基于物联网的精准农业大棚监控系统的设计与研究

PAGEPAGE2基于物联网的精准农业大棚监控系统的设计与研究摘要由于我国不同地区的自然条件和社会条件差异明显，传统的农业劳动已经不能满足现在合理种植的要求，同时，随着物联网信息技术在我国的发展和应用，开发适合我国国情的农业大棚监控系统有非常重要的意义。基于物联网的精准农业大棚监控系统，一方面可以通过监测并调控大棚内温度、湿度、二氧化碳浓度等数据，以此促进农作物的生长，提高作物产量；另一方面可以实现农作物生长过程的监控自动化。本论文首先分析了精准农业研究背景意义，以及在国内外的研究现状。讲述了物联网和精准农业的一些技术支撑，提出了基于物联网精准农业大棚监控系统的设计方案。系统是从三个方面进行分析的，数据节点的采集、系统基站和远程监控系统。通过在大棚内安装终端传感器（温度传感器、空气湿度传感器等）对农作物的生长环境进行监测，然后把监测到的数据上传到系统基站，基站根据之前的数据设置判断是否发出警报，同时基站把数据发送给远程主机，工作人员根据主机上的数据和农作物的生长情况进行比较，发送控制命令给基站对大棚内设备进行操作（调节温度、湿度，是否通风等）。本论文主要采用的研究方法有文献调查法、系统分析法、实验法和问题分析法，提出一个精准农业大棚监控系统的设计方案。系统主要包括了大棚数据管理、传感器管理、大棚管理命令控制、用户信息管理和用户权限设置这五大模块。关键词：精准农业；物联网；农业大棚；监控系统1绪论1.1本文研究背景及意义农业一直是我国国民经济的基础，为我国经济的发展和社会的稳定提供了一定的物质基础。我国不同地区的自然条件和社会条件差异很明显，传统的农业劳动生产率比较低，而大量的劳动力又被束缚在农业上，这对我国的经济发展很不利。随着机械化农业所带来的优势虽然大幅度的提高了农业生产率，但是我们也要清醒的看到它所带来的问题：农产品质量的下降、水土流失、资源的浪费、农药污染以及水污染等一系列的环境保护方面的问题。发展精准农业已成为数字农业的核心，精准农业对提高农作物产量、合理分布农业资源、改善生态环境、提高生产效率及降低生产成本等方面有积极的作用[1]。精准农业在一些发达国家被广泛应用并取得了突飞猛进的发展，我国的精准农业还处于实践的起步阶段，为了完善精准农业的未来的发展和提升竞争力度，需要投入更多的资源。精准农业在我国的发展方向是符合我国现在的基本国情的，是建设集约型社会和农业可持续发展理念的需要[2]。同时，随着全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感系统（RS）和智能控制系统（ICS）等技术研究的迅速发展，这些技术也越来越被人们普遍接受，这对精准农业以后技术的发展提供了基础[3][4]。农业大棚是通过人为构建可控环境以保护农业生产过程，随着农业大棚的规模化，大棚环境监测与控制便成为了精准农业所必须解决的问题，传统的控制技术存在着智能化程度不高的问题，而物联网技术的出现有效地解决了利用在大棚内部署各类无线传感器和网络传输设备将采集到农业大棚内空气温度、湿度、土壤温度、光照等参数汇集到中心节点，然后与互联网相连，利用手机或远程计算机进行实时监测农作物现场的环境状态信息[5]。监测系统根据环境参数和视频图像诊断作物的生长状况与病虫害状况，进行实时的智能决策，并自动开启或关闭指定的调节设备（如遮阳帘、浇灌系统、风机、加热器等），实现智能化管理[6]。目前我国的农业发展还存在一些问题，传统的农业发展在一定程度上靠依赖生物技术，以及投入大量的机械动力、化肥、农药和矿物质能源等而实现。由于投入过量的化学物质而引起的生态环境和农业产品质量下降，高能耗的管理方式所导致的农业生产效益低，资源的日益短缺，在目前农产品国际市场竞争激烈的时代，这种管理模式已经不能适应目前的农业可持续发展的需要。本文的研究目的是通过学习相关的理论文献，学习和吸收国际上已经取得的比较成熟的先进技术和经验，同时结合我国目前精准农业的发展现状，构建出我国基于物联网的精准农业大棚监控系统的模式，为我国的农业集约、高效和可持续发展提供参考和借鉴。1.2国内的外研究现状1.2.1国外的研究现状最早提出精准农业概念是美国，在上个世纪80年代，他们就致力于研究精准农业并提出了数字化农业模式。在20世纪90年代以来，为了实现农业生产过程的可持续发展，达到生态效益、经济效益和社会效益的统一，世界上许多发达国家都对精准农业展开了研究和应用报道，通过在农作物种植过程中使用高新技术可以提高农业劳动生产率和农业资源利用率[7]。精准农业的应用领域非常的广泛，其中包括了播种、各种农作物生长数据的监测、施肥、精细耕作、收割、水分管理、环境监控等。目前，美国、以色列、荷兰、日本等一些发达国家利用农作物在不同生长时期对环境和养分的需求不同，对大棚内的水分、温度、养料、二氧化碳溶度等进行自动化控制。美国开发的智能化大棚不仅实现了自动化控制温度、光照、养料等数据，还利用温差管理技术实现了花卉、蔬菜等的开花、成熟时间的控制，满足了不同季节的需求。在施肥方面，美国利用GPS技术指导施肥使得明尼苏达州的两个农场当年的产量比传统平衡施肥的产量高出了30%左右，这不仅减少了化肥的使用量，而且还大大的提高了农户的经济效益[8]。荷兰，通过利用计算机对温室内温度、光照、湿度、需氧量等进行自动控制并定时定量供给，实现了温室大棚的自动化生产。印度在水稻生产中氮肥精准管理技术研究方面，叶面颜色图技术已成为一种高效实用的精准农业工具。随着精准农业技术的发展，国外很多学者在对农作物的生长过程监测、施肥监测、病虫害监测以及农作物的产量监测上进行了深入的研究。JoannWhalen等人通过研究不同的肥料应用策略下，利用数据挖掘技术对农田进行分类[9]。J．T．Ritchieb等研究发现，通过利用作物模型与遥感技术相结合的方法对农田进行科学的划分和管理，并分析出作物产量不同的原因[10]。S．Wahlen等人研究发现被病虫害感染的作物可以通过利用光学反射信息进行监测，并且将这一发现与农田间作物由于缺乏营养区分开来[11]。D．L．Karlen等研究表明，土壤的属性与农业管理存在一定的关联，土壤属性和地理位置分布、气候等有着相关性[12]。JoeM．Bradford等研究了遥感技术在作物产量监测上的应用，基于作物特有的波谱反射特征应用遥感技术对作物产量进行估产[13]。1.2.2我国的研究现状精准农业在国内的出现的时间与国外相比相差甚远，我国是在20世纪90年代才开始在精准农业方面进行研究，并先后在北京、陕西、新疆、上海、黑龙江等地区建立一定规模的实验区[14]。随着信息技术的迅猛发展，精准农业的思想已经引起科技界和产业界的重视，并在实践上有一些应用[15]。例如，在GPS导航方面，北京顺义首先利用了GPS导航技术对1.5万亩的农田进行预防虫害的试验；在地理信息系统方面，赵春江等人对地理信息技术在精准农业方面中的应用现状和发展前景进行了科学的分析和评述，并提出了地理信息技术在精准农业方面应用的产业化途径[16]。辽宁、北京、吉林三省通过利用GIS信息对农业生态管理、农业资源管理和农业信息方面做了应用和研究；在遥感系统应用方面，杨敏华研究通过利用高光谱遥感技术的方法可以实现农作物生长过程中各种信息的采集，我国已经成为了一个遥感大国，在农业监测、资源规划和作物估产等方面已经有了广泛的研究[17]。在智能技术方面，方建军通过对移动式采摘机器人的研究进行了综合，提出我国目前采摘机器人在技术发展中所遇到的技术难题和解决这一问题的相应对策[18]。我国“863计划”的提出和应用对精准农业在我国以后的发展指明了方向，并提供了技术指导和支持[19]。虽然精准农业在我国取得了一定的成果，但是与其他发达国家相比还存在一定的差距，体现在掌握物联网技术与农业技术的复合性人才培养滞后，信息收集系统不全面，农业领域信息的标准不一，应用在农业应用专家系统知识表述不完善、精准度不高等现状[20]。并且国内的智能农业大棚监测系统更多是示范工程和项目如北京大兴精准农业示范区，仅仅停留在试验和演示阶段还没有形成产业[21]。随着物联网技术的发展，基于物联网的精准农业大棚监测系统将致力于从概念化转化为产业化，更专注于产品化，为精准农业的大规模推广应用打下良好的基础。让我们有理由相信无论是在理论方面还是实践方面我国的精准农业一定会取得突破性进展，有望尽早赶上发达国家的水平。1.3主要内容和方法1.3.1研究内容按照国家农业信息化建设要求，针对传统规模化农业大棚缺乏科学监测手段，农作物数据采集系统存在智能化程度不高、管理效率低下等问题，提出了一种使用无线传感器网络技术建设基于物联网的精准农业大棚监测系统模型。该模型实现对作物生长环境即大棚的无线监控，利用无线传感器节点采集大棚蔬菜、水果以及育苗的空气土壤温度湿度，光照强度，二氧化碳浓度等参数的问题，并将参数叠加到视频图像上[5]。所有数据汇集到中心节点，与互联网相连，再通过互联网将数据及时传送到远程监控端，管理人员、农业专家通过电脑、手机或手持终端连接该平台，就可以实时监测农作物现场的环境状态信息，时刻掌握农作物的生长环境，远程监控端平台根据上传的环境参数和视频图像诊断作物的生长状况与病虫害状况，在环境参数超标的情况下，实现自动预警功能，系统就可以利用具有简单执行控制的控制设备节点远程对遮阳帘、风机、灌溉装置等进行控制，实现智能化管理[6]。特别适用于蔬菜、水果等育苗大棚的精准管理。同时通过分析系统安全问题使物联网技术更加成熟。1.3.2研究方法在精准农业大棚监控的研究的过程，我采取了以下几种研究方法：(1)文献调查法：调查检索物联网技术在农业大棚监控中的应用、调查在大棚监控过程中的各项功能需求。(2)系统分析法：在调查的基础上，通过系统分析、设计方法建立大棚监控系统的逻辑模型和物理模型。(3)实验法：各传感器节点、控制节点、视频监控节点与大棚监控系统集成组建精准农业大棚监控系统。(4)问题分析法：分析物联网的节点安全、网络安全等问题并根据这些问题进行研究，找出合理的解决办法。1.4技术路线及论文结构1.4.1技术路线(1)收集相关资料：调查检索物联网技术在农业大棚监测中的应用、调查大棚监控过程中的农业专家系统的功能和需求。(2)理论分析：根据收集到的资料进行分析，总结出精准农业中大棚监测系统所需要的基本理论、技术基础。(3)系统设计：依据系统的需要确定该系统的功能，如温湿度监测和预警、二氧化碳浓度监控、远程设施控制等。(4)总结：通过分析系统的感知节点安全、感知网络安全等问题，加强物联网技术应用的管理水平。1.4.2论文结构(1)绪论，讲述了论文的研究背景和意义，精准农业在国内外的研究现状以及本论文的主要研究内容、方法技术路线等。为基于物联网的精准农业大棚监控系统打下基础。(2)基于物联网和精准农业的相关理论介绍，详细的讲述了物联网和精准农业的概念，以及物联网和精准农业的技术体系等。(3)基于物联网监控系统的分析。分别从系统的需求功能、可行性、系统设计等三个方面进行论述分析。(4)基于物联网监控系统的设计，主要讲述系统数据采集点、系统基站和远程监控系统这三个方面的设计。(5)系统性能和安全分析，从系统网络的实时性和系统安全性两个方面展开。(6)总结和展望。该论文的工作总结和提出以后工作的方向。2基于物联网的精准农业的相关理论介绍2.1物联网的概念和特点物联网到现在为止还没有一个约定成俗的公认概念。早在1999年我国就提出了网联网这个概念，它是在互联网的基础上通过射频识别（RFID）、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等信息传感设备，按照预定的协议把任何物品与互联网连接起来，进行信息的交换和通信来实现智能化识别、监控、定位、跟踪和管理的一种网络概念[22]。具有普通对象的设备化、服务的智能化和自治终端互联化等三个特征。在我国的应用领域非常的广，包括了医疗健康、智能交通、农业监测、平安家居和物流等各方面。物联网中的“物”需要具备特殊的性质才能被纳入到物联网这一范围内，这些基本的特征主要有[23]：(1)要有数据传输的通路。(2)要有一定的存储能力。(3)要有相对应的控制和管理系统。(4)要有一定的处理能力。(5)具有可以被识别的唯一编码。(6)要遵循物联网中的通信协议。(7)有专门应用程序提供信息交互和使用接口。2.2物联网的技术2.2.1射频识别RFIDRFID(RadioFrequencyIdentification)是物联网最前端的感知层的重要技术支撑[24]。它是通过射频信号自动地识别目标对象并获取需要的信息，识别工作无需人工干预。一般是由标签、天线和读写器三部分组成，大量应用在公路收费、货物跟踪、生产自动化和身份识别等领域。2.2.2传感器与传感网传感器是对感知节点信息的及时和准确的获取，是世界上普遍重视和大力发展的高新技术之一[25]。传感网SN（SensorNetworks）是将信息采集、数据传输和信息处理进行综合化管理的信息系统，具有很广阔的应用前景。主要用于军事国防、电子学、生物学、农业、医疗等领域。该技术和我们的生活、工作息息相关。传感器和传感网的组成结构如图2-1,2-2所示。图2-1传感器组成结构图2-2传感网组成结构2.4精准农业的概念精准农业是美国、加拿大的一些农业部门在20世纪80年代末最早提出的，目前在英国、中国、丹麦、日本等国家也在进行研究和探索[26]。主要应用实践包括了农田的作物管理、林业、牧业、养殖业的产、供、销等领域。许多的学者和机构从不同的角度对精准农业的概念和内涵做了不同界定和描述，尽管他们的表述有所不同，但是却包含了以下几个共同点。第一，精细探查差异性，通过采取针对性的调节控制措施，随时挖掘潜力，以达到全局的最优化。第二，通过合理的调控，精准的控制，实施高效率、高收益、低环境危害的可持续发展模式。全面提高经济效益、环境效益和社会效益。第三，是以GPS、GIS、RS、智能化控制、网络技术、先进传感技术、计算机软硬件技术等作为技术手段。精准农业是目前国际上农业发展的新潮流，通过农业地理信息系统（GIS）、农业专家系统（ES）、遥感监测系统（RS）和全球定位系统（GPS）等自动化控制系统的应用，根据农作物种植的时候划分出来的单元格的不同需求，精确的调整土壤的施肥、湿度、用药等的用量[27]，通过最大限度的减少资源消耗，来获取最高产量、最大经济效益、最低的农业环境污染、节约资源、降低成本，达到环境、资源、经济协调实现可持续发展[8]。2.5精准农业的技术体系精准农业是在现代信息技术、生物技术、工程装备技术的基础上发展起来的一种重要的现代化农业生产形式。它是由10个子系统构成的，即全球卫星定位系统、农业专家系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、智能化农机具系统、农田地理信息系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统[27]。其详细的技术体系如图2-4所示：图2-4精准农业技术体系结构2.6精准农业的技术支撑2.6.1地理信息系统GIS(GeographicInformationSystem)GIS又称“地学信息系统”，是一种十分重要的空间信息系统，是实现精准农业不可或缺的一部分。在计算机软硬件的支持下，通过对农作物空间的有关数据进行采集、储存、管理、运算、分析和描述从而给出一个准确的可操作性的方案。它事先存入了专家系统和持久性数据，并接收各类传感器发送过来的信息。GIS对这些信息进行组织、分析之后绘制成电子地图。主要应用农田土地管理、病虫害、土壤数据和作物产量等方面。2.6.2全球定位系统GPS(GlobalPositionSystem)GPS利用卫星在全球范围内进行实时定位和导航，在精准农业实现过程中有非常重要的作用[28]。通过定位农田中水、肥、土等农作物生长环境和病虫害等情况进行采集，同步记录这些信息生成GIS图，为专家系统的决策提供依据。GPS有两种接收模式：单一接收模式和两个接收器的差动接收模式。单一接收模式是最方便、最廉价的接收方式，但是误差率高达10m，无法满足精准农业需求。差动接收模式是将一个接收器固定在一个位置，另外一个接收器装在作业器上，采取差动修正的方法来减少误差率，根据不同作业的需求，分辨能力可以达到1m以下或者1cm。2.6.3专家系统ES(ExpertSystem)专家系统是根据人们在某一个领域内的先进知识和经验技术而解决特定问题和做出决策的计算机软件系统。通常是由人机交互界面、推理机、知识库、解释器、综合数据库和知识获取等6个方面组成。根据GIS图层采集到的信息进行分析和比较进行诊断，并提出一些解决措施和预防办法等。2.6.4遥感技术RS(RemoteSensing)遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线，对目标进行探测和识别的技术。遥感技术具有覆盖面广、受地理条件限制少、手段多，获取信息量大等优点，是精准农业田间信息采集的关键技术。在精准农业中根据不同农作物的生长期，实施全面的监测，通过空间定性、定位分析等为农作物提供田间时空变化信息。2.6.5智能化农业机械装备技术智能化农业机械是实施精准农业的标志，其中已经成功投入使用的有施肥、喷药、灌溉、播种和收割等农业机械。具有代表性的有美国的绿色之星系统、先进农业系统，英国的农田之星系统。变量喷灌系统是利用调整喷灌机械的运行速度、喷口大小和喷水压力等对喷水量进行控制，以此来适应不同农田土壤、地形、耕作层厚度等对水分的不同要求。2.6.6农田信息采集技术信息采集技术是利用传感器和监测系统来收集农田所需要的各种数据，如土壤水量、PH值、降雨量、杂草、农作物病情、虫害等，并根据不同数据在农作物生长过程中的作用，由GIS系统做出决策。2.6.7变量控制技术变量控制技术VRT（VariableRateTechnologies）是由于指安装了计算机、GPS等先进设备的农业机械可以根据它所处耕地位置不同而自动调节某种物料的投入速度的一种技术。是美国在20世纪80年代提出的，变量控制技术系统有两种：一种是基于地图的，另外一种是基于传感器的。3基于物联网监控系统分析3.1系统可行性分析通过对国内外已有的农业大棚监控系统的资料进行分析和研究，我认为在这一系统在我国可以广泛应用。本文从技术角度、操作方面和经济效益等方面进行了分析，认为开发这一系统对我国今后的农业发展有着非常重要的意义，不仅可以提高工作效率、节省劳动力成本，还可以足不出户对大棚进行远程控制。(1)在种植的准备阶段，通过在温室大棚内的各地方合理布置各种类型的传感器，分析的土壤湿度、空气湿度、温度、二氧化碳溶度等数据信息，根据采集到的信息选择适合这块土地的农作物。(2)在种植和培育的阶段，我们可以从布置的传感器上采集土壤湿度、温度、二氧化碳溶度等信息，通过分析这些信息对大棚进行合理的管理，根据环境的变化做出相应的调整。比如说气温太低的时候我们可以通过加温来保证农作物适宜生长的温度，湿度太高的时候可以开启通风设备对大棚内农作物进行管理。(3)在农产品的收获阶段，我们同样也可以利用物联网的信息，把它之前生长过程中的所有数据信息反馈到前端，并保存到数据库中。在种植收获阶段通过分析之前的数据进行更精准的预测。3.2基于物联网的需求分析本章主要分析了系统数据采集点、系统基站和系统远程监控端三个方面所需要实现的功能。3.2.1系统数据采集节点功能需求系统数据采集节点包括了安装在农业大棚中的各种终端传感器，主要是实现以下几个方面的功能：(1)采集大棚中各处的空气温湿度、光照强度、土壤湿度、二氧化碳浓度数据等。(2)与基站进行交互，执行基站发送过来的命令，比如开启遮阳帘、洒水、通风、洒农药等。(3)定时将采集到的数据包发送给基站，保持与基站的实时通讯。(4)开启表示通讯正常的标识。(5)实时的进行各项数据的监控。(6)可根据自身电源损耗情况，在需要充电的情况下发出提示声。3.2.2系统基站功能需求系统基站是监控终端和采集传感器之间的中转器，管理着采集网络的同时，还与监控终端保持实时的连接。综上所述，系统基站需实现的功能为：(1)实时的与多个传感器保持通信连接。(2)接收来自传感器的数据。(3)实时的与监控终端保持通信连接。(4)定时将接收的来自传感器的数据进行上传至监控终端。(5)接收来自服务器的操作命令。(6)对布置于大棚内的各个机械装置进行命令操作，例如：洒水器。3.2.3远程监控端功能需求随着农业大棚生产的规模不断的扩大，在生产过程中的管理需要大量的人力和物力来完成，不仅费时费力，而且很难保证大棚内环境参数的及时准确的调整。远程监控系统使工作人员无需到现场就可以通过Internet远程浏览大棚内现场数据，而且能根据以往的经验做出相应的调整，极大的提高了工作效率、方便用户。远程监控端系统包括两个子系统：一是依赖于Socket通信传递指令与信息的控制平台；二是通过Web实现的用户终端操作平台。监听系统所需要实现的功能有：(1)以服务的形式运行于服务器中，保证系统不间断的运行。通过socket通信机制实现的各系统间的心跳heartbeat时刻监听各系统的工作和通信状态，即使服务器因故障死机，也要在服务器恢复后自行启动该服务。(2)实时接收并处理远程基站发送过来的请求并对请求做出正确回应。(3)对基站发回的数据进行分析，将结果存入系统数据库，并通知用户操作平台对相关信息进行日志记录或显示。Web系统需要实现的功能有：(1)提供多种可拥有不同权限的用户，其中大棚户主（admin）拥有一切操作权限，其他用户根据实际需求情况分配对应权限。(2)用户登录时，从数据库中取出用户的注册信息进行比对校验，有效验证用户登录信息。(3)对基站信息的管理。(4)对检测到的大棚的数据进行查看、分析、统计并将信息发送给控制平台进行保存备份。(5)支持多种命令操作，允许管理员在有足够权限的前提下，发送命令给基站，对大棚中的固有设备进行操作，例如喷洒农药、洒水、施肥等等。基于物联网的精准农业大棚监控系统可以随时把采集到的信息反馈给农户，减少了用工人数，因此既节省人力又提高生产效率，用户可以利用手机或者互联网方式对数据进行监测，设定各项数据的预警值，当数据超出了该预警值的范围时利用手机短信等方式自动给用户发送警报信息。传统的监测方法是把分散在不通地点的工作节点连接起来构成一个完整的监测网络，而无线网的出现克服了传统方法的施工麻烦，成本高等问题而且受地理条件限制少。4基于物联网的监控系统的设计系统的主体可以分为三个部分，即终端数据采集部分(温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器、离子传感器、生物传感器、CO2传感器等设备)，基站(包括无线传输、命令接收器等)，服务器端远程监控(B/S架构的管理系统、后端存储数据库以及支撑其运行的服务器)。系统的组成结构如图4-1所示：图4-1系统组成结构本系统是基于物联网的精准农业大棚监控系统的设计和研究，通过以下三个方面进行设计。第一、在数据采集阶段主要是通过安装各种传感器进行数据的采集，利用无线传感器节点对数据进行收集，把收集到的信息发送到基站。第二、基站作为整个系统的核心部分，主要是把从传感器节点接收到的信息发送出去。发送的方式有多种，可以是利用GPRS通信模块用WEB形式发送出去，也可以通过现场的LCD显示器显示，大棚的管理人员可以通过LCD显示器查看大棚内的温度、湿度等信息。还可以以GSM模块以短信发送，连接相关人员手机接收GSM发送过来的短信。第三、远程控制端，操作人员要登录我们的系统对整个大棚内的各种数据进行查询、分析，针对有预警的数据信息进行调整。基站在整个系统过程中起着中间桥梁的作用。系统的模型图如图4-2所示：图4-2基于物联网的精准农业大棚监控系统的模型图4.1终端数据采集的设计4.1.1相关技术介绍ZigBee：ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的一种新兴的低功耗、近距离、低数据速率、低复杂度、低成本的双向的无线通信技术[30]。作为一种新兴的无线通信技术，Zigbee可以是由多个无线模块构成的无线网络平台，在这个平台内任何一个Zigbee网络模块可以与其他模块进行通信，通信的距离可以达到75m，甚至更远[31]。该产品已经被广泛应用到物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、智能交通、遥感勘测、工业自动化、智能建筑、消防、公共安全、智能家居、环境保护、气象、数字化医疗、农业、林业、水务、煤矿、石化等领域。Zigbee的技术特点：网络容量大：一个区域内可以同时存在很多个Zigbee网络，而每个Zigbee网络可以有200多个设备。功耗低：发射功率低，同时又采用了休眠模式，设备中的电池可以延长使用半年以上，这是其它无线设备的不具备的。时延短：它的通信时延和休眠激活时延短，非常适合大棚数据传输过程中的要求，为大棚监控系统提供可靠的数据传输。安全可靠：ZigBee提供了基于循环冗余校验的数据完整性检查，加密算法为AES-128，任何数据在传输过程中要等待对方确认后才结束，对于出错的数据进行重新发送。成本低：Zigbee模块的成本低，而且不收取专利费用。传感器：传感器是一种由敏感元件和转换元件组成的检测装置，通过感受到规定的被测量的信息并按照一定的规律转换成可用的电信号或其形式的信息输出，用来满足信息的传输、处理、记录、存储、控制、显示等要求[32]。在实现自动化控制和控制中有着非常重要的作用。它的功能常被拿来与人类的5大感觉器官相比。包括了温度、湿度传感器，土壤水分、湿度传感器，光照度传感器，二氧化碳含量传感器等。一些传感器如图4-3所示。图4-3各种传感器A/D转换器：A/D转换器又称模数转换器，简称ADC(AnalogtoDigitalConverter)，是指一个把模拟信号转化为数字信号的电子元件。模数转换器将输入的电压信号转变为数字信号输出。但数字信号本身并不具有实际的意义，仅表示一个相对的大小。因此模数转换器通常需要一个转换的参考标准。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此产生了很多类型的的A/D转换芯片，目前广泛应用的有逐次逼近型、双积分型和V/F型三种。按分辨率分为4位、6位、8位、10位、14位、16位和BCD码的31/2位、51/2位等。4.1.2数据采集设计流程首先，系统通过在大棚内各个区域安装各种传感器(传感器自带网络接收与发送节点)，再结合ZigBee传输协议便组建成了一个无线的组网，如图4-4所示，每个节点正常初始化后，都在不断的搜索覆盖其范围内的其他节点信号，当搜索到多个个人局域网PAN(PersonalAreaNetwork)的时候，便选择合适的发送连接请求，当请求连接被拒的时候，便继续搜索其他信号进行连接。这些信号可能中间会经过N个节点的跳转，但最终，它还是要与远程的基站进行通信，如图4-5所示：图4-4ZigBee的组网模式图4-5采集节点工作流程图Fig.4-5Acquisitionnodeworkingflowchart其次，通过上一步，无线传输的问题得以解决，便为后面的数据采集传输提供了基础条件，安装在大棚内的传感器除了接收和发送网络信号外，同时也可获取大棚各项环境数据(空气温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度、光照强度等常规的农业环境因子)，通过上面组建的网络，便可将这些数据实时的传送出去，提交到基站进行转发。由于，传感器直接采集的数据为模拟信号，计算机无法解析，因此必须通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，模数转换的步骤如图4-6所示：图4-6模数转换步骤Fig.4-6Analog-to-digitalconversionsteps最后，在进行数据采集的同时，传感器还有一个重要任务就是，当检测到数据存在超标情况下，必须通过特定的手段进行发出警报，这里可以通过在大棚内悬挂LCD显示屏进行显示的方式，以方便大棚管理员能及时处理。传感器工作流程图如图4-7所示：图4-7传感器工作流程图Fig.4-7Sensorsworkingflowchart4.2系统基站的设计系统基站作为整个系统的核心部分，但同时它也是系统的中转站。把从数据采集点收集到的数据上传到监控终端，让管理人员对大棚内的各项数据有一个清楚的了解。在传输数据的过程中，需要应用到PPP点对点协议和GPRS无线网络。首先通过GPRS建立起无线网络，这样就可以和远程的监控服务器进行通信，然后在通信过程中利用PPP协议把采集到的信息上传给远程的主机，把信息录入到数据库中。4.2.1PPP技术介绍PPP：PointtoPointProtocol(点对点协议)是一种封装协议，主要应用在流量传输控制的两个对等的节点之间。在TCP/IP协议中它把原有的非标准的第二层协议SLIP换成现在的数据链路层协议OSI模式中的第二层。PPP除了IP之外还携带其他协议，包括了IPX(InternetworkPacketExchange)互联网络数据包交换。PPP协议的特点：PPP协议是一种点到点的数据链路层协议，它的主要特点有：能够在同步和异步的方式下进行工作；同时支持多种网络层协议；对网络层的地址进行协商和远程分配IP地址；在数据链路的建立过程中进行控制；处理错误检测和身份验证的功能。PPP的帧格式和HDLC的帧格式有相似的地方也有不同的地方，前者是面向字符的控制协议，后者的字段类型是面向位的，通过“位”来管理和控制帧,PPP的帧格式与HDLC帧格式比较图如图4-8所示。和HDLC不同的是PPP的帧格式多了一个协议字段，协议字段包括2个字节，由于这2个字节的不同，导致后面的信息字段类型也就不一样了。常见的协议类型如图4-9所示：图4-8PPP与HDLC帧格式比较图图4-9常见的PPP协议类型图Fig.4-9ThecommontypemapofPPPprotocol在一些特殊的情况下信息字段可能会出现和标志字段（0x7E）一样的比特，这样的比特可能会被默认为是标志字段而结束数据的传输。在异步传输的情况下，需要使用和HDLC（零比特插入法）不一样的方法，通过填充特殊字符来辨别0x7E这样的比特。将信息字段中出现的每一个0x7E转变为2个字节的序列（0x7D，0x5E）。对于信息字段中的0x7D，则在其后面加上一个0x5D。对于小于0x20的字符，在其前面加上一个0x7D字节，这些字符转换方法在RFC1662中有定义。4.2.2PPP链路链接过程一个完整的链路连接过程包括三个阶段：链路的创建阶段、用户认证阶段和网络协商阶段。第一阶段：创建PPP链路链路的创建主要由LCP负责，这个阶段的主要工作是选择合适的通讯方式。通过向链路设备对方发送配置信息报文（ConfigurePackets），假如配置信息包被成功发送且接受，则说明LCP进入了开启状态，交换工作完成了。但是，需要我们注意的是这个过程只完成了选择验证协议的工作。第二阶段：用户验证阶段用户验证的阶段，客户端把自己的身份信息发送给远程的服务器进行验证。这个阶段需要使用一种安全的验证方式，以免有人冒充用户身份或者窃取系统数据信息。在认证完成之前，不允许用户从认证阶段跳到网络层协议阶段。假如认证失败，则用户应该进入链路终止这个阶段。在这个阶段中，只允许使用认证协议、链路控制协议和和链路质量监视协议的packets。而最常被用到的认证协议包括口令验证和三次握手协议。其他的packets则被丢弃。第三阶段：调用网络层协议。在验证阶段完成之后，PPP通过调用在第一阶段所选定的各种网络控制协议（NCP）通过选择的协议来解决PPP链路中的高层协议问题，例如，在这个阶段可以通过IP控制协议（IPCP）给用户分配动态的地址。在这三个阶段完成之后，就建立起一条完整的PPP链路如图4-10所示。图4-10PPP链路图Fig.4-10Thelinkmapofppp4.2.3GPRS技术介绍GPRS：GPRS是介于第二代和第三代移动通讯技术之间的，是一种基于GSM的无线分组交换通信技术，通过采用分组技术把数据等信息传输到用户电脑或手机上。由于采用的分组通信技术，在数据传输的过程中并不固定使用某一个通道，而是通过数据报头中的地址标志随机选择一条可使用的信道进行发送，这样就提高了对信道资源的利用率。4.2.3.1GPRS网络GPRS网络和GSM（globalsystemformobilecommunications，全球移动通信系统）网络一样都是通过一些接口协议完成对移动台的管理。在GPRS网络体系中引入分组交换和分组传输使得GSM网络对数据业务的支持得到加强。图4-11和图4-12从不同的角度上给出了GPRS网络的组成示意图。在GSM的基础上增加了SGSN(服务GPRS支持节点)、GGSN(网关GPRS支持节点)功能。SGSN为MS提供加密压缩、数据转发等功能。SGSN的移动分组数据的发送和接收工作主要是在移动终端和GGSN之间完成的。SGSN还有一项功能是记录当前移动终端的位置信息。GGSN实际上就是网关或者路由器，国外有些资料甚至将GGSN称为GPRS路由器。它可以和ISDN、PSPDN和LAN等数据网络进行连接。GGSN通过转换协议把GSM网中的GPRS分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。图4-11GPRS网络结构图图4-12GPRS网络组成图4.2.3.2GPRS的主要特点应用特点：GPRS的出现让人们可以在任何时候和地点都能够快速的应用手机连接到网络，不受时间和地点的限制。相对于GSM来说，GPRS的数据传输速度得到了很到的提高，可以稳定发送较大内存的视频和音频文件；由于网络建立的时间比较短，用户可以保持永远在线的状态。即使有电话接入到手机上，在通话结束之后网络又可以自动连接而无需重新拨号上网；按流量收费，和以往的收费不同的是，GPRS是依据数据传输量进行收费，体现了少用少付费的原则。技术特点：GPRS采用分组交换技术使得原来GSM的传输方式发生改变，也避免了用户总是掉线的苦恼[33]。在目前网络资源严重不足的情况下，交换分组的出现较大的提高了网络资源的利用率，只有当用户需要发送或接受数据的时候才占用某一条信道，其他空闲时间则不占用信道。数据传输速率已经达到了164kb/s,可以快速浏览网页等。服务特点：GPRS提供了多种服务方式，包括了短信服务、多播服务、因特网服务提供商服务和邮件服务等。在移动的环境下可以浏览网页、收发邮件等，真正实现了移动办公、移动商务、移动执法等。4.2.3.3GPRS的协议模型GSM的空中接口Um接口的通信协议包括5层，从下到上为：物理层、MAC层(MediaAccessControl)、LLC层(LogicalLinkControl)、SNDC层(SubnetworkDependantConvergence)和网络层。物理层是协议模型的最底层，提供了一个物理连接的过程。主要是为Um提供不同的逻辑信道。一个空中接口的载频包含了8个物理信道。MAC媒体介入控制层主要为GPRS的逻辑信道进行定义和分配，使得不同的移动台可以共享这些信道。GPRS的逻辑信道包括了：发送数据通信命令的公共控制信道、传送分组数据的分组业务信道和给移动台发送网络信息的GPRS广播信道。LLC逻辑链路层是一种无线链路协议，主要在SNDC的数据单元上形成一个完整的LLC帧，在出错或者被丢弃的情况下重新把数据帧发送过去。SNDC子网依赖结合层是基于某种规定对数据进行分组、打包和加密等工作，传输过来的数据被分为多个SNDC数据包放置在LLC帧中。网络层为信息传输的发送站和接受站之间提供信息传输服务。GPRS的协议模型如图4-13所示：图4-13GPRS的协议模型图4.2.3.4GPRS的应用范围GPRS是GSM网络的延续，GPRS通过采取分组数据传输业务又与GSM区别开来，在现有标准化网络协议支持GPRS承载业务的基础之，GPRS支持以下几种交互式的业务：1、一对一的连接业务，是面向连接的请求业务，在2个或2个以上的用户中相互发送数据请求。这业务需要完成下面的步骤：首先建立通信连接，在连接之后进行数据的传输，在数据传输完成后要释放连接的信道资源。2、一对多的业务，是单一的用户向多位用户发送连接请求，再接收用户反馈过来的信息。包括了风暴广播、群组业务和IP多播等形式。3、无连接型业务，无连接业务在用户中不需要建立连接请求就可以实现数据信息的传输，传输过程中的数据进行分组，彼此之间没有关联，不需要按照顺序发送，缺点是在交付数据后不进行确认。除了以上的三种业务，GPRS还提供了GSM短消息业务、补充业务、各种GPRS电信业务、用户终端业务等。4.2.4基站设计流程系统基站主要是通过接收信号与节点进行连接，在与节点连接之后接收节点传送过来的数据。再与服务器进行连接并把数据发送到服务器上，如果没有连接上则不断的进行搜寻信号进行连接。整个基站工作流程图如图4-14所示：图4-14基站工作流程图基站硬件首先集成无线通信模块，通过该无线通信模块与远程服务器进行连接、数据交换。无线通信模块要与Internet交互的数据先通过GPRS块与当地GSM基站中的GPRS业务节点进行无线通信，并进入GPRS网络。然后通过GPRS网关与Internet进行数据交互。无线通信模块体系结构：首先，在对GPRS模块进行参数设置后，服务器利用AT指令通过GPRS模块拨号，AT指令格式表示从串口发送的所有数据都发送给了GPRS模块。正确反馈及应答后，一条物理通道PGPRS信道就在GPRS块和GPRS网络之间建立起来。其次，PPP帧格式将从串口把所有的数据都透明的发送给GGSN。PPP协议将原始的GPRS物理层连接改造成无差错的数据链路，模块将远程登录Internet，并得到GPRS网关分配的IP地址。最后，利用IP协议作为网络层协议，经过IP路由选择，可以实现模块与连在Internet的终端进行数据交换。传输层选择TCP/IP为传输层协议，为数据传输提供可靠的面向连接服务，流程图如图4-15所示。图4-15无线通信模块流程图通过上述方法建立起来的GPRS传输网络，即可保障基站实时的将数据传输至服务器端，但基站必须实时的监控GPRS信号，保持一直在线的状态，即使出现断线的情况，也要不断的重新连接。4.3远程监控系统的设计4.3.1相关技术介绍WinSocket:Windows下网络编程的规范－WindowsSockets是Windows下得到广泛应用的、开放的、支持多种协议的网络编程接口[35]。从1991年的1.0版到1995年的2.0.8版，经过不断完善并在Intel、Microsoft、Sun、SGI、Informix、Novell等公司的全力支持下，已成为Windows网络编程的事实上的标准。B/S架构：B/S结构（Browser/Server，浏览器/服务器模式），是WEB兴起后的一种网络结构模式，WEB浏览器是客户端最主要的应用软件。这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。客户机上只要安装一个浏览器（Browser），如NetscapeNavigator或InternetExplorer，服务器安装Oracle、Sybase、Informix或SQLServer等数据库。浏览器通过WebServer同数据库进行数据交互。远程服务器端包括数据接收模块和信息监控模块，其中两模块共用同一个数据库，共享数据。4.3.2接收模块部分功能及设计流程这一模块主要实现的功能包括了系统主机的自动开启、接收从基站发送过来的连接请求，在实现连接之后就把传输过来的数据进行分析，对于安全可靠的数据要进行接收并保存到系统数据库中。利用C#开发WinService系统，安装于服务器上，该服务设置为开机启动，其默认指定监听系统某个端口，会保持不断的监听特定端口，当有新的连接请求之后，进行一下操作：(1)获取请求地址，通过特定程序判断是否是合法的连接客户端，如果是非法的请求连接，选择拒绝并将该请求地址列入黑名单(数据库设有专门的黑名单库)，以后都不再接受该请求。(2)接受安全的连接传送过来的数据，并对数据进行解析，过滤特定的字符。(3)将接收到的数据存入后端数据库中。接收模块的设计流程图如图4-16所示图4-16服务器端数据处理程序执行流程图Fig.4-16Theserver-sidedataprocessingflowchartofprogramexecution4.3.3信息监控模块功能设计信息监控模块包含了5个子模块，分别为大棚数据管理、传感器管理、大棚管理命令控制、用户信息管理和用户权限设置。在这个大模块中实现了对管理员的操作以及权限分配，对大棚内传输过来的数据进行查看和保存，同时对一些超过农作物生长范围的数据进行命令调整。上一节已经通过接收模块将基站传回的大棚数据存入数据库中，本子系统完成的功能就是要让登陆用户能正确的管理这些数据，功能模块图如图4-17所示。(1)用户通过打开浏览器，由于现在浏览器众多，所以，本系统设计必须考虑兼容多种常见浏览器。(2)用户输入用户名和密码进行登陆验证，验证失败无法登陆。(3)登陆后，用户可根据后台指示进行相应的功能操作。图4-17监控模块功能模块图4.3.3.1监控系统数据库设计大棚远程监控系统的数据全部存储在数据库中的DaPeng数据库中，它包含了若干个数据表。DaPengList表包含了数据库表和实际现场实际大棚的对应关系；系统用户User表，用户包括了普通用户和管理员2种，用户表中包含了用户的登录名称以及登录密码等信息；DaPeng_parameter表主要是包含了数据的采集时间设置以及发送方式；DaPeng_X表中的X代表的是大棚数字，一个农场包括了好几个大棚，DaPeng_X存储了大棚内的作物生长的各种数据，包含了温度、湿度、光照强度等信息。表4-1DaPengList表的设计表4-2User表的设计表4-3DaPeng_parameter表设计表4-4DaPeng_X表的设计4.3.3.2大棚数据管理模块通过对大棚数据进行管理，可以远程对大棚内温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等数据进行查看，并根据这些数据和农作物的生长的需要进行对比，依靠命令控制模块对这些数据进行调节。它的功能模块图如图4-18所示：图4-18大棚数据管理功能模块图大棚数据查看：在系统显示器上通过调用不同的传感器信息我们可以实时的对大棚内各项数据的进行查看，监测数据的变化。预警信息查看：当系统发出预警信息时，我们可以通过调用预警信息进行查看，了解大棚内的哪些数据超出了生长数据范围，并根据查看到的信息进行对于的调控。预警信息参数设置：只有大棚的户主才可以对这项信息进行设置，用户根据专家在农作物生长过程中对数据需求不同给出的建议或查阅相关的资料，对不同数据的参数范围进行调节。数据信息的导出：通过对数据的导出生成报表的形式快速收集到指定信息。让用户能够更快、更清晰的对大棚内的各项数据进行比较分析。4.3.3.3传感器管理模块传感器的管理是利用大棚内有限的传感器资源，满足对多个农业大棚和空间的扫描要求，利用最优准则对传感器资源进行合理的分配，确定传感器的工作范围、工作方式和参数等。传感器管理的功能图如图4-19所示：图4-19传感器管理功能模块图Fig.4-19Sensormanagementfunctionmodulediagram空间管理：空间管理分析是对大棚内多个传感器在同一时刻采样结果的分析。利用加权最小二乘估计思想给出各传感器量测值的最优加权系数ui，并用该加权系数对每个传感器的量测值进行加权融合得到某一采样时刻状态的无偏估计。其具体方法如下：由加权最小二乘原理得J(Y(k)H(k)G(k))U(Y(k)H(k)G(k)T)(4-1)通过使加权误差平方和函数J取得最小值，其中Y(k)=[Z1(k),Z2(k),Zi(k)]，ZI(k)表示第i个传感器第k次采样的结果；H(k)=[H1(k),H2(k),Hi(k)]；G(k)为待估状态量；U=[u1,u2,uN]为量测值的加权系数阵。对J求G(k)偏导数，并令其等于零，得2()()2()()()0()HkUYkHkUHkGkGkJTT(4-2)时间管理：时间管理分析是针对某一个传感器多次采样结果的分析。在对目标跟踪量测的过程需要使用量测方差这一属性，它是传感器内部噪声与环境干扰的一种综合属性。当前量测方差的实时估算可以通过给单个传感历次采样时刻的方差分配与当前分配赋予不同的权值来实现。由于当前量测信息在当前量测方差估计中有重要作用，我们将引入遗忘因子，合理优化过去量测信息在确定当前量测方差所利用信息中的比重。信息管理：信息管理包括了所有传感器的空间分布、参数设置、型号等基本信息。模式管理：不同的传感器有多种工作模式，模式管理就是通过设置传感器内部的参数来选择具体的工作模式。包括了对传感器搜索模式、功率、处理技术、信号波形等的选择。传感器管理算法描述将测量方差自学习特性即时变的测量方差引入到Kalman滤波的递推算法中，得到基于测量方差时变并利用信息增量最大化对传感器资源进行分配的算法。该算法的步骤如下：第一步：通过公式，求出各个目标第k次采样时刻的时变的测量方差Ri（i=1,2,…,n），其中n为所跟踪目标的数目。第二步：根据上一步求出的时变测量方差Ri求估计协方差。如果第k次采样时刻传感器分配给第i个目标Ti，则目标的估计协方差为Pi(k+1|k+1)；如果传感器没有跟踪第i个目标Ti，则用其相应的预测协方差Pi(k+1|k)来代替其估计协方差Pi(k+1|k+1)。第三步：根据第二步得到的估计协方差Pi(k+1|k+1)，可得到信息增量最大的目标Ti。那么在下一次采样时刻即第k+1次采样时刻，就将传感器分配给目标Ti。第四步：如果采样次数增到最大值则循环结束；否则转至第一步进行k+1时刻的循环。4.3.3.4大棚管理命令的控制模块大棚管理命令控制是对服务器端接收到大棚内传感器采集到的数据信息后进行查看分析后，对超出设置参数范围内的数据进行调整的一个过程。其中命令控制包括了对关照强度、温度、湿度等的一个调节。命令控制的功能模块如图4-20所示：图4-20大棚命令控制功能模块图风机控制：风机的作用包括两个方面：一是在大棚内湿度过高的时候，通过开启风机给大棚实现对流通风快速的降低湿气；另一个是在大棚温度、二氧化碳浓度过高的时候也可以采用通风来解决。遮阳帘控制：在大棚内空气温度过高、光照强度太高的时候放下遮阳帘，在夜间的时候可以拉上遮阳帘。室内灯光控制：在光照强度不高的阴天或者夜间通过开启补光灯来增加大棚内的光照强度，促进作物的光合作用、降低二氧化碳浓度等。室内温湿度控制：温度的控制包括加温和降温操作。降温一般采用遮光、湿帘、通风等操作解决。加温采用热水加温和热气加温，利用管道在大棚内循环散发热量等。增加湿度则可以通过喷雾或地面洒水等进行，降湿主要采取通风、干燥剂等。灌溉控制：灌溉控制主要作用是在监测到土壤湿度不够的时候通过开启灌溉设备对农作物进行浇水。目前在农业大棚中采用的灌溉技术包括了渗灌和滴灌，这样可以降低棚内空气湿度，不引起地温下降，减少病虫害的发生从而减少农药使用提高作物品质等优点。大棚内的数据包括了温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度数据，下面主要是对温度进行读取并根据读取到的温度值进行比较，如果温度过高则发送打开风机等命令，如果温度过低则发送打开加温设备命令。温度传感器选择DS18B20，它读取温度数据的流程图如图4-21所示：图4-21读取温度的流程图温度读取部分代码：voidTempchange()//DS18B20温度变换{dsreset();//复位delay(1);Tempwritebyte(0xcc);//写跳过读取内存rom指令Tempwritebyte(0x44);//写温度转换指令}uintTemp()//读取温度{floatt;uchara,b;dsreset();delay(1);Tempwritebyte(0xcc);Tempwritebyte(0xbe);//写入读取数据指令a=Tempread();//a为低字节的8位b=Tempread();//b为高字节的8位Temp=b;//把b存入高8位Temp<<=8;//Temp左移8位后面补0，组成一个字Temp=Temp|a;//按位或a存入低8位if(b>127){flag=1;ss=flag;Temp=~Temp+1;//温度为负数时，用补码表示}t=Temp*0.0625;//Temp温度在寄存器中为12位分辨率位0.0625Temp=t*10+0.5;//扩大十倍取小数点后一位，加0.5四舍五入return(Temp);//Temp为整形}温度比较部分代码：boolCTemp::Update()//更新温度{if(_TempInfo.nNormValue>_TempInfo.nNormTopLimit){AfxMessageBox(L"温度过高！请打开通风设备！")；returntrue;}elseif(_TempInfo.nNormValue<_TempInfo.nNormLowerLimit){AfxMessageBox(L"温度过低！请打开加温设备！")；returntrue;}returnfalse;}4.3.3.5用户信息管理模块这一模块只有大棚户主才可以操作，包括了对管理人员的增加、删除、修改信息以及查看管理人员操作。功能模块图如图4-22所示：图4-22用户信息功能模块图增加管理人员：在大棚管理人员不够的情况下，农户会聘用一些管理人员对大棚进行管理。在增加管理人员姓名、性别、年龄等基本信息的同时设置他们所拥有的操作权限。允许他们查看大棚监测的数据和预警信息，并对预警信息发送命令控制。删除管理人员：为了保证大棚数据的安全性，在管理人员离岗的时候要删除他们的信息，并设置不允许这个用户登录系统。修改管理员信息：对管理人员的基本信息进行修改操作。查看管理员操作：针对管理人员的操作要有相应的记录。大棚户主可以随时查看管理人员的操作记录，从而了解大棚数据的变化和管理人员针对这些变化做了哪些工作，假如管理人员还不熟悉操作流程可以根据这个记录进行培训。4.3.3.6用户权限设置模块用户包括两种用户，大棚管理人员、普通用户。功能模块图如图4-23所示：图4-23用户权限设置功能模块图普通用户：普通用户通过用户名和密码只能查看大棚的基本情况。管理人员：大管理人员包括2种，普通管理人员和大棚户主。管理人员可以对大棚进行基本的操作，户主拥有一切权限，包括对管理人员的管理。5系统的安全性和实时性分析5.1安全性分析在信息化飞速发展的今天，计算机网络得到了广泛应用，但随着网络之间的信息传输量的急剧增长，一些机构和部门在得益于网络加快业务运作的同时，其上网的数据也遭到了不同程度的攻击和破坏。攻击者可以窃听网络上的信息，窃取用户的口令、数据库的信息；还可以篡改数据库内容，伪造用户身份，否认自己的签名。更有甚者，攻击者可以删除数据库内容，摧毁网络节点，释放计算机病毒等等。这致使数据的安全性和自身的利益受到了严重的威胁。因此本系统在设计之初，就充分考虑安全因素，围绕整个系统的每一步都进行相应的安全防范措施：(1)在数据采集层，为解决节点间数据传输的过程中被窃取的危险，这里采用ZigBee技术，ZigBee两个通信节点间采用唯一128位加密密钥，不易破解，可以保障数据的安全。(2)基站与服务器进行通信，进行数据传输时，首先要确定对方身份，才可进行连接，即服务器需要判断发送连接请求的远程客户端的IP是否属于安全范围之内，属于安全范围才进行连接，而对于非法的请求，必须进行记录，并将其拉入黑名单，不再接受该客户端的任何请求。在连接之后，还要根据某些规则，确定数据的安全性，才可接收数据。(3)服务器是最容易出现安全性问题的，因为它是直接与人进行交互的，既然是人为操作，就有可能产生无意的错误操作或有意的攻击操作，两者带来的后果都是可怕的。对于无意的错误操作，我们要对服务器中的数据进行备份；而对于有意的攻击操作，需要安装正版授权系统，并关闭不必要的访客用户、禁止不必要的端口、安装防火墙等。(4)考虑到农业大棚内的采集的数据比较多，同时又是不间断的监控，所以在服务器接收到数据过程，不急于存入数据库，首先要对内容进行判断，比如过滤掉一些非法的字符或对超过数据库存储范围的内容进行截断，以避免因数据量过大而造成数据库崩溃。(5)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。本系统的用户包括了大棚农户、管理人员和一些专家人员，我们将提供用户识别的方式保护数据的私有性。同时，在系统设计的同时，也要做好各项安全防范措施，包括权限严格分配、登陆IP严格控制，最重要的是防范各种木马类型，包括SQL注入、JS注入、IIS旁注等。5.2实时性分析实时性操作是指数据在传输过程中要能及时的接收并予以处理，它的主要特点就是提供及时响应和高可靠性[36]。实时操作系统又分为软实时和硬实时，软实时是指要按照任务的优先级别尽快完成操作；硬实时是指必须在规定时间内完成操作。为了保证数据在传输过程中能够及时的接收，可以从以下方面进行改善：(1)网络硬件性能的改善。我们可以通过增加网络的带宽来提高信息的传输速率，通信媒体和网络接口传输速率的提高，网络的实时性也将得到提升。(2)网络通信协议的改善。系统传输过程中的层次结构越简单，系统的实时性越高。在系统软件设计过程中，将采用优化的技术、结构灵活和合理的算法等来减少延时问题的出现。(3)数据采集实时性的改善。系统要求能够实时采集到大棚内的数据，并对这些数据进行及时处理，利用人工控制的方式使得这些数据能够控制在一定范围之内，从而有利于农作物的生长。在数据采集实时性问题中可以从快速性、稳定性和同步性进行考虑。在快速性方面，可以应用性能较高的硬件提高A/D转换率，减少数据的传输时间；在稳定性方面，主要是保证数据采集、传输、存储过程中时间的稳定性，因此要选择较好的实时操作系统；在同步性方面，考虑到采集数据的多样性，采用固定帧周期控制的方式实现各节点采集数据的时间的同步性。6总结与展望6.1总结应用自动控制和电子计算机实现农业生产和管理的自动化，是农业现代化的重要标志之一,近年来电子技术和信息技术的飞速发展，带来了温室控制与管理技术方面的一场革命，在农业生产,园艺生产,动植物养殖等等方面有着广泛的运用,对于农业生产的增产增质增量产生了巨大的经济效益与社会效应.在功能模块设计方面，信息监控模块包含了5个子模块，分别为大棚数据管理、传感器管理、大棚管理命令控制、用户信息管理和用户权限设置。在这个模块中考虑到用户有多种，对用户权限进行了分配，实现对系统数据进行保护。用户可以对大棚监控到的数据进行查看，根据预警信息发送相应的命令控制，以此来手动或者自动调节大棚内数据变化。当然，由于时间和自身经验能力的不足，在功能设计方面可能还存在一些不足的地方，在以后系统的实现过程中要根据发现的问题及时做出调整，使得系统更加完善，更加符合用户的需求。本系统结合Zigbee、GPRS、B/S的相关技术，有效的整合建设了一套完整的基于物联网的精准农业大棚监控系统，系统设计的目标是减轻以往农业工作投入人力大、管理不方便、农业状况应对不及时的问题。系统着重从环境监测、信息传输、远程监控三个方面入手，采用市场成熟的设备外加软件系统协作的设计模式，有着系统开发周期短、费用低、易维护的特点。但由于本套系统还处于研究与设计阶段，具体应用上，还有待实验及考证。6.2本项目创新点及特色(1)本项目与国家发展“三农“的政策一致，具有时代特征。(2)利用物联网技术、为发展精准农业、环境参数和视频图像叠加、自动预警和控制是系统的技术特色。(3)优化安全，利于物联网技术成熟。6.3展望由于自己能力和时间的原因，本论文只是在参考相关资料的基础上进行了基础性的研究，在以后的工作中还要进行更加深入的研究和分析。在实际的应用过程中，或许还会面临很多问题，还要综合考虑多方面的因素，以后的工作可以从以下几个方面进行开展：(1)在安装节点和感应器的时候要考虑不同地区的实际情况进行合理设置。例如大棚的高度、安装距离、环境对信号的影响等，要通过不断的实验和分析找到适合该大棚的安装方式。