智能灌溉系统上位机软件的设计与实现

智能灌溉系统上位机软件的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实现 赵震奇 (无锡机电高等职业技术学校，江苏 无锡 214028) 摘 要:根据农田环境的水、空气、土壤环境的需求，设计了基于ZigBee 无线传感器网络的智能灌溉系统。具体分析了 系统功能，设计了总体结构。探讨了基于.Net 的智能灌溉系统上位机的功能需求、系统架构、实现 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及关键技术等。 关键词:ZigBee;无线传感器;.Net;智能灌溉系统;上位机 中图分类号:TP315文献标志码:A文章编号:1006-8228(2012)12-61-04 Design and implementation of PC software for intelligent irrigation system Zhao Zhenqi (Wuxi Machinery and Electron Higher Professional and Technical School,Wuxi, Jiangsu 214028, Chin) aAbstract: According to the requirements of water, air and soil in farmland environment, an intelligent irrigation system is designed, based on wireless sensor network ZigBee. The system function is analyzed and overall structure is designed. The function demand, system architecture, concrete implementation scheme and key technology of intelligent irrigation system principal machine based on .Net are discussed. Key words:ZigBee;wireless sensor;.Net;intelligent irrigation system;PC 2 总体结构设计 0 引言 在水资源紧缺的条件下，要实现灌溉农业的可持续发展，就 Zigbee 是基于 802.15.4 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的低功耗局域网协议。IEEE 需要灌溉更加精确智能。在不影响农作物生长发育的前提下， 根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技按照农作物需水要求准确及时地预报，并实现水量的自动控制， 术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、精确施予。目前，主要采用先进的物联网技术与传统农业生产 低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各相结合的办法，通过研发先进的传感器、灌溉控制设备、功能强 种设备。 [1]大的计算机灌溉管理软件等来实现科学灌溉，提高农业效益。 无线网关实现了 ZigBee、GPRS、以太网、串口的网络互联 由于全球气候的恶化和水污染等原因，水资源短缺已经成 和协议转换，集成了符合 ZigBee 协议标准的 5121 系列通讯 JN为全球性的问题。在各大园林、农业及高尔夫灌溉项目中，越 模块，GPRS 模块，以太网接口，RS232 接口。并具有通讯距离 来越多的人认识到了节水灌溉的重要性。为了保证人工植被 远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性;可实现一点对多 和农作物的正常生长，节水灌溉系统起到了至关重要的作用。 点、多点对多点的串口设备间的数据透明传输，也可以根据用 户的需要定制软件;可按照星形网络、网状网络以及树状网络 组 网 。 兼 容 FCC Part 15, ETSI ETS 300-328 和 日 本 的 1 系统主要功能ARIB STD-T16 标准。主要应用领域:煤矿/油田设备远程监 我们设计并制作出具有监视、控制、环境数据的不间断采 控、电力/水利设备远程监控、远程智能抄表/线缆取代、工业、农 [2]集、整理、统计、绘图功能的智能灌溉系统，以实现优化科学灌 业自动化控制、楼宇、路灯智能控制。 溉。该系统适用于庭院、园林、农田等灌溉场所。主要包括以 本系统设计由三个部分组成:监控中心、无线网关、无线路 下功能: 由节点。其中，监控中心主体是服务器和上位机;无线网关集 ? 根据 CO2 浓度自动控制电磁阀的开关，与 CO2 发生器 成了符合 ZigBee 协议标准的 JN5121 系列通讯模块，GPRS 模 配套使用; 块，以太网接口，RS232 接口，负责将各节点的数据发送给上位 ? 根据土壤的干湿度自动控制电磁阀的开关，与喷灌、微 机处理，或接收上位机发送的指令并传送给各节点;无线路由 灌、滴灌等管道系统配套使用; 节点可以有多个，集成了 CO2 浓度传感模块、土壤的干湿度传 ? 根据空气的干湿度自动控制电磁阀的开关，与加/降温、 感模块、空气的干湿度传感模块和 模块。系统组成框图 ARM 加/除湿等设备配套使用。 收稿日期:2012-10-08作者简介:赵震奇(1976-)，男，江苏无锡人，硕士，讲师，主要研究方向:信息系统开发与应用，职业教育。 如图 1所示。? 数据分析，根据数据库内查询的数据绘制图表(折线图无线传感节点 A或饼图等)，显示数据的分布和趋势，提供用户环境参数的历史 控制命令温湿度传感器节点 a 数据和做出灌溉决策的参考信息。 灌溉设备控制节点 a检测数据? 分布式软件，可以在多个计算机上同时打开上位机软 无线路由 ZigBee 无线通信 A节点件，软件之间相互协调，每个上位机作出的参数修改都能在其 无线传感节点 N 他上位机软件上显示出操作记录，参数设置具有并发性，多个 控制命令温湿度传感器节点 n 灌溉设备控制节点 n 检测数据 无无ZigBee 无线通信 上位机软件进行同一参数的设置不会冲突，参数设置完成后，线线 ZigBee 无线通信网网 其他上位机界面会同步更新。关关 GPRS 无线通信 无线传感节点 A 4.2 上位机架构 控制命令温湿度传感器节点 a 本系统采用.Net 三层架构。三层架构(3-tier application) 灌溉设备控制节点 a检测数据无线路由 通常意义上的三层架构就是将整个业务应用逻辑上划分为:表 ZigBee 无线通信 N 节点无线传感节点 N 示层(USL)、业务逻辑层(BLL)、数据访问层(DAL)。三层架 控制命令 n温湿度传感器节点 构是一个支持可抽取、可替换的“抽屉”式架构，符合“高内聚， 灌溉设备控制节点 n 检测数据[4] 低耦合”的思想，所以这些层可以单独开发，单独测试。具体 图 1系统组成框图的三层架构的分层结构图，如图 3所示。 3 硬件原理 表示层业务逻辑层数据访问层数据库 本系统的传感节点硬件采用2530，如图2所示。2530 CCCC 用户界面包 业务逻辑包 数据访问包 是用于 2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 应用的一个 图 3 三层架构的分层结构图真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总材料成 本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的 RF 收发器的 4.3 开发工具的选择 优良性能，业界标准的增强型 8051 CPU，系统内可编程闪存， .NET 是 一 个 开 发 平 台 ，它 定 义 了 一 种 公 用 语 言 子 集 8-KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530 有四种不同的闪 (Common Language Subset,CL S)。.NET 统一了编程类库，提 存版本:CC2530F32/64/128/256，分别具有 32/64/128/256KB 的 供了对下一代网络通信标准，可扩展标记语言(XML)的完全支 闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它特别适应超低功 持，使软件的开发变得容易。.NET 与 Windows 平台紧密集成，耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低 [3]能源消耗。 是一种面向网络、支持各种用户终端的开发平台环境。 CC2530 SQL 2005 对 SQL Server 2000 中已经存在的 SERVER 特性进行了加强。加强了 T-SQL(事务处理 SQL)，整合了符 合.NET 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的语言(可以在数据库管理系统中执行.NET 代码 灌溉设备控制阀门I/O 接口 MCU 射 TR-5 型土壤水分传感器 以充分利用.NET 功能)，使自身带有支持对用户自定义数据库 频射频 转换 AD电温度 温度 收发 中存储的数据进行加密的功能，生成多活动结果集(允许从单 路模块 传感器传感器 模块个的客户端到数据库保持一条持久的连接，以便在每个连接上 拥有超过一个的活动请求)等。 电源模块 基于上述原因，我们选择.NET 架构 C#语言开发，作为系统 图 2 传感节点硬件框图开发的工具。开发人员必须掌握的预备知识和工具有:?UDP 通讯编程(UDP 包测试工具的使用);?多线程;?Chart 控件的 4 上位机的设计 使用;?调试工具的使用。 4.1 功能需求 5 数据库表结构 以太网通信方式是物联网智能灌溉系统与计算机最主要 的通信方式，采用 通信协议层，多线程方式进行数据交互。 UDP数据库名称:ZigDB。主要包括设备状态信息表(如表 1 所 上位机需要单独具备以太网通信界面，除了实现物联网智 示)、设备信息表(如表 2 所示)、设备类别表(如表 3 所示)、系统 能灌溉系统以太网通信命令中列出的各项命令之外，还需要以 设置表、权限表、用户表等。 下几个重要功能。 表 1 EqStatusInfo ? 网络拓扑，显示物联网智能灌溉系统所有已经注册的 设备节点物理区域视图，主要用于直观地反映设备节点的分布 概况，用于设备故障定位。在视图上，双击设备节点图标能够 序号列名数据类型长度小数位标识主键允许空默认值说明自动显示该节点的实时数据信息;如果设备有故障或告警，节 1StatusIDbigint80是是否 点图标应该改变自身颜色警示操作人员。 2EqSnchar60否 ? 数据查询，实时记录物联网智能灌溉系统的当前和历 32int40否CO 史数据，提供用户对数据按日期和设备标识查询的功能。根据 4SoilHumidityint40否 数据容量和数据访问并发性的要求，建议数据库采用专用的数 5SunLightint40否 据库管理软件，例如 SQL Server 2005。 6AirTempint40否 7AirHumidityint40否 8StatusDateTimedatetime83是getdate 表 2EquipmentInfo实现对设备序列号的增删改查的操作。 ? 数据查询窗口(FormBrowseHisData):主要包括根据查 序号列名数据类型长度小数位标识主键允许空默认值说明 1EqIDInt40是否 询条件显示查询结果和 CHART 图表。涉及 btnBrow_Click()、 2EqTypeChar10是 dgvBrowResult_DataBindingComplete()等事件处理。 Char3EqSn60是否 8.2 关键技术 4EqMemovarchar500是 5PositionXInt40是 8.2.1 轮询监听 6PositionYInt40是 主程序(FormMain)中监听线程 Run()方法代码，主要根据 7UsedOrNotBit10是0 通讯协议的要求，通过轮询方式，主要采用基于 System.Net， 表 3EquipmentType System.Net.Sockets 空间的 UdpClient 类实现 通信，向设备UDP 序号列名数据类型长度小数位标识主键允许空默认值说明发送命令，从而获取传感器数据信息，然后解析数据(包括进制 1EqpTypeIDint40是否 转换)，并记录到数据库表中。 2EqpTypeNamechar10是 部分代码如下: varchar3EqpTypeCHName500是 private void Run() 6 系统功能模块{ byte [] buffer=new byte[9]; 系统上位机模块包括四个主要功能模块:实时监测模块、 while (true) 数据查询分析模块、权限管理模块和系统管理模块。每一个模 { Try 块中设计了若干子模块。系统上位机功能模块图，如图 4所示。 { strEqSn=StaticCommon.EqSn[ii]; buffer[0]=buffer[1]=0xef; //发送标识符 系统上位机模块 buffer[2]=0x06; //发送长度 实数权系 //序列号组的规则为拆封设备序列号为 3 个字节 时据限统检查管管buffer[3]=Convert.ToByte(strEqSn.Substring(0,2)); 测询理理模模模模buffer[4]=Convert.ToByte(strEqSn.Substring(2,2)); 块块块块 buffer[5]=Convert.ToByte(strEqSn.Substring(4,2)); 设节读实历图备设设 buffer[6]=0x10; //命令字为单字节表示 备时史表份备备角权用点写//命令选项为命令字的辅助标记部分，区分同一类型命令的不同功能 分图数报还注采色限户实上布形据表原册样管管管时下//命令参数的长度不定，在设置类命令中为需要设置的具体参数数值 概显查分数维维理理理 信阈况示询析据护护 息值 buffer[7]=0x00; //校验和为从应答标识符到应答参数包含的字节内数值累加和 图 4 系统上位机功能模块图 byte x=0; 7 上下位机通信的方式 for (int i=0; i<8; i++) x+=buffer[i]; 本系统主要采用两种与上位机通信的方式。 buffer[8]=x; ? 本地调试端口，采用 RS232 串口通信方式，用于和计算 StaticCommon.lstbuffer[ii]=buffer; //送到临时缓冲区 机直连后进行数据通信，同时，对智能灌溉系统进行设备注册 udp.Send(buffer, buffer.Length, ipp); //UDP 方式发送 和网络参数配置也使用该通信方式。 Thread.Sleep(200); ? 远程通信端口，采用以太网通信方式，用于和远端计算 StaticCommon.lstrev[ii] =udp.Receive(ref ipp); //间 隔 0.2 机进行数据通信，主要功能是上报智能灌溉系统各传感器的数 秒接受数据 据，以及获取修改相关参数的上下限阈值。 AddData(StaticCommon.lstrev[ii]); //记录到数据库表 Thread.Sleep((int)StaticCommon.ssi.SpanTime); 8 主要窗口与关键技术 //间隔用户指定时间 8.1 主要窗口 ii++; 上位机软件主要包括以下几个窗口。 if (ii>=StaticCommon.EqSn.Count) ii=0; ? 主窗口(FormMain):主要包括监听线程 Run()方法，用 //在指定的设备数中循环 于实现轮询，先采样放入缓冲区然后入库。 ? 网络拓扑窗口(FormNetworkTop):显示 AP 结点拓扑位 置，主要包括 AP 结点图标的类型和位置，鼠标 MouseDown()、 } MouseUp()、MouseMove()事件处理等。 catch (Exception ex) //异常处理 ? 设备状态窗口(FormOneEq):主要包括发送信息给传 {„„} 感器 sendThreshold()、跨线程访问控件 UpdateUI()、设置最大阈 } 值和最小阈值。 } ? 设备序列号的设置窗口(FormEqpSN):主要包括一些按 以上各传感器数据信息参数的计算公式如下:钮事件处理 btnSave_Click()、btnDel_Click()、btnUpdate_Click()， 二氧化碳浓度:CO2 数据=CO2数据 1×256+CO2 数据2 土壤湿度:SOIL数据=SOIL数据 日照度:SUN 数据=SUN 数据 1×256×256×256+SUN 数 据 2×256×256+SUN数据 3×256+SUN数据4 空气温度:TEMP 数据=TEMP数据-40 空气湿度:数据数据 HUMI=HUMI 8.2.2 跨线程访问控件 在多线程编程中，经常要在工作线程中去更新界面显示， 而在多线程中直接调用界面控件的方法是错误的做法，一般采 用 Invoke 和 BeginInvoke 解决这个问题。它们的共同之处是参 数为 delegate(委托)，委托的方法是在 Control 的线程上执行的， 也就是 UI 线程，这样确保在多线程中安全地更新界面显示。 Invoke 在拥有此控件的基础窗口句柄的线程上执行指定的委 托;而 BeginInvoke 则在创建控件的基础句柄所在线程上异步 执行指定委托。本系统主要采用 Invoke 方法。 图 5 数据查询显示结果图实现轮询式访问多节点设备，调用 UpdateUI 方法多线程实 10 结束语时更新采样数据，图形化各设备各传感器的参数状态，如果当 前某参数值超出上下限阈值范围，及时显示警告信息，并记录 经过学校、企业、农业部门的共同努力，智能灌溉系统顺利 在库表中，供操作者进行分析。 通过了验收，在省农业厅进行了应用推广，效果良好。在系统 地、不间断地采集环境数据后，上体机软件对这些数据进行整 while (true) 理、统计、绘图。使用者不但能实时掌握田间农作物的信息，而 { Try 且能根据设置的参数自动控制设备，达到了农业的智能化和高 { this.Invoke(new System.EventHandler(UpdateUI), 效化。随着我国移动互联网的发展，我们将进一步研发本系统 StaticCommon.lstrev[StaticCommon.num]); Thread.Sleep((int)StaticCommon.ssi.SpanTime); 的智能移动客户端应用软件，使用户更方便地掌控作物环境，} 更好地为农业现代化服务。catch (Exception ex) //异常处理 参考文献: {„„ } } [1] 顾建华,严国军.远程控制农田自动灌溉系统研制[J]软件.,2012.6:10 [] 牛新征,梁帆,周明天.基于无线传感器的物联网网络拓扑发现算法 2 研究[J].计算机科学,2012.36(4):118-122 [] 倪瑛,傅大梅.基于无线传感器网络的温室监测系统的设计[J]南.京 3 9 调试效果工业职业技术学院学报,2010.4:39-41 在历史数据查询界面操作中，用户根据条件查询，图形化 [4] 傅仁轩.基于无线传感器网络的远程自动抄表系统设计[J]现代电.子 显示不同时间段及不同设备的 2 浓度、空气温湿度、土壤湿 CO?度和日照强度等历史信息。数据查询显示结果图，如图 5所示。 技术,2011.5:150-152 ?????????????????????????????????????????????????????????????? (上接第 60 页) 进软件工程教学经验交流与知识分享。度平台建设对于提升课程与教材建设的重要性，并提倡借助现 我校软件工程专业，在云计算实验中心提供的虚拟资源之 代化信息技术，实现课程教材资源乃至于知识的共享。 课程与上，建设了一批共享教学资源，如:团队项目开发实践材料、班 教材建设是卓越工程师 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的重要环节，希望本论 级统一授课(普通专业课)实践的过程框架等。通过该平台，可 文可以为相关院校开展同专业建设提供有益借鉴。 参考文献: 以进行课程的个性化定制，实现教与学的资源共享、知识共享、 [1] 吴爱华,胡海青.建设有特色的精英型软件工程师学院—示范性软件 无障碍沟通。鼓励教师使用该平台搭建课程的教学网站及实 学院建设九年回望[J].高等工程教育研究,2010.5:55-64 践平台，方便学生的学习过程。 [2] 林健.谈实施“卓越工程师培养计划”引发的若干变革[J]中国高等.教 6 结束语 育,2010.17:30-32 本文以杭州电子科技大学软件工程学院实施卓越工程师 [] 林健“. 卓越工程师教育培养计划”学校工作方案研究[J]高等工程.教 3 育研究,2010.5:30-36,43 教育为例，探讨了软件工程专业本科层次卓越工程师课程与教 [4] 刘琴,何宗键.软件工程领域一体化贯通人才培养模式的探讨[J]计. 材建设，包括一体化课程体系构建，课程群，特色课程建设，以 算机教育.2010.23:21-23 及教学资源共享等四个方面。课程与教材建设强调以学生发 [] 骆斌,葛季栋,丁二玉,邵栋,王浩然.软件工程专业课程体系的研究与 5展为本。通过制定一体化课程体系，构建出若干课程群来满足 学生个性化需求，并以课程群为基础，凝练专业特色。强调制 ? 创新实践[J].计算机教育,2010.23:9-13