《浅析农业生产中物联网给水度应用【论文】8000字》

浅析农业生产中物联网给水度应用目录TOC\o"1-3"\h\u115621绪论 3142291.1研究背景 3301271.2研究意义 389571.3主要内容 395212相关技术介绍 2321092.1数据可视化技术 283542.2物联网技术 266452.3SQLServer数据库 343752.4B/S模式 378293系统需求分析 422693.1系统性能需求 439473.2系统功能需求 4293143.2.1数据采集 4205203.2.2数据查询 584173.2.3水质监测 5139313.2.4异常预警 5206413.2.5设备管理 5234724系统设计 6119984.1总体设计 651074.2功能设计 6219604.2.1水质监测 6220764.2.2设备智能控制 8305854.3数据库设计 837525系统实现与测试 9287625.1系统实现 9198915.2系统测试 1014845.2.1测试目的 1099285.2.2测试环境 11314686总结和展望 11246796.1总结 11134866.2展望 1127232主要参考文献 13

1绪论1.1研究背景就物联网技术而言，物联网技术已经发展成为通过数据检测设备（例如射频识别，红外传感器，全球定位系统）进行智能识别，定位，跟踪，监视和管理的网络，根据协议将任何项目连接到网络来交换和交流信息。[1]在技术应用上没有障碍，可以为水产养殖环境智能监控系统的建设提供技术支持。就物联网的研发能力而言，我国在物联网中的重要性日益提高，与物联网技术相关的研发人才也大大增加。在网络、物联网技术和信息资源等的充分利用下，服务效能得以有效提升，资源也得到了有效的整合和共享。近些年在“互联网+”风潮的推动下，物联网技术广泛的应用于安防、农业、交通以及生活等领域，室内环境监测可视化作为物联网生态圈的一个应用产业集中区，具有广阔的发展和应用前景。随着科学技术的发展，水产养殖户已经开始观察养殖水质环境数据的变化，自然环境对水产生物的生长产生重大影响。水产养殖环境监测使用最新的科学技术以连续的形式测量并展示环境质量相关的数据，这样养殖户可以及时获取相关环境的相关信息，从而采取适当方式来对养殖进行科学管理。[2]如今，许多环境监测设备与传统设备相同，一个设备只能检测一个或两个参数，并且数据只能显示在设备的LCD屏幕上，不可能随时随地观察环境参数。实用性和便携性低，无法满足养殖户的需求。本文使用物联网技术来解决此问题，根据数据可视化的养殖户体验设计可视化网页，以显示在硬件部分中收集的数据，简洁明了地呈现大量数据，以便养殖户可以快速了解和控制各种养殖环境参数，并及时根据环境变化做出预警和自动控制。1.2研究意义通过目前市面上的环境监测系统，养殖户可以观察实时水质环境数据变化，并可以预测一天余下时间养殖环境参数的变化。但是仍有一些缺点，例如仅显示实时数据和一段时间内的数据变化；虽然在一定程度上能够方便养殖户分析数据，但是监测的位置又太少；养殖户同时观察多个位置的环境信息时，需要登录多个网页进行查看，非常不方便；此外，交互设计较少，这会降低养殖体验。为了同时观察多个环境参数并远程监控和分析数据，可以使用硬件系统收集数据并上传，然后进行数据采集和处理，然后设计一个大屏幕的数据可视化网页进行显示来自不同位置和两天内的实时数据，养殖户可以方便地进行数据分析，例如预测当天环境参数的变化以及明天和后天的水质环境数据的近似变化；可以根据水质监测结果，实时自动地调整控制设备。这使得系统的智慧程度大大提升，如同安装了网络神经系统一样，实现了环境监测系统的标准化、智能化以及管理的精细化，可以方便全面和动态化进行环境检测。[3]1.3主要内容 本文基于水产养殖环境问题进行监控，设计相关的智能控制系统，主要内容如下：（1）绪论，首先论述了基于物联网技术的水产养殖环境监测系统的研究背景，然后论述了研究的意义及论文的结构等。（2）介绍了开发环境和涉及到的相关技术，主要介绍系统使用的关键技术，之后介绍项目的开发环境，最后重点介绍数据库。（3）需求分析描述了系统的功能和性能需求，根据养殖户的实际需求对环境监测系统的功能和业务流程进行必要的分析和说明。（4）系统设计，本章对系统的总体架构进行设计，讨论系统功能结构，并且对系统各功能模块进行详细讨论，还对数据库进行讨论，并对数据库表进行设计。（5）系统实现与测试，针对系统主要功能进行了展现并测试了相关功能。（6）总结，针对本文的研究内容进行了小结，并指出本系统中存在的不足之处，提出今后该课题的研究方向。2相关技术介绍2.1数据可视化技术数据可视化是一种将数据转换为图形等以视觉上可识别的方式传达信息，主要是通过多种可视化形式直观，清晰地显示复杂数据，以此帮助人们快速发现和解决问题并为未来做计划的方法。[4]典型的数据可视化模型分为以下几层：战略层，用来了解养殖户所需的功能和需要获取的数据；范围层，主要对数据进行分析处理；结构层，显示数据并设计交互；表现层，这里是养殖户界面的设计。每一层都基于上一层，并且各层紧密相连。只有基于这四个层来设计网页，才能正确显示数据并有效地检索其中包含的信息。数据可视化技术主要有以下几类：（1）基于几何技术：主要用于比较和分析多维数据，以几何描述或几何投影的形式显示数据。（2）基于图标技术：每个多维数据都使用几个几何图标进行标识。按照图标的顺序和大小排列，图标的所有颜色和形状都与数据的属性尺寸相对应。（3）基于层次技术：用于显示分层信息，例如文件目录和区域信息。此方法将数据划分为几个子空间，但是子空间仍然是分层的。（4）基于图形化技术：基于图标的技术是一个图标代表一个数据，而基于图形化技术则是一整个图形来表示，将各个维度通过整个图形的点、线、面表现出来。（5）面向像素技术：其可视化方法可以分为独立查询和基于查询的方法。（6）其他可视化技术：常用的可视化方法包括折线图，柱形图，条形图和饼图。2.2物联网技术物联网是互联网的延伸，可以充分容纳及互联网上的所有资源，比如其中的应用技术等，这一概念于2015年被国际电信联盟(ITU)提出，并且是在网络无线射频识别技术(RFID)的基础上进行呈现：物联网是一个动态网络，允许任何项目在任何时间和地点进行各种通信。[5]物联网的一个更清晰的定义是：技术网络。检测将每个项目连接到Internet进行通信，它的体系结构分为三层：感知层，网络层和应用层。图2.1物联网架构图感知层包括RFID电子标签、监控摄像头等感知设备，主要用于信息的采集和传递，身份认证后，通信模块与本地网关成功连接后，就可以利用网关来发送或者接收信息，并对信息进行相应的操作。网络层由通信网、广电网、GPRS、WiFi网络、ZigBee、以太网等部分构成，主要是向其他网络发送感知层发送的数据和信息，并将这些网络发布的控制指令传达给感知层，在数据发送的过程中，为方式格式不兼容的问题出现，需要先转换格式，使信息可以在Internet.2G/3G/4G等网络中传输。[6]应用层包括智能环境监控系统、智能交通系统、智能家居系统等内容，主要对传感器搜集到的数据进行分析、存储、计算等过程，以便为养殖户提供具象的特定服务。2.3SQLServer数据库作为应用系统的数据支撑，数据管理是尤其重要的一部分，如果缺失了实际的数据那么应用也只是一个空壳，没有实际的价值。SQLServer是微软公司开发的数据库管理系统，它是一个全面的数据库平台，使用集成的商业智能工具。SQLServer在数据分析与管理方面具有很强的灵活性，能较容易地对数据库进行集中管理，同时还可以在保持联机的状态下在不同的客户端对数据库进行复制和移动。数据库引擎提供了更安全可靠的存储功能，为关系型数据和结构化数据，可构建和管理用于业务的高可用和高性能的数据应用程序，数据引擎是环境监测可视化解决方案的核心。[7]2.4B/S模式用web模式建立的信息管理系统一般都是三层分布模式，这种三层分布的模式结构通常也叫做webbrows/webserver模式，也就是我们常说的B/S模式。由于各类信息技术的不断更新，B/S模式在传统的客户端模式下发展起来并得到广泛应用。其最大的特点是，能够让养殖户随时随地在浏览器上对应用进行访问即可实现系统的功能，为客户端减轻了负载并且简化了操作。在这样的操作背景下养殖户可以轻松对于系统进行操作，可以让不同的人员不仅仅局限于某种固定的访问方式去对系统进行操作。这种模式能够在很大程度上降低软件维护成本，不需要对于客户端程序进行开发，并且使用时并不需要再次安装，只需要对服务器进行维护即可；对于养殖户来说，传统的客户端程序在B/S模式中也就是浏览器；应用程序和数据库都可以充分利用来实现大量的数据存储，进行有效的数据管理功能，在系统上能够共享更多的数据库资源，养殖户也只需要通过浏览器即可访问相关页面从而获取相关水质环境数据的展示。3系统需求分析3.1系统性能需求系统对于数据的安全要求很高，一般情况下只能由授权养殖使用。同时，该系统作为相应资料的载体，需要充分考虑到系统异常或故障的情况，故障或异常情况可能导致数据丢失，这时需要必备的数据恢复方案。系统具有稳定性，不仅满足了环境监测管理的业务需求，此外，通过互联网云服务建立系统，可以进行统一管理，更符合互联网+的方向，还可以满足客户各种需求。系统有一定的可扩展性，因为系统并不是独立而是相互联系在一起的，其后期功能也会得到一定程度的完善。因此，为满足操作应用程序过程中的准确性和其他要求，系统需要具有良好的可扩展性和兼容性。3.2系统功能需求3.2.1数据采集环境监控系统可以充分发挥数据采集的作用，使其可以为数据处理系统提供基础数据信息，进一步方便环境检测管理，为了充分满足监控系统的设计需求，各设备使用wifi，ziggbee等方式与总网连接，整合的数据类型包括湿度、温度等基础数据以及物联网监控动态数据等。图3.1数据采集模块系统使用ZigBee技术构建信息集输入模块，以使无线传感器网络和RFID系统不会相互干扰，由ZigBee和GPR组成的环境监控系统，终端采用ZigBee技术实现设备的互联。在网关节点中收集数据后，通过GPRS将其与服务器连接，然后将数据上传到后台数据库服务器。3.2.2数据查询HTML一般用于创建简单的网页，计算机通过HTML传输信息并使用观看器作为传输信息的载体。JSP语言和JavaScript语言也可以增添到HTML文件中以创建不同的模块交互效果。系统应对权限进行合理分配，不同的人员应对其设置不同的使用范围。还应具有查询功能，查询结果可以以表格格式，饼图、直方图的形式呈现，这可以给养殖户一个更直观的感觉，功能设置的目的是也是为养殖提供数据支持。3.2.3水质监测需要捕获，传输，处理，显示和回放水质监测的数据。这些过程一起形成一个整体系统循环，并可以连续执行。可以将不同的水质环境数据集成到网页中以获得清晰的视图，单击即可在不同的位置之间切换，或者查看不同位置的环境监测详细信息。3.2.4异常预警监控养殖环境温度，营造一个适宜养殖的环境；监视异常水质环境数据并进行预警等等。3.2.5设备管理要对硬件设备进行自检测，查看受否有硬件出现故障，如果发生故障及时通过GPRS向用户发送短信息。水产养殖系统水产养殖系统水质监测设备智能控制数据采集数据可视化查询更新信息异常预警图3.2系统功能结构图4系统设计4.1总体设计系统结构主要包括3个部分，首先是数据采集部分，主要通过传感器来获取环境质量的基本信息，然后是数据处理和传输部分，主要是将数据采集部分的信息经加工处理后传输到业务层，最后是业务应用部分即可视化显示。养殖终端使用功能丰富的VScode插件软件，HTML5用于确定整体网页结构，CSS3用于大屏幕样式渲染，数据显示部分使用Echarts图表显示，JS和JQ用于切换在监视位置和轮播表功能之间切换，以实现不同设备之间的正常显示。4.2功能设计4.2.1水质监测这个模块的数据主要是通过养殖水体的4台水质监控仪进行实时采集，主要是采集水体中的溶氧、水温和PH值。从而作为我们增氧风机启动和养殖策略实施的依据。可以随时切换监测地点，点击地点页面会显示相应地点的实时数据和数据变化图。这样就实现同时监测多个地点的环境参数，然后进行环境管理和规划。可以将整个区域分布的监测点的数值以图表形式展现出来，并且当水质环境数据超过正常值时，代表每一个站点的标志会改变颜色，可以根据不同的范围设置不同的颜色以便区别开。当单击每个显示的数据框时，出现该测点的实时和历史趋势。本文设计的系统有多个位置，通过flex布局将子元素ul里的li放a标签即可实现，通过放置标签可以控制行中元素的标签的宽度和高度。位置按钮对应于右侧的四个div，但仅显示一个位置且仅显示一个div。系统在运行中通过实时采集的环境监测的有关参数、现场数据经过及时处理后显示在计算机屏幕画面上，可通过拼接屏形象直观地显示各种必要的气象实时情况图。系统决策管理人员可根据计算机及时提供的各站参数信息可以监测到参数数据如温度前两天的具体变化。使用JQ可以滚动浏览图表上所有位置的数据，无需任何干预即可大致了解多个位置。将鼠标悬停在轮播表上，以停止滚动并使养殖户更轻松地查看数据。将鼠标移出轮播就会继续滚动表格。要获得轮播效果需要逐步向上滚动列表。现在创建一个playScroll函数，启动计时器并每2秒执行一次滚动功能。在滚动功能中，使用eq（）方法获得ulscrollBody，使用animate（）方法更改ul的CSS样式，控制第一个ul并将其向上移动40px，移动第四个ul位置和第二个ul移到第一个ul位置，然后将第三个ul移到第二个ul位置。使用stop（）方法可实现向上渐进运动并美化效果，至此表格滚动功能完成。另外，添加鼠标移动到转盘以停止滚动，添加鼠标移动以关闭计时器，并在鼠标移动时打开计时器，代码如图所示。图4.1轮播表功能图4.2鼠标移入移出监听事件轮播表的适配，需要获取养殖户浏览器窗口的原始大小和当前窗口的大小，然后绑定窗口调整大小监视事件。只要更改窗口大小，就会计算出相应的滚动距离，然后将该值提供给滚动功能Scroll，部分代码如图所示。图4.3轮播表适配4.2.2设备智能控制根据养殖阶段不同，对水体的溶氧、投饵需求制定不同的实施策略，实现在水产养殖不同阶段自行对现场增氧风机等设备进行管理，达到智慧养殖目的。4.3数据库设计数据库是整个系统的基础部分，数据库的设计直接关系到数据库的大小和系统代码的优化，数据库设计的合理程度决定了系统运行速度，系统的整体运行效率。在查询结果从数据库中出来时，应具备对应的排序功能，使切合度最高查询结果优先展示。概念设计的关键在于概念的提出与运用，具体包括前期的策划准备；可行性论证；客户及市场调研；概念的提出、表达等诸多步骤。由此可见是一个整体性多方面的设计，设计到的所有可能实体及联系。采用相对成熟可靠的3层系统架构模式，使用表示层、业务逻辑层和数据层框架来搭建平台开发，将分布式应用程序清楚地划分开来。在扩展性上，这种结构有利于系统的后期升级与维护。在性能上，有利于提高数据的处理效率，保证系统数据的存储。可得出物理的数据表：表4-1用户表名称数据类型长度空是否主键用户账号Varchar10非是用户姓名Varchar20非否用户密码Varchar30非否用户类别Varchar30非否表4-2监控地点数据表名称数据类型长度空是否主键地理位置char10非是坐标展示Varchar50非否其它Varchar50否表4-3水质环境质量数据表名称数据类型长度空是否主键区域名称Varchar10非是地理位置text50非否时间char30非否数据统计char50否温度char50否湿度char50否phchar50否溶解氧char50否5系统实现与测试5.1系统实现首先管理系统在养殖地布置硬件设备:多个水上节点(水质参数采集节点、远程视频采集节点、水质参数调节节点、ZigBee+GPRS无线网关)。用户可通过手机、PC、平板电脑或PDA等方式登录浏览器，查看实时的水质信息，确认是否发送控制信息，如果确认则浏览器向服务器发送请求，由服务器通过GPRS向ZigBee网络下发指令到水质参数调节节点。HTML5和CSS3作为HTML和CSS的最新版本，大大优化了网页设计部分，头部标题使用header标签。内容部分布局如下图。图5.1整体布局鼠标悬浮在曲线上某时刻时显示昨天和前天此时刻的水质环境数据信息。湿度变化图在JS里给图加了areaStyle属性实现颜色渐变，美化图形以提高养殖户体验。图5.2水质环境数据可视化展示5.2系统测试5.2.1测试目的 一款好的应用程序不仅在开发过程中需要考量各种各样的问题，并且给出好的解决方法。在程序完成之后，也必须有好的程序测试过程来保证应用可以满足设计之初的各种需求，找出程序开发过程中的漏洞和不足，并根据测试结果对程序进行完善，最终得到一款尽可能完美的应用程序。[9]当程序的编辑完成了以后就需要进行测试了，需要检测系统的功能是否完整，系统的业务是否达到要求，还要对安全性进行检测。需要对系统的登陆进行验证，对系统的功能进行测试，还需要分析系统的性能，还要对数据的完整性还有核心代码进行复检，看看系统是不是符合设计的要求，能不能实现在前几个章节所列举出来的那些功能。软件程序测试可以识别项目风险，为开发人员和项目经理提供软件程序测试的反馈信息，并为风险评估提供必要的信息。此外，软件程序测试确保在线日期之前达到在线标准。同时，也保证了对项目进展的持续跟踪和对每个阶段质量的控制。系统测试应用程序的使用情况以及后台服务器的使用情况。客户端测试养殖登进系统，数据直观展示，界面是否跳转等模块。后端测试模块是否被执行，找出程序开发过程中的漏洞和不充分，并根据测试结果对程序进行完善。5.2.2测试环境要想大大简化和方便系统的维护、进一步改进与管理，可以将软件系统看成是一个组件集合，各组件在不同的硬件平台上进行开发，从而来实现共享与重用。这种模式将养殖户交互的界面及功能保留在客户端，而将主要逻辑功能集中到中间服务器上，应用系统的功能表现为面向养殖户、业务逻辑与面向数据的服务，这种应用被称为三层模式。[10]在开发过程中封装具体的实现，通过一致的接口进行访问，由web服务器调用业务逻辑，对于应用层与数据库服务层不需要作任何改动，所以这种结构成为具有高度可扩展性的应用体系结构，其多方面的适应性有利于实现最佳的性能、更好的安全性以及更方便的维护。在硬件配置方面，环境监测可视化系统使用目前市面上一般销售的计算机即可，在网络方面，通过接入业务服务器，即能实现业务数据的自动下载。本地建立一个可提供数据增加、查询和存储服务的数据库服务器，作为系统的数据中心。web服务层提供一个系统的运行服务器，不需要安装额外的客户端系统。客户端可使用windows终端，建议使用ie6．0以上版本。6总结和展望6.1总结本文首先阐述了水产环境智能监测系统的研究背景，接下来介绍系统研究的意义和对系统应用相关技术的描述，包括物联网技术概述，同时，对系统需求进行了分析和总结，每个模块的功能已经被详细设计和实施。结合HTML5、CSS3、JS和JQ等技术实现可视化、人机界面友好、使用方便并快速高效，基本达到了预期的目标。该系统可对基本环境信息进行查询，并统计分析得出可视化的图表如常见的柱状图、折线图等，清晰明了地将一天内各项环境质量指标数据及其变化展