基于Web的溫室大棚遠程監測系統

盛占石,吳璣琪

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

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基于Web的溫室大棚遠程監測系統

盛占石*,吳璣琪

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

摘要:溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度是影響溫室大棚作物生長的三大要素,為實時監控這3種關鍵要素以及大棚作物現場狀況,提高大棚作物產量,提出一種基于web的溫室大棚遠程監測系統設計方案。介紹了系統總體設計方案及主要硬件,在基于ARM的嵌入式linux系統上移植開源軟件BOA和Mjpg-streamer搭建web服務器和視頻服務器、移植SQLite構建數據庫并詳細闡述了它們的移植過程。在此基礎上設計CGI網關程序,通過接入Internet的任意一臺遠程PC機或智能手機的瀏覽器可實時監控棚內環境狀況并發送控制命令,真正實現溫室作物種植網絡化管理。

關鍵詞:溫室大棚;遠程監控;mjpg-streamer;BOA;CGI

為食用到新鮮蔬菜,近幾年來大棚種植業迅速發展。大棚作物的產量、質量影響著人們生活和蔬菜價格,溫室環境無疑是影響大棚作物生長的關鍵。傳統上,主要通過人工測量獲取大棚內信息,需要消耗大量人力,實時性差,生產效率低。近來產生了以上下位機方式的智能化監控方式,但由于受通信線路、通信距離、軟件升級困難等因素,仍舊存在諸多不便[1]。隨著網絡技術、智能感知芯片和嵌入式系統等技術的迅速發展,給溫室大棚環境監控添加了新的動力。

本文介紹了一種基于嵌入式Web 的溫室大棚遠程監測系統設計方案。通過任意連網的PC或智能手機的IE瀏覽器即可對大棚內溫濕度、光照強度、CO2濃度等關鍵參數實時監控,對提高農業綜合效益,實現農業生產規模化、自動化和網絡化管理具有重要意義。

1　系統總體結構設計

1.1系統結構介紹

溫室大棚遠程監測系統(如圖1所示)主要包括2部分:服務器和遠程控制端[2]。服務器端是指在基于ARM的嵌入式linux系統上移植開源軟件BOA搭建Web服務器,主要是將USB攝像頭和各溫室環境測量傳感器采集到的信息定時存入數據庫以備用戶查詢,或通過網絡傳送給遠程IE瀏覽器實時監控。此外當溫室環境某參數超出設定范圍時,會觸發相應的執行元件動作,使溫室環境保持在設定范圍內。控制端指遠程IE瀏覽器,主要用于接收、監視服務器端發來的視頻及溫濕度等環境信息,并能發送控制命令給服務器端實現對溫室大棚的遠程控制。

圖1　溫室大棚監控系統結構框圖

1.2系統硬件介紹

(1)S3C2440A微處理器ARM S3C2440A是三星公司推出的16/32位處理器,是面向高端手持設備或其他一般應用而設計的芯片。它采用ARM920T內核,具有低功耗高速的處理計算能力。實現了MMU、AMBA BUS和 Harvard高速緩沖體系結構。這一結構具有獨立的16 kbyte指令Cache和16 kbyte數據Cache,每個都是由具有8字長的行組成,性價比高,在嵌入式系統中得到了廣泛應用。

(3)溫濕度傳感器DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[3]。傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口,使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗,此傳感器具有響應速度快、抗干擾能力強、性價比高等優點。

(4)光照強度傳感器HA2003光照傳感器采用光電轉換模塊,將光照強度值轉化為電壓值,再經調理電路將此電壓值轉換為0～2 V或4 mA～20 mA。高精度的光照強度測量,體積小巧,IP65防護等級設計傳感器結實、耐腐蝕,響應速度快,小于1 s,可選用電壓或電流輸出,電流輸出在長纜線傳輸時有信號衰減。可以很好的用于溫室光照度測量。

(5)CO2傳感器ESM-CO2防護型二氧化碳變送器是在進口紅外雙光束二氧化碳傳感器基礎上設計的一款專門用于農業等多種高濕場合使用的產品。采用進口紅外雙光束CO2傳感器,串行接口,可以很容易與其他設備連接。可靠性、穩定性比較高。

(6)USB攝像頭使用中星微zC301系列高清芯片USB攝像頭,該攝像頭采用CMOS感光元件具有30萬像素,與CCD相比成像質量存在一定差距但是其兼容性與可靠性高,基本上能滿足視頻采集的需要。采用直流電機驅動后還可實現360全方位視角,攝像頭前端還可增加紅外管使系統具有夜視功能。

2　系統軟件環境搭建

2.1Web服務器搭建

BOA是一個基于GNU/Linux平臺的Web服務器[4],其可執行代碼只有約60 kbyte,它是一個單任務的 HTTP Server,開放源碼,性能高,是嵌入式系統的理想選擇。BOA的最大特點是速度快,它不會為每個鏈接單獨的創建進程,也不會通過復制自身進程來處理多鏈接,而是通過建立HTTP請求列表處理多路HTTP鏈接請求,BOA對所有活動的HTTP鏈接在內部處理,只為CGI鏈接創建新進程,這樣可以最大程度上節省系統資源,在同等硬件條件下顯示出更快的速度。關于BOA的移植很簡單,這方面的文章也很多,文獻[5]中有詳細介紹,在此不再詳述,這里僅給出BOA的配置文件boa.conf,如圖2所示。

圖2　BOA配置文件

2.2視頻服務器搭建

Mjpg-streamer是一個輕量級的視頻服務器開源軟件[6],可以從單一輸入組件獲取圖像并傳輸到多個輸出組件.它負責從USB攝像頭獲取并傳輸JPEG格式的圖像到瀏覽器。Mjpg-streamer采用模塊化的設計方法,以功能塊為單位進行描述,軟件中定義好了各組件的輸入輸出以及組件間的銜接關系。用戶可根據對功能的需求,自行選擇需要的模塊。Mjpg-streamer的移植需要Jpeg庫,所以首先要移植Jpeg庫。

2.2.1Jpeg庫的移植

(1)Jpeg源碼包通過下面這個網址下載

http://www.ijg.org/files/jpegsrc.v8b.tar.gz

(2)解壓源碼包#tar xvf jpegsrc.v8b.tar.gz

(3)配置源碼#cd jpeg-8b

./configure CC=arm-linux-gcc

--host=arm-unknown-linux

--prefix=/home/linux/jpeg

(4)編譯并安裝 #make#make install

(5)拷貝/home/linux/jpeg/lib下的libjpeg.so.8到目標板/lib目錄下

2.2.2Mjpg-streamer移植

(1)mjpg-streamer源碼包通過下面這個網址下載

http://sourceforge.net/projects/mjpg-streamer/

(2)解壓源碼# tar xvf mjpg-streamer-r63.tar.gz

(3)修改源碼# cd mjpg-streamer-r63

修改頂層makefile及plugins目錄中的各級makefile將所有CC=gcc修改為CC=arm-linux-gcc

修改plugins/input_uvc/Makfile

將CFLAGS+=-O2-DLINUX-D_GNU_SOURCE-Wall-shared-fPIC

修改為CFLAGS+=-O2

-DLINUX-D_GNU_SOURCE-Wall-shared-fPIC-I

/home/linux/jpeg/include

將＄(CC)＄(CFLAGS)-ljpeg-o ＄@ input_uvc.c v4l2uvc.lo jpeg_utils.lodynctrl.lo

修改為＄(CC)＄(CFLAGS)-ljpeg

-L/home/linux/jpeg/lib-o ＄@

input_uvc.c v4l2uvc.lo jpeg_utils.lo dynctrl.lo

(4)編譯 # make

編譯需要out_http.so和input_uvc.so兩個組件,將他們拷貝到目標機的/mjpg目錄下,然后再拷貝mjpg_streamer到目標機的/bin目錄下注意要改變其權限(chmod+x mjpg_streamer)。

2.3數據庫移植

SQLite是Richard Hipp開發出來的用一個小型C庫實現的一種強有力的嵌入式關系數據庫管理體制[7]。它提供了對SQL92的大多數支持:支持多表和索引、事務、視圖、觸發和一系列的用戶接口及驅動。移植過程如下:

(1)從網站http://www.sqlite.org/download.html下載

sqlite-autoconf-3071400.tar.gz

(2)解壓到/opt目錄

tar xvzf sqlite-autoconf-3071400.tar.gz-C/opt/

(3)建立make install目錄

mkdir/opt/build

(4)進入解壓后的sqlite目錄,并執行./confrgre命令生成Makefile文件

./configure--host=arm-linux-prefix=/opt/build

(5)執行編譯安裝命令

make

make install

執行完后,在所建目錄/opt/build下生成bin include

lib share四個目錄,主要用到的文件有/bin/sqlite3

/include/sqlite3.h以及/lib/下的庫文件。

3　軟件設計與系統測試

溫室大棚遠程監測系統軟件由設備驅動程序、Linux操作系統和應用程序構成(如圖3所示)

圖3　溫室大棚監控軟件系統框圖

每個功能模塊都是一個完整的CGI程序,用戶在遠程IE瀏覽器端請求查看某項環境參數或發送控制命令時,服務器調用相應的CGI程序并將處理結果返回給服務器,再由服務器通過網絡發送給遠程瀏覽器。

3.1CGI介紹

CGI是公共網關接口(Common Gateway Interface)的簡稱[8],是用戶和服務器端溝通的橋梁.它規定了Web服務器如何向擴展應用程序發送消息,在收到擴展應用程序的信息后又如何處理[5]。其主要作用是在WWW環境下,從客戶端(IE瀏覽器)傳遞一些信息給Web服務器,再由Web服務器去啟動所指定的程序來完成特定的工作,并將執行的結果返回給客戶。簡單的說CGI就是一種接口標準,而CGI程序是符合這種接口標準的運行在Web服務器上的程序。CGI基本工作流程如圖4所示:用戶通過瀏覽器向Web服務器提交請求,并將提交的數據發給Web服務器,接著Web服務器為CGI程序創建子進程,并將瀏覽器提交的數據保存到環境變量,然后啟動指定的CGI程序,CGI程序會先從環境變量里讀取數據,經過一系列處理有時也會調用其他程序,然后將處理結果經Web服務器返回給瀏覽器。

圖4　CGI工作流程框圖

3.2系統測試

用戶在遠程IE瀏覽器端輸入服務器網址(這里是http://192.168.1.230/login.html)則進入溫室大棚遠程監測系統登錄界面如圖5所示,輸入用戶名和密碼后,即可進入控制系統。

在控制系統界面,點擊各按鈕可查看對應的環境參數,視頻監控效果如圖6所示。

圖5　溫室大棚監控系統登錄界面

圖6　溫室大棚視頻監控

4　結論

本文以嵌入式Web為核心,構建嵌入式服務器環境,給出了溫室大棚遠程監測軟硬件設計方法,經測試實驗,本系統穩定可靠,其在遠程系統管理和監控等領域有著廣泛的應用前景。

參考文獻:

[1]韓慧.基于RS-485總線的溫室環境監測系統[J].儀表技術與傳感器,2012(3):60-61.

[2]宋軍華,徐曉輝,譚濤.嵌入式web技術在智能溫室監控中的應用[J].電子設計工程,2011,19(4):32-34.

[3]崔智軍,王江煒.基于ARM9的溫室茶樹培養監測系統[J].現代電子技術,2013,36(1):108-110.

[4]Liu Yakun,Cheng Xiaodong.Design and Implementation of Embedded Web Server Based on ARM and Linux[C]//2010 2nd International Conference on Industrial Mechatronics and Automation.2010(2):316-319.

[5]陸永健,王萍,吳佳.嵌入式web服務器Boa的移植及其應用[J].河海大學常州分校學報,2005,19(4):44-47.

[6]陳書益,黃永慧.開源視頻服務器軟件MJPG-streamer的研究和應用[J].電子設計工程,2012,20(5):172-176.

[7]莊宗輝,薛毓強,連瑞紅.嵌入式數據庫SQLite在遠程監控系統中的應用[J].現代電子技術,2007(8):62-64.

[8]李磊.利用CGI程序實現動態web的方法[J].科學技術與工程,2009,9(6):1611-1613.

盛占石(1955-),男,漢族,江蘇鎮江人,江蘇大學副教授,研究方向為電力電子技術,控制理論與控制工程術,控制工程,szs888@ujs.edu.cn。

GreenhouseRemoteMonitoringSystemBasedOnWeb

SHENGZhanshi*,WUJiqi

(School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiang 212013,China)

Abstract:Temperature and humidity,light intensity and carbon dioxide concentration are three key factors to affect the greenhouse crop growth,for real-time monitoring the three key elements and greenhouse crops situation and increasing the greenhouse crop production,a kind of greenhouse remote monitoring system design scheme is put forward based on web.Introducing the overall design method of the system and the concerned main hardware,open source software BOA and Mjpg-streamer were transplanted to build web server and video server in the embedded linux based on ARM.SQLite database was also constructed.And the transplantation processes are elaborated in detail.The CGI gateway program was designed on this basis.By introduceing the CGI program design method,real-time monitoring the state of the greenhouse environment and sending control command through some remote PC or intelligent mobile phone browser accessed Internet,this system realize the networked management of greenhouse crops.

Key words:greenhouse;remote monitoring;mjpg-streamer;BOA;CGI

doi:EEACC:7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.027

中圖分類號:TP393

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0923-04

收稿日期:2013-09-29修改日期:2013-11-01