【毕业学位论文】（Word原稿）基于物联网的现代农业大棚监控工程设计与实现-软件工程

中图分类号： 学校代码： 10055 密级： 公开 硕 士 专 业 学 位 论 文 基于物联网的现代农业大棚监控工程设计与实现 要 I 摘 要 随着 人口 增加 和 人们 对食品要求的不断提高，传统的农业发展模式正遭受巨大的挑战。 信息化 技术的快速发展为 传统 农业的发展 提供 了新的 思路。 近年来，无线传感 和 智能 感知 等人工智能技术的快速发展， 以网络通讯、云处理、嵌入式系统、智能感知芯片等为代表的技术，逐步拓宽了物联网技术在现代农业中的应用。 适宜的空气温湿度、土壤 温湿度、 光照强度和 度 等基本环境参数与农作物生存、生长息息相关。 农业大棚 能够 为农作物的生长提供适宜的条件， 给人们生活带来 了 极大的便利 。 大棚内相关环境 因子 参数的 准确、 及时 监测与控制 对于 现代农业大棚 自动化 生产和管理 具有重要意义。 现有温度、湿度 测控系统 具有 以下几点缺陷： 1）现场传感器采集的信号需要经过大量连线才能传送到采集卡上， 布线施工麻烦，成本也较高； 2）采用模拟信号进行传送易受线路上的干扰和损耗。 本文 采用了 采用基于物联网技术中的 线传感网技术，具有以下主要优点： 1）无需现场布线； 2）单节点成本相对布线方案更低； 3）不存在线路上信号损耗； 4）能够将大棚现场参数传输给管理者，并将反馈自管理者的命令发送到现场的执行设备上，同时能够保证上级管理部门随时随地通过互连网或手机了解大棚现场的实时状况。 据此 设计并实现了 基于物联网的现代农业大棚监控系统 ， 系统 采用目前主流的 B/S 架构完成 ， 监测大棚 内的 空气温湿度、土壤温湿度、光照强度 和 境因子参数 。这些环境监测因子由 线传感网组成的数据采集终端采用不同方法测量获得，数据 进行 初步 预处理 后利用 络发送 给 在线监测数据平台，在线监测数据传输平台进行数据的接收、过滤、存储、处理、统计分析并提供实时数据查询等 服务 功能 。当 农业 大棚内的 空气 温湿度 、 土壤温湿度、光照强度、 度 等 环境 因子 参数 超过设定阈值 时， 系统按照事先预案 采取行动，保证 农业 大棚内环境因子参数 始终处于 农作物生长合适的范围内 。该系统 可提供 全面、准确、安全、可靠、高效、实时的 农业大棚的环境因子监测 ，将农业大 棚内的环境信息及时展现给管理人员，为科学化决策提供依据。 关键字 ： 现代 农业 大棚 监控 系统 ； 物联网 ； B/S 架构 I s of an of of a as in to of to s of is of 1) by to of to 2) is by OT 1) No in 2) of is 3) No of in 4) to in to in to A OT is , in by is is to is in of II a to to of B/S 录 录 摘 要 I 录 一章 绪论 1 第一节 研究背景 1 第二节 国内外研究现状及发展趋势 2 第三节 论文的意义 3 第四节 本文主要工作 4 第二章 相关技术 6 第一节 三层 C/S 体系结构 6 B/S 架构与 C/S 架构介绍 6 C/S 架构与 B/S 架构比较 6 第二节 介 8 第三节 问 据库 9 第三章 系统需求分析 11 第一节 用户需求分析 11 第二节 功能需求分析 12 第四章 系统设计 19 第一节 系统设 计原则 19 第二节 系统体系结构设计 20 第三节 系统的功能模块设计 23 用户管理模块 24 数据监控模块 25 控制管理模块 26 报警管理模块 28 场地管理模块 28 设备管理模块 29 目 录 V 数据备份与还原模块 30 第四节 系统数据库设计 31 系统 设计 31 数据表结构设计 32 第五节 本章小结 35 第五章 系统实现 36 第一节 用户管理模块实现 36 模块实现 36 模块测试 38 第二节 数据监控模块实现 41 块实现 41 模块测试 42 第三节 报警管理模块实现 42 第四节 控制管理模块实现 44 第五节 场地管理模块实现 45 模块实现 45 模块测试 46 第六节 设备管理模块实现 48 模块实现 48 模块测试 49 第七节 数据备份与恢复模块 50 数据库备份 51 数据库还原 52 第六章 总 结与展望 54 第一节 主要工作 54 第二节 展望 54 参考文献 55 致 谢 57 个人简历 58 第 一 章 绪论 1 第 一 章 绪论 第一节 研究背景 自 2001年 9月 中央 政府 颁布 农村市场服务行动计划 以来 ， 各级 政府 对农业信息化的 重视 程度 、 投入与支持力度 明显提高， 农业信息化建设步伐明显 加快， 我国农业信息化建设进入 高速 发展 时期。 “金农”工程 于 2004年 实施全面展开， 农业部、科技部、信息产业部、教育部等国家政府管理部门 单独或 联合出台了 针对农村农业信息化建设的 一系列规划， 在全国范围内 开展 、 实施 了一系列农业信息化 方面 的 重大 工程，并给予全力 政策 、 技术 和 资金 等方面的 支持。我国农业信息化建设 在诸多利好因素的推动下 迈出 了更快的步伐 。 近年来 ， 无线 传感 和 智能 感知 等 人工智能技术 的 快速 发展 ， 信息 产生 模式也由 传统人工模式 逐渐 转变成为人工 /自动生成 兼有 的 复合 模式 1 随着移动通信网 容量 的 扩充 、 一步 推广 以及 以 智能手机、平板为 代表的 移动 终端设备的迅速普及， 促成 了 新一代 以 术 的催生 6 以网络通讯 技术 、云处理 技术 、 嵌入式系统 技术 、智能感知芯片 技术 等 信息 和传感为代表的技术， 为 物联网技术在现代农业中的应用 提供 了 应用 支撑和基础 10现代 化 的 农业生产管理 包括田间信息 的 自动化 /半自动化 甚至 智能 化 的 信息 信息采集、处理、分析及发布等功能。 适宜 的 生长 环境对于 农作物的 健康 生长 具有重要 的 影响 。 农业 大棚种 能够 提供农作物生长 适宜的空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、土壤酸碱度和 给 人们生活 提供了 极大的便 利 。 对 农业 大棚内 的 相关 环境 因子 参数 的 准确 、实时 监测 、 控制 具有 重要意义。 然而 目前常 规 的温度、湿度 等 参数的 测控系统 存在以下几 点缺陷 ： 1） 农业 大棚内布设 的 传感器采集的信号 需要大量 有线连接 才能 传送 到采集卡上，布线施工麻烦，成本也 较 高 ； 2） 直接采用模拟信号进行信号的传送易受到传送 线路上的干扰和损耗。 本文 采用由 农业 大棚内 相关环境因子进行监测 ， 采用目前主流的 B/由前端完成对 农业 大棚内 相关 环境监测因子 参数 的 的监测 、 汇总等工作 。需要 监测 的环境 因子包括 农业 大棚内的 空气 温湿 度、 大棚 内的 土壤温湿度、土壤酸碱度、 光照 强度和 参数 。第 一 章 绪论 2 这些 环境 监测因子由 用 不同方法 测量获得 ， 进行 数据处理后利用 送 给 在线监测数据平台，在线监测数据传 输平台 提供现场 发送回来 数据的接收、 分类 过滤 、存储、处理、统计分析 以及 实时数据查询等 功能服务 ， 并 传感器 检测的 空气 温湿度 、 土壤温度湿度、 参数 超过 预先 设定 的 警戒 阈值时 ，自动 关闭或 开启指定设备 的 功能 12利用该 系统 进行农业大棚的环境因子监测具有全面、准确、 安全、可靠、 高效、实时的 特性， 可以将农业大棚内的环境信息及时展现给管理人员，为科学化决策提供依据 16 第二节 国内外研究现状及发展趋势 以 欧美 为代表的发达国家对农业物联网和 农业智能化方面的 研究较早 ， 在大规模农业生产、农业信息网络建设、技术开发 和 资源利 用 等方面积累了较多的经验 ，在农业 自动化、 机械化和 结构化等方面设备技术水平 较 高，在 人工智能辅助 、农业大棚 自动化 调控方面 也处于 世界 领先地位 。 利用“ 3S”（ 技术、环境监测系统、 灾害 监测预警等系统 ，指导农作物生产 ,辅 以 精细化管理和调控 ， 可以提高资源的利用率，节约人 力、物力和财力资源 ，取得了一定的成就 18 前几次 世界性 技术革命中， 我国由于未能参加标准的制定工作，在后期的应用中受到极大的牵制 。 2009年 温总理在 无锡 视察物联网产业研究院时，提出了“感知中国” 的 想法 ， “要加快物联网的研发应用” 在 其后 举行的第 13届全国人民代表大会第三次会议上 提 出， 写入“政府工作报告”， 物联网被正式 确 立为国家五大新兴战略性产业之 一 21 我国互联网技术进入农业 始于 20世纪 90年代， 农业 管理人员、 普通 等 授权 用户 ， 可以随时随地获得 相关 农业 资讯 信息 、市场供求 、 价格 走势 状况 、 自然 灾害预警 等 信息。我国农业 耕地高度分散 以及农民 文化 知识 水平 、机械化 技能 掌握水平 较低 等问题，农业信息化设备 一直 难以得到 及时 、 有效的 应用 推广。 现阶段我国 多数农业大棚系统 仅 依靠人工经验 进行 管理，影响了经济的快速发展。我国智能 化 农业大棚系统 的研究尚处于起步阶段， 和 国外成熟的应用方案相比 先进性 、 可靠性无法得到保证。 近年来 随着计算机技术、自动控制 技术和 网络等技术在农业大棚控制 、 管理第 一 章 绪论 3 等方面的广泛应用，农业大棚发展迅速 。 世界各国以高技术含量、低 成本 投入、高产出为切入点，充分利用 现有 农业设施 和 科学技术 ，极大 地 提高了农业机械化 、 智能化 技术水平。农业设施 的智能化 已 经 成为当今各国展示农业科技发展水平的重要标志。 本文 针对目前国内智能 化 农业 研究现状，基于物联网技术，结合 嵌入式技术、无线传感技术和无线通信技术 ，实现了农业大棚的智能化管理 。 第三节 论文的意义 针对目前农业大棚 的 发展趋势， 本 论文 提出了一种基于物联网的现代农业大棚监控系统的设计 方案 ， 该设计方案基于物联网技术 中 的 术 ， 主要优点在于： 1） 无需 现场布线 ； 2） 单节点成本相对布线方案更低 ； 3）不 存在线路上 信号损耗 ； 4） 能够 将大棚 现场参数 传输 给管理者，并 将反馈自 管理者的命令 发送 到现场 的 执行设备 上 ，同时 能够 保证 上级 管理 部门随时 随地 通过互连网或手机了解大棚 现场 的实时状况 。 利用物联网技术、现代传感器 等 技术， 通过设计 、 实现、 调试 和 运行 基于物联网 技术 的 现代农业大棚监控系统， 能够 为现代农业大棚监控提供有效服务 ，帮助农业大棚管理者更好地 检测 、 掌控农业大棚内各个 环境 因子， 并 实现自动调节，使农业大棚 内 农作物 处于一个 最佳 生 长 环境。 论文首先 回顾、 分析了国内外 农业大棚监控系统的发展历史和现状，概括了现代 农业大棚监控系统的管理需求，指出了国内 现有 农业大棚监控系统的主要不足，并对其未来 技 术发展、 市场发展趋势进行了 较为 详细的 探讨。最后 针对目前国内农业大棚监控系统所存在的不足进行了 部分改进 ，主要包括以下几 方面： 1）系统集成了多种技术 随着计算机技术的 快速 发展 和 网络的 迅速 普及， 从 目前用户使用环境 、 用户技能 、 用户对外来知识的接受程度 和维护成本 等 方面进行综合 分析 得知 ， 接受。从系统集成方面来 看 ， 应 采用 保证集成的可实现性 。 2）物联网技术的应用 目前常用的温度、湿度测控系统大多存在 以下 几 点缺陷 ： 1） 现场传感器 采第 一 章 绪论 4 集 的 信号 需要 经 过 大量连线才能 传 送到采集卡上，布线施工麻烦，成本也 较 高。2） 采用模拟信号进行传送易受 线路上 的 干扰和损耗。 据此 提出基于物联网技术的低功耗 14,17 3） 系统各个业务部门 协同管理 协同管理理念主要体现为三大基本思想，即 “随需而用思想”、 “信息网状思想” 和 “业务关联思想” 。 农业大棚管理者、相关农业监管部门 等通过信息共享，对农业大棚进行远程监控 和 管理。 设计并实现基于物联网 的 现代 农业大棚监控系统，其主要创新点包括： 1） 针对中国现有农业大棚 的特点，依托物联网技术， 应用低功耗 的 各 大棚监测点 采集到的农业大棚各环境因子 数据 上传到基站，通过网关息 进行预处理后 发送 给 远程服务器。 2）远程服务器 对 网关 传输 来 的数据 采用先进的人工智能等技术 进行分类 、汇总、 分析 后 ，将 处理 结果及报警信息发送到用户移动终端，并接受 经 授权 的移动终端 传输来 的 控制指令。 3） 采用 B/有 良好的交互式操控体验，可设置显示大棚内温 度 、湿度 、土壤 参数，并能进行自动、手动 模式 的 控制切换及声光报警等，客户端 、 基站之间采用无线通信，大棚内 空气 温度湿度、 土壤 温度湿度 、 光照强 度、 号来 自 不同模块，扩展灵活 并 可实现 多点取样。 第四节 本文 主要工作 本文 的主要工作包括以下六个方面： 1）对目前流行的 B/，找出各自的优缺点，并提出在在服务器与客户端之间采用 B/及选择 2）研究以往的典型农业大棚监控系统，提出基于物联网技术的农业大棚监控系统的优势 。 3）确定所采用的 B/ 4）分析各 业务层之间的关系和系统的功能模块划分，制定出项目系统的 详细设计。 5）针对各个功能模块，从数据库服务器端到 章 绪论 5 块逐个实现 。 6）系统合成并进行测试验收。 本文设计和 实现的基于物联网的现代农业大棚监控系统项目主要按照以下步骤实施： 1） 第一章 为绪论， 主要 介绍论文的框架及章节安排。 2） 第二章介绍 相关的技术， 包括 B/， 3） 第三章为系统需求分析， 包括对 用户需求和功能需求分别 进行 分析。 4） 第四章为系统设计， 包括 用户管理 模块 、数据监控 模块 、报警管理 模块 、控制管理 模块 、场地管理 模块 和设备管理 模块 的 实现 。 5） 第五章为 系统 实现，包括 基于物联网的现代农业大棚监控工作流程图的制定 和 用户管理模块、数据监控模块、报警管理模块、控制管理模块、场地管理模块和设备管理模块 。 6） 第六章为 总结 与展望， 包括 对 本论文 已有工作的 总结 和对未来可能进行的 工作 进行展望和预测。 第 二 章 相关技术 6 第 二 章 相关技术 第一节 三层 C/S 体系结构 B/S 架构 与 C/S 架构 介绍 客户端 /服务器端 （ C/S） 架构 ， 其客 户端 程序可以在 一个 或多个用户 电脑上运行 ，服务器端 存在 两种 形式 ， 一种 为 数据库服务器端，客户端 以 数据库连接 的 方式 访问服务器端的数据；另一种 为 务器端 程序通过 序通信 ， 客户端实现 界面展示和 业务逻辑 工作 。 在理地 进行 任务分配， 可以 降低系统的通讯开销，充分利用件环境的优势。 C/户端需要 处理 显示、 逻辑和事务处理 工作 ， 承受 了 较 大的压力 ， 通过与数据库 交互 进行 持久化 数据 传输 ，以 满足实际项目 需要。 浏览器 /服务器 （ B/S） 架构 ， 是 由于 因特网 技术 兴起 的 对C/ 一种 改进。 B/， 显示逻辑完全通过 现， 主要事务逻辑在 分事务逻辑在前端实现 。 B/要是利用 不断成熟的浏览器技术，结合 种 浏览器 脚本 语言和 以 代替 原先 复杂 、大型 专用软件才能实现的功能， 可 大量 节约开发成本， 且 无须特别安装，只 需 有 联网 的 浏览器即可。 C/S 架构 与 B/S 架构 比较 C/，在很多方面存在着 相通 之处，也存在 一定 的差异 性 。 表 过 硬件环境、安全要求、程序架构、软件重用、 系统维护、处理问题、用户接口和信息 流等 8个 方面对 C/。 第 二 章 相关技术 7 表 ,由 专门服务器 进行 连接 并提供 数据交换服务 。 建立在广域网 上 ， 不必 拘于 专门的网络硬件环境 ， 比 C/有 更强的适应范围 ， 一般 有操作系统和浏览器就行。 安全要求 对服务 器 端、客户端 的安全 都 有 要求 。 只注重服务 器 端安全 。 程序架构 可 多层次进行 权限校验 ， 更加注 重流程， 较少 关心 系统运行速度 。 B/ 程序架构 的 趋势 ， 要求 比C/高 ， 在 安全 性 及访问速度要求 等方面 有 多重 考虑 。 软件重用 构件重用性不如在 B/的构件的重用性好 。 构件相对独立 ， 重用 相对容易 些 。 系统维护 需要 进行 整体考察 ， 系统升级及 系统排错 较 难 。 由 构件组成 ， 构件的 更新 维护 方 便 ，系统升级 方便 ， 用户从网上下载安装对应 组件即可 实现升级 。 处理问题 可以处理 的 用户面 相对 固定 。 建立在广域网上 ， 面向不同 用户群 ，与操作系统平台关系 较 小 。 用户接口 多 建立 在 表现方法有限 ,对程序员 具有较高 要求 。 建立在浏览器上 ， 通过 现 跨平台，使用更灵活。 信息流 典型的中央集权 机械式处理 ， 交互性相对低 。 信息流向可变化 。 关于 B/。 表 B/） 无需安装 客户端，有 联网 的 览等 操作 。 2）业务扩展方便， 在 服务器端 修改 、增加、删除 功能 页面即可 。 3）维护 方便， 在服务器 端 进行 功能页面 修改 即可实现 全网 用户同步更新。 4）共享性 、交互性较强 ，可直接放在广域网上， 多客户可进行 实现 权限控制的 访问。 1） 速度和安全性是 B/ 需花费较大的设计成本。 2） 响应速度不及 C/S。 3） 用户体验效果不 及 C/S， B/对 浏览器 单独进行界面 开发 。 4） 采用 请求 行客户端服务器端的交互 ，通常需要刷新页面 。 C/1） 客户端实现与服务器 直接相连，响应速度较快。 2） C/管理 系统 事务处理能力较强 。 3） C/ 4） 可实现多层认证， 安全性能可以很容易保证。 1） 适用面窄， 系统扩展 性 低 ， 通常用于局域网中。 2） 用户群固定 ， 客户端需 专 门 安装 ，且 依赖于用户 操作系统。 3） 维护成本高， 一次 升级 可能需要改变 所有客户端程序。 第 二 章 相关技术 8 第二节 介 称为 是一种可 从 因特网 接收请求 的 通讯技术 ， 通过 简单对象访问协议 看， 使用 网络服务描述语言 文件进行说明，并通过 统一描述、发现和集成 进行注册的 方式 在因特网上 提供软件服务 26 了 实现跨平台 互操作 这一目标 ， 基于 独立于平台、软件供应商的标准，创建可互操作的、分布式应用程序 30使用 点如表 表 具体 说明 跨防火墙的通信 客户端和服务器 间通常会 设置 防火墙或者代理服务器 ， 客户端 、 服务器间 通信 对用户而言 是一个 较为 棘手的问题。传统 解决方案 将 浏览器作为客户端， 向 用户 提供应用程序中间层 接口 。 若 利用 间层组件， 便可 实现 直接调用中间层组件。 直接使用 微软 简单对象访问协议 开发包 或 的 简 单对象访问协议 客户端，也可使用自 行 开发的 简单对象访问协议 客户端， 调用 并将它和应用程序连接起来。这样不仅 可以 减少代码复杂度、 缩短 开发周期 ，也能 增强应用程序的可维护性， 避免应用程序每次跳转到“结果页”。 应用程序集成 企业级 应用程序开发经常 需要 集成 多 平台 、多 语言 的 程序， 需要 花费较大 的开发力量。应用程序经常需要 在 不同的应用程序 间 进行数据交换 。通过 应用程序 向其它应用程序提供 功能和数据 访问接口 。 准协议 的 消息 交换。 是 企业 交易双方使用因特网技术 进行 交易 的 过程 。 可轻易实现互操作性。 企业 只要向网络服务开发 商务逻辑 接口 并进行 用户授权验证 ， 供授权 用户 进行 调用 ， 可 大大减少 软件和数据重用 代码背后的数据 ，可以 快速地实现 应用 程序功能的整合 。 当然 些 缺点 ， 如 表 第 二 章 相关技术 9 表 具体 说明 单机应用程序 当前 企业 /个人 中 还有 很多人 使用 桌面应用程序 ，需要 与本机上其它程序 进行 通信 。 这种 情况 下 推荐 优先 使用 本地 耗太大的 局域网的一些应用程序 在 单对象访问协议 /超文本传输 协议 更加 有效。 第三节 问 据库 是 ，用于 问，可以 结合 建基于 服务器端数 据库进行插入、 删除、 更新 和查询 等操作。 浏览器和数据库的关系 如图 、浏览器和数据库的关系 (1) 常见的 表 表 对象 说明 立数据源的连接 于操作数据表 行数据查询 合 处理记录集中的各个列 第 二 章 相关技术 10 供了一套完整的创建、查询、操作命令 ， 如表 示 。 表 能 令 说 明 例子 数据定 义 建数据表结构 .) 改数据表结构 除数据表结构 据查询 询满足条件的数据记录 据操纵 入数据记录 ) 改指定记录的指定字段值 ET 除指定数据记录 第三章 系统需求分析 11 第三章 系统需求分析 第一节 用户需求分析 目前业界 认为一个完整的物联网系统应 包括 末端设备或子 系统、通信连接系统 、及 应用 与管理 系统（ 三个层面 ， 如图 末 端 设 备传 感 器通 信 网 络控 制 器应 用 软 件中 间 件D e v i c e （ 设 备 ）C o n n e c t （ 连 接 ）M a n a g e （ 管 理 ）物 联 网 D C M 模 型图 物联网 基于物联网的现代农业大棚监控系统主要由数据采集层、通讯层 和管理层 等三部