的设计4.1 智能灌溉监控系统的总体设计4.2监控系统各模块的设计4.2.1 登录模块的设计4.2.2 信息管理模块的设计4.2.3 数据显示模块的设计4.2.4 灌溉控制模块的设计4.3 数据库的设计4.3.1 数据库的设计原则4.3.2 数据库的详细设计4.3.3 数据库的连接方式4.4 本章小结第五章 智能灌溉监控中心系统的实现5.1 系统登录模块的实现5.2 系统后台管控模块的实现5.2.1 信息管理模块的实现5.2.2 数据显示模块的实现5.2.3 灌溉控制模块的实现5.3 前台查询与控制模块的实现5.3.1 用户信息模块5.3.2 数据查询模块5.3.3 灌溉选择模块5.4 本章总结第六章 总结与展望6.1 研究工作总结6.2 工作展望8调研进度安排2014-6-10至2014-7-20：查阅相关资料，进一步完成数据库的设计 2014-7-21至2014-8-30：进一步确定系统用户需求，确定开发方案2014-8-31至2014-10-30：完成项目的服务端程序开发设计 2014-10-31至2014-12-10：对系统进一步完善，测试运行2014-12-11至2015-3-10：对项目的需求作进一步的调查，并修改和完善2015-3-11至2015-4-20：整理资料，完成论文的撰写9预期目标一、项目 按照进度安排完成整个项目，实现数据显示和处理、精确灌溉决策信息的基本功能，监控中心系统试验运行。二、论文撰写 在课题设计期间发表一到两篇论文； 整理相关材料、数据，完成毕业论文的撰写。10与本课题相关的主要参考文献1 何勇.精细农业M.浙江大学出版社，2003.92 王爱国.关于发展节水灌溉的方向与对策思考.见“中国水利杂志专家委员会会议暨加快水利改革发展高层研讨会”专辑,中国水利,2011(6):35-36页3 史爱克.节水灌溉在中国的发展与机遇J.四川农机，2001(5):26-27页4 张丹.Java技术研究与应用D.西安石油学院计算机应用专业硕士论文,2002:5-7.5 于海斌,曾鹏.智能无线传感器网络系统M.北京:科学出版社,2006,13-16页6 赵丽.浅谈物联网在农业领域的应用及关键技术要求J.电信科学,2011(10A),71-74.7 孟未来,杨大全.Zigbee网络在我国精准农业上的应用展望J.辽宁农业科学,2007(3):67-68页8 Mozilla Developer Network,DOM Storage,2011,developermozillaorg/en/DOM/ Storage , retrieved March 20, 2011.9 Singh R,Hydraulic-hydrological simulation of canal-command for irrigation water management,Irrigation and Drainage Systems.1997vol.I1 No.3:185-21310 王英合，基于WEB的学生信息管理系统设计与实现硕士学位论文.中国海洋大学，2006.11 吴振宇，基于Web的物联网应用体系架构和关键技术研究博士研究生学位论文.北京邮电大学，2013.12 丁建成.基于INTRANNET的WEB管理信息系统J.计算机技术与自动化,1999.9;18(3):107-10913 Piroz Mohseni.Web数据库开发人员指南M,1997机械工业出版社.14 薛华成 主编.管理信息系统M,1999 清华大学出版社15 胡葭，方勇.基于Java的嵌入式远程监控系统J.遥测遥控，2005,26(5):62-65.16 程有娥,钱冬云.SQL Server 2000数据库管理系统M.上海：华东师范大学出版社，2007.17 三层结构简介，18 施红芹等编著.动态网页程序设计M,2001.清华大学出版社19 TI,A True System-on-Chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4/Zigbee,200520 基于WEB和XML的数据管理技术,计算机应用,2002年第一期21 李文江,魏娟.Zigbee无线传感器网络节点的低功耗设计J.成都大学学报,2008(9) 22 林雪松.河套灌区节水灌溉前后水土环境变化及农田水肥效率模拟M.2009.0523 三恒星科技.ARM9原理与应用设计北京：电子工业出版社，2008.324 郑州新双恒信息技术有限公司,IAR安装与使用手册25 裴祥喜,李少华,崔炳德,冯涛.节水灌溉方式优选算法设计与实现J.安徽农业科学,2012.06，3801-3803页26 樊胜.C/S与B/S的结构比较及Web数据库的访问方式J.情报科学,2001.4;19(4):443-44527施伟年，凌海宏.GPRS上的两种数据传输协议J.电力系统通信,2004(08):20-22.28 王姝.基于B/S模式的图书管理系统的设计与实现:硕士学位论文.西安:西安理工大学，200629 刘治国.构建基于B/S结构的图书管理系统.信息技术.2005.72-77.30 刘冬梅.基于B/S模式图书馆管理系统的设计与实现D.东北大学2009.31 姜晓铭，刘波，张亦华.JSP程序设计精彩实例.北京:清华大学出版社，2001.55-276.32张丹.Java技术研究与应用.西安石油学院计算机应用专业硕士论文,2002:5-7.33程有娥,钱冬云.SQL Server 2000数据库管理系统.上海：华东师范大学出版社，2007.34 耿祥义,张跃平.JSP