威控科技農業(yè)環(huán)境無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)
一、系統(tǒng)實現的目的
針對農業(yè)對象具有的多樣性、多變性、以及偏僻分散等特點，提出了一種基于無線移動通信和WEB技術的遠程數據采集和信息發(fā)布系統(tǒng)方案。本系統(tǒng)的關鍵技術是如何通過互連網實現采集數據的傳輸、存儲與發(fā)布，并為用戶提供瀏覽訪問和遠程調用。通常與互連網連接可以通過二種途徑：（1）有線接入方式：這在有些場所，例如距離社區(qū)較近，有線接入方便，或在特殊情況下通過專線連接等，可直接將現場監(jiān)控設備連入因特網；（2）無線接入方式：在上述幾種條件不能實現的情況下，一般只能采用無線接入方式。目前無線連接方式也有很多種，最為可行的是充分利用現有的公共無線移動通信網絡平臺，如GPRS、CDMA等無線移動服務業(yè)務。考慮到技術的成熟度、實用性、經濟投入等綜合因素，本系統(tǒng)目前主要采用了GPRS無線移動通信技術。
二、系統(tǒng)技術特點
GPRS和CDMA均屬于2.5代（2.5G）無線網絡，在技術上各有所長也各有所短，二者在實現技術原理上并無本質區(qū)別，如何選用完全根據用戶需求和監(jiān)測現場的條件決定。CDMA 是英文“Code Division Multiple Access”的縮寫，其中文意思是“碼分多址”，是中國聯(lián)通開辟的無線移動服務業(yè)務，其在語音服務質量、數據帶寬等方面也具有明顯的優(yōu)勢。
GPRS(General Packet Radio Service)是“通用分組無線服務”的英文簡稱，是中國移動開辟的無線移動服務業(yè)務。在許多方面具有明顯的優(yōu)勢：（1）網絡覆蓋面廣、接入范圍大，系統(tǒng)構建便捷、運行成本較低等特點；（2）傳輸速率較高，理論數據傳輸速率可高達171Ｋbps；（3）登錄和接入等待時間短，可快速建立連接；（4）提供實時在線功能，用戶將處于“永遠在線”狀態(tài)，這將使訪問服務變得非常簡單、快速，幾乎不會出現“掉線”或信息丟失現象；（5）計費合理，用戶只有在發(fā)送或接收數據期間才占用資源，即使用戶可以一直在線，但只按數據流量收取費用。GPRS上述優(yōu)勢特點非常適用于間歇的、突發(fā)的、頻繁的、小流量的數據傳輸，同時對偶有大流量數據傳輸也能承受。
另外，本系統(tǒng)是通過集成信息采集、傳輸、發(fā)布、信息管理與應用等復雜過程的基礎上實現的，實際上是構建了一個綜合信息服務平臺，而GPRS通信只是其中一個技術環(huán)節(jié)。從這個意義上說，要實現向CDMA技術的轉移，乃至向第三代移動通信技術(3G)的轉移只要進行很少的開發(fā)就能方便實現。
三、系統(tǒng)實現的基本原理
通過RS—485總線將數字傳感器（也可采用模擬輸出傳感器）與現場監(jiān)控采集器連為一體，構成現場監(jiān)控單元。現場監(jiān)控采集器通常可采用二種途徑實現：（一）采用一臺普通的個人PC兼容計算機，用于讀取并存儲現場數據，（二）采用具有嵌入式系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議的單板機模塊，實現數據的讀取和存儲。然后通過有線或GPRS無線模塊將現場采集器與因特網連接，將采集數據實時發(fā)送到遠程數據庫服務器，并存儲到數據庫中。（見下面示意圖）
本系統(tǒng)軟件采用MS VB.NET和ASP.NET 技術，數據庫采用SQL Server技術，構建了基于B/S（Browser/Server）的系統(tǒng)模式，這種模式構架有利于系統(tǒng)的維護與升級，只要通過瀏覽器就可以訪問實時數據，而且還能進行歷史數據的查詢。通過該系統(tǒng)，即使在遠離觀測現場的異地，也能方便地對各種環(huán)境要素如溫濕度、光照、CO2等環(huán)境數據的采集讀取，真正實現了遠程監(jiān)測和數據共享的功能。
四、針對不同應用的設計方案選擇：
該系統(tǒng)可廣泛適用于不同條件下農業(yè)環(huán)境信息的監(jiān)控與管理，根據條件可分別采用二種不同的技術方案予以實現：
方案一：適用于溫室特點的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)
在這種方案中，通常選用計算機作為現場監(jiān)控采集設備。因為一般來說，在有溫室的地方，通信條件與電力供應條件相對較好，另外農戶也經常會光顧溫室現場，并需要經常查看系統(tǒng)運行狀況、對數據進行分析、設置溫室控制管理參數等等，所以采用一臺既能充當數據采集器，又可以作為控制管理助手的計算機，應該是一種實用的選擇。特別是對于大面積的溫室群，往往需要連接很多的傳感器，這種方案優(yōu)點是非常明顯的。當然用戶也可以采用下面介紹的方案二。
方案二：適用于野外偏遠的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)
在這種方案中，最大的不同就是采用具有嵌入式系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議的單板機模塊代替現場計算機，使硬件系統(tǒng)得以簡化，但只能以犧牲方案一中提到的一些性能為代價。另外相對于方案一，單板機模塊也具有價格較低、易于搬運、低功耗、系統(tǒng)維護方便、預防偷盜等特點。另外因系統(tǒng)功耗低，可采用太陽能電池、蓄電池、甚至是普通電池等供電，這對于長期無人值守、通信條件與電力供應條件較差、自然條件惡劣的場合更為適合。系統(tǒng)構建如下圖所示：
系統(tǒng)設計方案示意圖 遠程環(huán)境信息采集發(fā)送設備
五、應用與服務
本系統(tǒng)通過比較長時間的運行和驗證表明，在穩(wěn)定性和實用性等方面都達到了設計要求，具有非常好的應用前景。另外，還可以根據用戶的特殊需求，為用戶提供更多的服務，例如可為用戶提供不同類型傳感器、設計不同的數據庫、數據安全保密性、以及數據信息的商業(yè)應用、開發(fā)各種應用管理決策服務系統(tǒng)，等等。
使用本系統(tǒng)的用戶可享受免費的數據維護與使用服務，對于沒有自己服務器的用戶，可直接將數據存儲到我們提供的服務器中，供免費訪問和使用，對于無意公開的數據可以通過授予不同級別訪問權限進行保護。另外，用戶也可以將數據存儲在自己的服務器中或指定的服務器中。
互連網技術的應用的確為信息獲取提供了無與倫比的方便途徑，但同時也出現了很多信息安全的隱患。我們的承諾是：只有對用戶服務的義務，而沒有向第三方泄露或轉讓信息的權利，用戶信息的安全就是我們的責任。
實際應用表明，本系統(tǒng)非常適合農業(yè)信息采集的應用，因為在絕大多數情況下，農業(yè)信息采集現場的有線接入是非常困難的。該系統(tǒng)的實現為農業(yè)網絡信息通訊中存在的“最后一公里”瓶頸問題～提供了一種便捷的解決方案。
六、本系統(tǒng)可適用的范圍
（1）設施內環(huán)境監(jiān)控，如：溫室、畜禽/水產養(yǎng)殖場、儲存?zhèn)}庫、工廠車間等
（2）各類野外實驗臺站，如：氣象站、生態(tài)站、水文站、環(huán)保監(jiān)測站等
（3）各類農業(yè)園區(qū)、示范農場、生產基地、科研教學基地等
（4）偏僻分散條件下農業(yè)、生態(tài)、災害、生物信息的監(jiān)測
（5）為行政管理部門、咨詢機構等提供的專用監(jiān)測服務系統(tǒng)
針對農業(yè)對象具有的多樣性、多變性、以及偏僻分散等特點，提出了一種基于無線移動通信和WEB技術的遠程數據采集和信息發(fā)布系統(tǒng)方案。本系統(tǒng)的關鍵技術是如何通過互連網實現采集數據的傳輸、存儲與發(fā)布，并為用戶提供瀏覽訪問和遠程調用。通常與互連網連接可以通過二種途徑：（1）有線接入方式：這在有些場所，例如距離社區(qū)較近，有線接入方便，或在特殊情況下通過專線連接等，可直接將現場監(jiān)控設備連入因特網；（2）無線接入方式：在上述幾種條件不能實現的情況下，一般只能采用無線接入方式。目前無線連接方式也有很多種，最為可行的是充分利用現有的公共無線移動通信網絡平臺，如GPRS、CDMA等無線移動服務業(yè)務。考慮到技術的成熟度、實用性、經濟投入等綜合因素，本系統(tǒng)目前主要采用了GPRS無線移動通信技術。
二、系統(tǒng)技術特點
GPRS和CDMA均屬于2.5代（2.5G）無線網絡，在技術上各有所長也各有所短，二者在實現技術原理上并無本質區(qū)別，如何選用完全根據用戶需求和監(jiān)測現場的條件決定。CDMA 是英文“Code Division Multiple Access”的縮寫，其中文意思是“碼分多址”，是中國聯(lián)通開辟的無線移動服務業(yè)務，其在語音服務質量、數據帶寬等方面也具有明顯的優(yōu)勢。
GPRS(General Packet Radio Service)是“通用分組無線服務”的英文簡稱，是中國移動開辟的無線移動服務業(yè)務。在許多方面具有明顯的優(yōu)勢：（1）網絡覆蓋面廣、接入范圍大，系統(tǒng)構建便捷、運行成本較低等特點；（2）傳輸速率較高，理論數據傳輸速率可高達171Ｋbps；（3）登錄和接入等待時間短，可快速建立連接；（4）提供實時在線功能，用戶將處于“永遠在線”狀態(tài)，這將使訪問服務變得非常簡單、快速，幾乎不會出現“掉線”或信息丟失現象；（5）計費合理，用戶只有在發(fā)送或接收數據期間才占用資源，即使用戶可以一直在線，但只按數據流量收取費用。GPRS上述優(yōu)勢特點非常適用于間歇的、突發(fā)的、頻繁的、小流量的數據傳輸，同時對偶有大流量數據傳輸也能承受。
另外，本系統(tǒng)是通過集成信息采集、傳輸、發(fā)布、信息管理與應用等復雜過程的基礎上實現的，實際上是構建了一個綜合信息服務平臺，而GPRS通信只是其中一個技術環(huán)節(jié)。從這個意義上說，要實現向CDMA技術的轉移，乃至向第三代移動通信技術(3G)的轉移只要進行很少的開發(fā)就能方便實現。
三、系統(tǒng)實現的基本原理
通過RS—485總線將數字傳感器（也可采用模擬輸出傳感器）與現場監(jiān)控采集器連為一體，構成現場監(jiān)控單元。現場監(jiān)控采集器通常可采用二種途徑實現：（一）采用一臺普通的個人PC兼容計算機，用于讀取并存儲現場數據，（二）采用具有嵌入式系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議的單板機模塊，實現數據的讀取和存儲。然后通過有線或GPRS無線模塊將現場采集器與因特網連接，將采集數據實時發(fā)送到遠程數據庫服務器，并存儲到數據庫中。（見下面示意圖）
本系統(tǒng)軟件采用MS VB.NET和ASP.NET 技術，數據庫采用SQL Server技術，構建了基于B/S（Browser/Server）的系統(tǒng)模式，這種模式構架有利于系統(tǒng)的維護與升級，只要通過瀏覽器就可以訪問實時數據，而且還能進行歷史數據的查詢。通過該系統(tǒng)，即使在遠離觀測現場的異地，也能方便地對各種環(huán)境要素如溫濕度、光照、CO2等環(huán)境數據的采集讀取，真正實現了遠程監(jiān)測和數據共享的功能。
四、針對不同應用的設計方案選擇：
該系統(tǒng)可廣泛適用于不同條件下農業(yè)環(huán)境信息的監(jiān)控與管理，根據條件可分別采用二種不同的技術方案予以實現：
方案一：適用于溫室特點的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)
在這種方案中，通常選用計算機作為現場監(jiān)控采集設備。因為一般來說，在有溫室的地方，通信條件與電力供應條件相對較好，另外農戶也經常會光顧溫室現場，并需要經常查看系統(tǒng)運行狀況、對數據進行分析、設置溫室控制管理參數等等，所以采用一臺既能充當數據采集器，又可以作為控制管理助手的計算機，應該是一種實用的選擇。特別是對于大面積的溫室群，往往需要連接很多的傳感器，這種方案優(yōu)點是非常明顯的。當然用戶也可以采用下面介紹的方案二。
方案二：適用于野外偏遠的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)
在這種方案中，最大的不同就是采用具有嵌入式系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議的單板機模塊代替現場計算機，使硬件系統(tǒng)得以簡化，但只能以犧牲方案一中提到的一些性能為代價。另外相對于方案一，單板機模塊也具有價格較低、易于搬運、低功耗、系統(tǒng)維護方便、預防偷盜等特點。另外因系統(tǒng)功耗低，可采用太陽能電池、蓄電池、甚至是普通電池等供電，這對于長期無人值守、通信條件與電力供應條件較差、自然條件惡劣的場合更為適合。系統(tǒng)構建如下圖所示：
系統(tǒng)設計方案示意圖 遠程環(huán)境信息采集發(fā)送設備
五、應用與服務
本系統(tǒng)通過比較長時間的運行和驗證表明，在穩(wěn)定性和實用性等方面都達到了設計要求，具有非常好的應用前景。另外，還可以根據用戶的特殊需求，為用戶提供更多的服務，例如可為用戶提供不同類型傳感器、設計不同的數據庫、數據安全保密性、以及數據信息的商業(yè)應用、開發(fā)各種應用管理決策服務系統(tǒng)，等等。
使用本系統(tǒng)的用戶可享受免費的數據維護與使用服務，對于沒有自己服務器的用戶，可直接將數據存儲到我們提供的服務器中，供免費訪問和使用，對于無意公開的數據可以通過授予不同級別訪問權限進行保護。另外，用戶也可以將數據存儲在自己的服務器中或指定的服務器中。
互連網技術的應用的確為信息獲取提供了無與倫比的方便途徑，但同時也出現了很多信息安全的隱患。我們的承諾是：只有對用戶服務的義務，而沒有向第三方泄露或轉讓信息的權利，用戶信息的安全就是我們的責任。
實際應用表明，本系統(tǒng)非常適合農業(yè)信息采集的應用，因為在絕大多數情況下，農業(yè)信息采集現場的有線接入是非常困難的。該系統(tǒng)的實現為農業(yè)網絡信息通訊中存在的“最后一公里”瓶頸問題～提供了一種便捷的解決方案。
六、本系統(tǒng)可適用的范圍
（1）設施內環(huán)境監(jiān)控，如：溫室、畜禽/水產養(yǎng)殖場、儲存?zhèn)}庫、工廠車間等
（2）各類野外實驗臺站，如：氣象站、生態(tài)站、水文站、環(huán)保監(jiān)測站等
（3）各類農業(yè)園區(qū)、示范農場、生產基地、科研教學基地等
（4）偏僻分散條件下農業(yè)、生態(tài)、災害、生物信息的監(jiān)測
（5）為行政管理部門、咨詢機構等提供的專用監(jiān)測服務系統(tǒng)
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