基于GPRS和Web的农田环境监测系统的实现

张姗姗 陈令芳 张凯 高青松 杨靖

摘 要：针对农田环境的特点并结合数据传输存在的问题，提出了一种基于GPRS无线通信技术和Web技术的农田环境监测系统。该系统首先以MSP430单片机为控制器构成农田终端，实现对农田信息的采集与处理；然后由单片机控制GPRS模块将数据通过GPRS网络和Internet传送到监测中心的服务器。用户可通过互联网实时、远程地查询各种信息。本系统重点研究了数据的远程传输和农田信息的使用与共享。通过实验表明，本系统运行稳定，可实时采集、传输、显示农田的环境数据。

关键词：GPRS；数据采集；Web；农田环境监测

中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）07-00-02

0 引 言

农业环境信息是农业专家系统分析和决策的重要数据源和参数，实时、快速地采集信息是推广精准农业和农业现代化管理的重要基础[1]。准确而实时的农业数据能够更好地帮助人们进行生产种植活动，并能进行各种病虫害的预警与防治。因此，农业环境监测系统非常具有实用意义，它能在有效降低人力消耗和对农业环境影响的同时，实时获取农业环境信息，帮助农业科技工作者清楚地掌握农田状况并做出合适的调控措施。

现有的一些农业环境监测系统多是针对平原温室环境。然而面对更多复杂的农田环境，如山地、丘陵等，采集到的数据如何快速传输，如何实现农田信息最大化的共享和使用是一个重要的问题[2]。GPRS即“通用分组无线业务”（General Packet Radio Service，GPRS）是分组交换的移动通信技术，具有永久在线、传输速度快、按流量计费且费用低等优点[3]。且GPRS覆盖域广，几乎所有手机能通话的地方都能使用GPRS，因此非常适合在偏僻的农田野外通信。正是基于以上优点，选择GPRS作为系统无线通信的关键技术。

1 系统设计

农田环境监测系统分为数据采集与传输、数据接收与存储、数据使用与共享三层，系统结构如图1所示。首先，布置在监测农田的数据采集终端主要对农田信息如温度、湿度、光照度等进行采集、处理与打包；然后GPRS模块将数据包通过GPRS网络和Internet远程传输到监测中心的服务器；最后，用B/S体系结构实现农田环境数据的使用与共享。用户可以通过互联网访问服务器，实时查询、浏览各种环境信息数据以及下载所需要的Excel表格。监测中心的服务器主要由Web服务器和数据库服务器两部分组成，为方便管理，将两者放在同一台主机上。

2 系统的具体实现

2.1 数据采集与传输

农田数据采集终端包括传感器采集模块、控制器模块、GPRS通信模块和电源模块[4]，图2所示为农田采集终端的结构图，其可实现对农田信息数据的采集、处理及远程传输。传感器模块包括系统所需要的各种传感器，负责采集各类信息数据。系统以MSP430单片机作为控制模块，单片机会控制传感器采集农田数据，之后通过GPRS模块发送数据。GPRS模块内嵌TCP/IP协议，MSP430单片机通过AT指令设置GPRS模块，两者通过串口连接。GPRS模块获得监测中心PC机的IP地址和端口号，可以通过GPRS网络将数据包远程传输到服务器。

2.2 数据接收与存储

作为监测中心服务器的PC位于实验室，即局域网内，没有静态IP，因此使用具有动态域名解析功能的花生壳软件，且内网版的花生壳自带内网映射功能，无需在路由器上进行端口映射，这样服务器就将本地某端口映射到互联网。用户可通过访问花生壳绑定的域名来访问监测中心的服务器。

监测中心的服务器采用流式Socket，这是针对面向连接的TCP协议[5]。Socket包括IP地址和端口两部分，用于网络中两个程序的通信。首先监测中心的上位机会创建一个负责监听的Socket，这个Socket负责监听指定的本地端口。GPRS模块已获得上位机的动态域名和指定的端口号，创建Socket试图连接监测中心的上位机；上位机接收到农田终端的连接请求后，产生一个新的Socket与GPRS模块建立连接通信，然后数据包被接收并存入服务器缓冲区，数据传输完毕，关闭两者连接的Socket。原监听Socket继续监听，等待下一次连接请求。接收的数据包按照自定义的帧格式解析，并按照字段通过ADO.NET存入数据库服务器中的MS SQL Server 2005数据库[6]。上位机接收数据的过程如图3所示。

2.3 数据使用与共享

系统采用C#、ASP.NET实现浏览器和服务器（Browser/Server，B/S）体系结构，Web服务器采用MS-IIS（Microsoft Internet Information Server，MS-IIS）技术发布。数据库采用系统安全性和准确性都比较好且数据处理效率比较高的MS SQL Server 2005，数据库中设计了农田信息数据表、管理员信息表、用户信息表和报警信息等多张表格，系统主要是在Visual Studio 2010中用C#语言开发Web网站。

按照实现的功能来划分，环境监测网站分为前台功能模块和后台管理员模块两部分。用户在前台首页登录后，可通过浏览器向网络上的Web服务器发出请求，Web服务器响应浏览器的请求，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，即可查询、浏览实时数据和历史数据，还能够绘制各节点信息的动态曲线；用户可根据需求导出Excel数据表格，能更方便地使用和分析数据。为了便于管理员维护服务器和确保数据的安全，网站还设置了后台管理模块，管理员可以从前台首页进入后台管理模块，对管理员及注册用户的信息进行管理。系统还可以对用户设置不同级别的权限。

3 系统测试与结果

从外网进行访问时，在网址栏输入花生壳绑定的动态域名，访问系统农田环境监测网站。成功注册登录后，进入监测平台的数据曲线页面，实现了数据的实时、远程查询。图4、图5所示分别为历史数据查询页面和数据曲线页面。效果表明，在试验期间，整个系统基本能一直稳定运行，采集的数据也比较准确可靠。

Web网站方面也进行了多方面的测试，如包含数据库链接、按钮、报表刷新等功能的网站功能测试，结果表明网页功能基本实现；网站性能测试主要包括网站在运行时能承受的用户负载和页面响应速度。测试者分别在校园网、联通网、电信网下访问网站，测试表明页面响应速度较快，基本满足了用户需求；浏览器兼容性测试，测试者分别从IE、猎豹、360、搜狗等浏览器访问网站，测试表明网站均可以正常稳定地运行。

4 结 语

通过对国内外农田环境监测现状和无线数据传输方式及Web信息发布技术的调查研究，搭建了基于GPRS无线数据传输和Web信息发布的农田环境监测系统，可以实现数据的实时采集、传输和发布。系统虽然具有通用性，但是也存在不稳定性因素，如恶劣的天气不仅会干扰传感器节点采集信息的实时性与准确性，还会影响农田数据的远程传输。系统存在的不足与缺点都会在以后的研究中被不断改善，使其具有良好的实用性和更优的通用性。

参考文献

[1]王彦集，张瑞瑞，陈立平，等.农田环境信息远程采集和 Web发布系统的实现[J].农业工程学报，2008，24（S2）：279-282 .

[2]谢铮辉，罗微，张慧坚，等.基于GPRS的作物生长环境监测系统设计[J].江苏农业科学，2014，42（11） ：443-444.

[3]赵冬玲，刘书伦.基于ZigBee和GPRS的无线铅尘监测系统[J].新乡学院学报，2014，31（6） ： 36-40.

[4]俞昌忠，陈跃东.基于WSN和GPRS远程温室大棚环境监测系统的研究[J].长春工程学院学报（自然科学版），2011，12（4） ： 42-46.

[5]马辉，黄秋波，苏厚勤.TCP Socket 通信与 Web 服务结合实现高效可靠的数据分发[J].计算机应用与软件，2011，28（9）：144-147.

[6]江凌，杨平利，杨梅，等.基于ADO.NET技术访问SQL Server数据库的编程实现[J].现代电子技术，2014，37（8）：95-98.