基于WEB和RS_485总线的分布式远程环境监控系统的实现.pdf

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1、C h i n e s e A g r i c u l t u r a l S c i e n c e B u l l e t i n V o l.2 2 N o.2 2 0 0 6 F e b r u a r yh t t p:/z n t b.c h i n a j o u r n a l.n e t.c n1引言近年来，随着公共 I n t e r n e t 网络的普及和远程控制策略的完善，基于 I n t e r n e t 的通讯手段在远程监控技术上的应用发展迅猛。基于 I n t e r n e t 的远程监控制系统通过廉价的 T C P/I P和 E t h e r n e t

2、 连接克服了工业网络的弊端，大大降低了网络的建设与维护成本，提基金项目:国家高技术“8 6 3”项目“土壤与作物信息快速检测技术研究”（2 0 0 4 A A 2 4 7 0 4 0）和国家自然科学基金项目“温室番茄动态模型与计算机模拟系统的研究”（3 0 1 7 0 5 3 8）共同资助。第一作者简介:曹洪太，男，硕士研究生，研究方向：智能控制。E-m a i l:s u n z f 2 6 3.n e t。通讯作者:孙忠富，男，博士学历、博士生导师。研究方向：环境控制与信息技术，通信地址：1 0 0 0 8 1 北京市中关村南大街 1 2 号，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所。E-

3、m a i l:s u n z f 2 6 3.n e t，T e l：0 1 0-6 2 1 1 9 5 5 8/6 2 1 3 1 3 2 6。收稿日期:2 0 0 5-1 1-1 0，修回日期：2 0 0 5-1 1-1 5。基于WE B和R S-4 8 5总线的分布式远程环境监控系统的实现曹洪太1,2,苏晓峰1,3,孙忠富1,仝乘风1,杜克明1,王迎春1（1中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 1 0 0 0 8 1；2曲阜师范大学自动化研究所，曲阜 2 7 3 1 6 5；3北京理工大学自动控制系，北京 1 0 0 0 8 1)摘要:提出了一种针对温室环境监测的基于W E

4、B的数据采集和信息发布系统设计方案,并从软、硬件的角度详细介绍了系统的实现方法。该系统应用M SV B.N E T开发工具,采用A S P.N E T技术规范,构建了B/S(B r o w s e r/S e r v e r)模式下的远程监控系统。硬件系统通过R S-4 8 5总线与数字传感器连接,并与具有联网功能的P C监控计算机构成温室现场监控系统。该系统不仅能够通过I n t e r n e t远程浏览访问温室现场数据,而且能对系统运行参数进行远程修改和设置。该系统不仅可以实现对温室环境的异地和远距离数据监控管理,而且也可应用于农业的其它领域。关键词:数据采集;网络技术;远程监控;V B

5、.N E T中图分类号:S 1 2 6文献标识码:AAWE BB a s e dMo n i t o r i n gS y s t e m f o rG r e e n h o u s eE n v i r o n me n t V i aR S-4 8 5B u sC a oH o n g t a i1,2,S uX i a o f e n g1,3,S u nZ h o n g f u1,T o n gC h e n g f e n g1,D uK e m i n g1,Wa n gY i n g c h u n1(1I n s t i t u t eo f E n v i r o n m

6、 e n t a n dD e v e l o p m e n t i nA g r i c u l t u r e,C A A S;2I n s t i t u t eo f A u t o m a t i o n,Q u f uN o r m a l U n i v e r s i t y;3D e p t.o f A u t o m a t i o n,B e i j i n gI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y)A b s t r a c t:I nt h i s p a p e r,at e c h n i c a l s c h e m

7、 eo f aWE Bb a s e dm o n i t o r i n ga n dp u b l i s h i n gs y s t e mf o r g r e e n-h o u s ee n v i r o n m e n t d a t aw a s p r e s e n t e df i r s t l y,a n dt h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no f t h es y s t e mw a s g i v e nt oi n t r o-d u c et h ei m p l e m e n t a t i o no

8、f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea f t e r w a r d.T h i s r e m o t es u p e r v i s o r ys y s t e mw a s e s t a b-l i s h e db a s e do nt h eB r o w s e r-S e r v e r(B/S)M o d eD e v e l o p e dw i t hM i c r o s o f t V B.N E Ta n dA S P.N E Tt e c h n i c a lc r i t e r i o n.T h eh

9、 a r d w a r ew a s c o m p o s e do f 3p a r t s:aP Cc o m p u t e r t h a t c a na c c e s s t oi n t e r n e t,aR S-4 8 5b u sc a b l ea s am i d d l eb r i d g ec o n n e c t i n gb o t ht h eP Ca n dd i g i t a l s e n s o r s,a l l o f w h i c hf o r m e daf i e l dm o n i t o r i n gs y s t e

10、 mf o r g r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t i n f o r m a t i o n.T h er e s u l t s h o w e dn o t o n l yt h er e a l-t i m eg r e e n h o u s ee n v i-r o n m e n t d a t ac o u l db ea c q u i r e da n db r o w s e di nar e m o t es i t e,b u t s y s t e mp a r a m e t e r s c o u l db ee d

11、 i t e da n ds e t u pt h r o u g ha c c e s s i n gt ot h ei n t e r n e t.I na d d i t i o n,t h i s s y s t e mw a s n o t o n l ya v a i l a b l et or e a l i z ed a t aa c-q u i s i t i o na n dm a n a g e m e n t f o r ag r e e n h o u s e,b u t c o u l db ee a s i l ya d o p t e dt oo t h e r

12、 a g r i c u l t u r a l f i e l da s a l s of r o mo t h e r r e m o t ep l a c e s.K e yw o r d s:D a t aa c q u i s i t i o n,We bt e c h n o l o g y,R e m o t eM o n i t o r i n g,V B.N E T农业信息科学3 9 2中国农学通报第2 2卷 第2期2 0 0 6年2月h t t p:/z n t b.c h i n a j o u r n a l.n e t.c n高了己有设备的利用效率和联合生产能力，并广

13、泛地延伸人类的工作空间。从温室环境监测领域来讲，由于各种温室在地域上分散分布，要总揽现场环境信息和作物生长状况，或要实现对分散在各地的温室进行状态监测，没有一个远程环境监测系统是很困难的。使用基于R S-4 8 5 总线的数据采集技术和基于 I n t e r n e t 的远程数据传输技术实现远程温室环境监测，即在远离温室现场的异地，通过网络进行温室设施的温、湿度等环境数据的采集读取，也可以变更数据采集设备的一些工作参数，极大地提高了工作效率、方便了用户。使用该技术主要有以下的优点：可以利用网络的高效率管理，实现分布式数据采集；实现地理上分散的温室集群管理，节省人力资源；建立网络数据库，实现

14、数据共享。目前，为了实现远程监控技术，国内外在这方面的研究有不同的解决方案，尤其以工业领域居多 1 5，农业应用相对较少 6,7。所采用的方案包括基于I N T E R-N E T的远程监控技术、嵌入式 WE B服务系统、G S M/C D MA/G P R S无线网络的远程监测系统，等等。在总线结构设计方面，有的采用分布式的系统；有的采用多传感器集成方式（集中式），将多个传感器集成在一个监控模块上；有的采用集中分布式相结合的结构。针对农业和温室生产环境的特点，笔者的设计方综合考虑性能与价格等因素，从农业实用性角度出发，选择集中分布式相结合的结构，通过R S 4 8 5 总线技术与数字传感器连

15、接，通过 I n t e r n e t网络传输数据技术，将实时采集数据发送到网络服务器，通过浏览器即可实时访问、浏览和下载所需要的数据。软件系统采用 V B.N E T和 A S P.N E T语言开发 8 1 0，实现了一个简单易行的分布式远程温室环境监测系统。2系统设计方案该系统是针对温室而开发的远程分布式环境监测系统，该系统是在考虑到温室设备分布地点广、设备数量多、环境复杂等因素的基础上，结合计算机监测技术、远程传输技术而开发的数据采集网络监测系统，但同样可应用于其他领域环境的监测与应用。为了保证数据传输的可靠性、实时性，系统采用R S 4 8 5 总线技术和 T C P/I P网络通

16、信相结合的方式，针对被监测设备的具体情况开发专用的监测软件，能够同时采集多路数字传感器的环境数据，并把这些数据通过 I n t e r n e t 发布到网络上，实现了远程环境监测的设计思想。系统软件采用 V B.n e t 开发，结合网络通讯技术，充分保证了系统稳定、可靠的运行，软件开发具有极大的灵活性，同时模块化的编程思想使系统软件易于升级和维护。综合考虑各方面，笔者设计了如图 1 所示的系统。图1系统结构图Internet?1Web?M?1?1?1?N?.RS232/485?K?K?1?N?RS232/485?该系统可同时监测若干个温室单元，每个温室单元则形成一个相对独立的子系统，通过

17、R S-4 8 5 总线把若干个数字传感器与现场监控计算机连接，然后再将监控计算机接入 I n t e r n e t，监控计算机将数据实时发送到数据库服务器。这样监控计算机只要放在 R S-4 8 5总线的最大通信距离允许范围之内（1 0 0 0 m左右），用户无论在多远，只要能够连接到 I n t e r n e t，就可以通过 I n t e r n e t 网络访问所有的实时和历史数据。数据库服务器用来存储温室环境数据，同时还存储温室采集系统运行参数，供监控计算机运行时农业信息科学3 9 3C h i n e s e A g r i c u l t u r a l S c i e n

18、c e B u l l e t i n V o l.2 2 N o.2 2 0 0 6 F e b r u a r yh t t p:/z n t b.c h i n a j o u r n a l.n e t.c n读取并设置其自身的工作状态。管理员可通过浏览器访问和修改数据库中的参数。We b应用程序服务器实现数据在网络上的发布，接受在 I n t e r n e t 上的任一用户查询浏览，并接受授权用户更改监控计算机工作参数，存储到数据库服务器上。在有用户请求的条件下 WE B应用程序服务器将通过 I n t e r n e t 从数据库服务器中读取用户请求的数据，再通过 I n t e

19、 r n e t 网络把这些数据发送到请求数据的用户，另外它还可以把用户的一些参数设置信息保存到数据库服务器上。监控计算机会定时查询数据库中的一些基本参数，然后按照这些参数来调整自身的工作状态，这样也就实现了远程设置监控计算机参数的功能。图 1 的系统结构图表示的是一个比较大的分布式多温室远程数据采集系统。在应用中可以根据实际情况把数据库服务器和 WE B应用程序服务器放在同一台服务器上实现，另外在温室距离比较近而且需要采集的环境参数也不很多的前提下，可以用一台监控计算机来采集多个温室的数据，从而可以使系统得到简化。3系统具体实现3.1监控计算机部分监控计算机的功能是每隔一定的时间采集一次温室

20、现场数据，并把这些数据保存到数据库服务器上。数字传感器系中国农业科学院农业环境与可持续开发研究所自行开发的 T H M-1 0 1空气温湿度采集模块，C D-1 0 1空气二氧化碳浓度采集模块和P R 1 0 1 光量子采集模块，根据需要还可以增加其它传感器模块。该系列数字传感器通过 R S-4 8 5 线输出，并且可以通过 L C D显示实时数据。应用数字传感器技术特性，大大简化了系统开发过程。硬件系统是采用 R S-4 8 5总线将所有数字传感器与监控计算机连接（见图 2）。R S-4 8 5 总线是采用一对平衡差分信号线的半双工通信标准，由于采用的平衡差分信号传输，使得信号在传输过程中抗

21、干扰能力相对于R S-2 3 2 大大增强，传输距离可达 1 2 0 0 m，在减小传输速率的情况下传输距离可以高达到 5 k m甚至更远。采用 R S-2 3 2/4 8 5 传输技术具有很多优点，在理论上如果所用的转换器有足够的驱动能力，可在同一个总线上挂接高达 1 2 8 个甚至 2 5 6 个数字传感器。而实际上，在一个温室中所需要的传感器数量一般不可能超过上述限制，应该能充分满足需要。在进行数据采集时，要确保任意两个同种类型的数字传感器的地址不相同，这样，监控计算机可以通过传感器的类型和地址把每一个数字传感器唯一确定下来，这样，当监控计算机需要读取任何一个数字传感器数据的时候，只要知

22、道它的类型和地址，就可以很容易的访问这个传感器。监控计算机和数字传感器采取呼叫应答的方式进行通信。当监控计算机需要读取一个传感器的数据的时候，它只要通过串口向R S-4 8 5 总线发送一个呼叫信号，那么被呼叫的传感器便会发送一个出应答信号到 R S-4 8 5 总线，监控计算机收到这个信号经过简单地处理就可以得到相应传感器的数据。例如串口发出“C D 0 1”+回车，其中“C D”表示呼叫的是 C O2浓度传感器，“0 1”是地址，那么这个时候如果地址为“0 1”的 C O2浓度传感器已经正确的并联在 4 8 5 总线上，它就会回发一个类似“0 4 8 0 E-0 0”的字符串，该字符串实际

23、上就是一个C O2浓度信息的一个科学记数法表示，可以很方便的转化为数值数据。网络数据传输与管理软件系统应用 V B.N E T和A D O.N E T技术开发，V B.N E T属于 V i s u a l S t u d i o.N E T系列，它是一个功能强大、高效并且可扩展的编程环境，为软件的设计提供了很大的方便。A D O.N E T是.N E T框架下的新的数据访问技术，利用 A D O.N E T可以方便高效的实现数据库的访问。图 3 是监控计算机软件中，每一个定时周期，读取并存储传感器数据程序流程图。为了方便管理，监控计算机软件采取了分组管理，同一台监控计算机可以采集几组传感器的

24、数据，这样在地理上分布比较近的几个温室的传感器可以由同一台监控计算机来管理，可以节约成本。为了方便管理人员应用，监控计算机软件还设计添加了如采样与存储时间步长设置、传感器地址设置、传感器异常诊断、数据库服务器 I P设置等功能。数据的监控计算机软件的操作界面见图 4。3.2数据库服务器的设计系统数据库服务器与 WE B应用程序服务器分离，有利于数据的安全及 WE B应用程序服务器的升级和维护。数据库采用 MSS Q L S e r v e r 2 0 0 0，为系统提供易于维护的、稳定的支持。温室数据库(G r e e n h o u s e)图2数字传感器通过R S-4 8 5总线连接到监控

25、计算机结构图农业信息科学3 9 4中国农学通报第2 2卷 第2期2 0 0 6年2月h t t p:/z n t b.c h i n a j o u r n a l.n e t.c n图4监控计算机软件操作界面图3监控读取存储数据流程图包含一系列数据表 I n f o 0，I n f o 1，I n f o 2，I n f o n，采集系统参数表 p a r a m。其中 I n f o 数据表包括各种传感器的数据和采集时间。采集系统参数表包括目前运行的传感器的数量、组数、各传感器的数据采样间隔等。现场监控计算机上的数据采集模块和 WE B应用程序服务器上的网络发布模块都以温室数据库为中心，为

26、 I n t e r n e t 用户提供数据查询及相关服务。3.3 W E B应用程序服务器设计WE B应用程序服务器采用 MS-I I S（Mi c r o s o f tI n t e r n e t I n f o r m a t i o nS e r v e r）技术，网络发布模块采用A S P.N E T技术实现 B/S（B r o w e r/S e r v e r）体系结构（图 1）。用户操作则通过客户端浏览器（B r o w e r）实现，主要事务在服务器端（S e r v e r）实现，数据存储、提取则在数据库服务器端实现，形成三层（3-t i e r）结构。在这种结构中，

27、该系统的一次完整运行应为：用户登陆，即通过浏览器向网络上的 WE B应用程序服务器发出请求，WE B应用程序服务器对浏览器的请求进行处理，将用户操作主页面返回到浏览器；用户进行数据查询参数的输入、采集系统的参数修改等操作，完成后向 WE B应用程序服务器发出提交请求；服务器对浏览器的数据提交请求进行处理，即进行数据分析计算、数据库存取、动态页面生成等工作；最后 WE B应用程序服务器将模型运行结果返回到客户端浏览器。4系统实验与结论利用 R S-4 8 5 总线技术和网络通信技术实现了一个分布式远程数据采集系统，在一定程度上可以满足科研和管理人员进行远程数据采集和对设备进行参数设置的愿望，为科

28、研和管理提供很大的方便。该系统已在中国农业科学院可控环境农业实验室进行了调试实验并获得成功，运行结果表明通过登陆数据服务器可进行远程数据访问和系统参数的设置，极大地方便了用户的使用。由于采用了数字传感器，所以节省了 A/D转换开发的过程，实现了一种简易实用的基于 WE B的数据采集与管理系统。需要指出的是，该系统需要一台能接入 I N T E R N E T的现场监控计算机，这会给实际应用带来一些不便。但也应该看到，因为通过 4 8 5 总线至少可同时连接 1 2 8 2 5 6 个传感器，所以这对于一些需要传感器较多的场合（如大型温室或温室群），应用该系统仍有一定的性价比优势和实用性，从系统

29、的特点和功能还可以看出，系统也适用于农业其它领域的数据采集与监测。同时，为了解决因现场计算机带来的不便，笔者正在努力开?,?i=0?i?1ms?Y?Y?!#?N$%&?($%)*+?(&?,-?,./?Y0 1i=i+1YNN图5数据查询系统农业信息科学3 9 5C h i n e s e A g r i c u l t u r a l S c i e n c e B u l l e t i n V o l.2 2 N o.2 2 0 0 6 F e b r u a r yh t t p:/z n t b.c h i n a j o u r n a l.n e t.c n发一个嵌入式的 WE

30、B服务系统代替现场监控计算机，不仅有利于系统性能的提高，也有利于系统集成度的提高，这也是今后分布式远程数据采集系统研究的一个重要发展方向。参考文献1嵇国金,王磊,张志明.基于 R S-4 8 5 总线的仓储网络监控系统的设计与实现 J .测控技术,2 0 0 5,2 4(5):6 4 6 62胡晓明,刘书燕.用 V i s u a l B a s i c 设计分布式监控通讯系统 J .西安邮电学院学报,2 0 0 5,1 0(1):8 7 9 13曹军义,刘曙光.基于 I n t e r n e t 的远程测控技术 J .国外电子测量技术 J .2 0 0 1,(6):1 7 2 14 孙德明

31、,何正嘉.快速构建基于 We b 的远程测控系统 J .计算机工程与应用.2 0 0 3,(2 3):1 6 0 1 6 25 王履程,孙卫,谭筠梅.实时性分布式监控系统的设计与实现 J .兰州交通大学学报,2 0 0 5,2 4(1):4 0 4 26 于海业,张云鹤,孙瑞东.基于 L a b V I E W的温室环境远程监控系统的研究 J .农机化研究 2 0 0 4,(1):7 5 7 77 周国祥,周俊,苗玉彬,刘成良.基于 G S M的数字农业远程监控系统研究与应用 J .农业工程学报,2 0 0 5,2 1(6):8 7 9 18 F r a n c e s c o B a l a

32、 n c e.V i s u a l B a s i c.N E T技术内幕 M.李珂,等译.清华大学出版社,2 0 0 3.2 8 9 3 3 0,5 8 7 6 8 1,1 2 8 2 1 2 8 99章立民.A D O.N E T+V B.N E T数据库应用开发指南 M.北京:中国铁道出版社,2 0 0 4:6 7 9 4,6 7 9 4,1 5 3 1 9 2,2 6 5 3 4 81 0 李香敏,徐进,姜世锋.S Q LS e r v e r 2 0 0 0 D e v e l o p e r s G u i d e 开发人员指南 M.北京:希望电子出版社,2 0 0 0.5 8,3 6 6 9,1 4 3 1 7 0（责任编辑：回文广）农业信息科学3 9 6