1.研究状况

环境监测监控物联网系统是一个新生产物 ,是在延续传统环境监测监控系统优势基础_上,研发而成的,可以实现自动监控系统中安全可靠的数据采集、处理和传输。数据采集终端设备纳入物联网系统,并且它们直接可以互联互通、实现自主组局.域网,相互协作完成特定的业务(比如河流上中下游数据的一致性检查和数据采集终端设备的故障诊断等等)。可应用于各种行业的自动监控,作为信息采集、处理和通信终端应用产品。

现阶段,我国的环境监测监控领域的发展并没有太大突破,尤其是环境监测监控系统的体系结构以及环境监测监控中的硬件设备等等。在当今物联网技术大发展的趋势下,我们探索出了环境监测监控物联网系统的解决方案。该方案中,把符合了"物物相连"等要求的数据采集终端设备纳入环境监测监控物联网系统。数据采集终端设备之间能够互相通信,相互协作,完成相关的环境监测业务。系统中的终端设备之间通过相互协作，将相关监测数据的一致性检查和数据采集终端设备的故障诊断。采用代码分发机制,通过各种类型数采终端的主节点向其余节点分发软件升级程序,在最快、最安全的前提下,完成一次网络系统的升级。该系统可应用于各种行业的自动监控,作为信息采集、处理和通信终端应用产品。

2.问题描述

（1）设计题目：物联网环境监测数据中心
（2）实验目的：为了实现温室环境数据和农作物生长发育过程中的形态及生理特征数据的远程采集，为各种农业决策支持系统提供实时，有效的数据；利用图表和图像显示更直观的对各种数据进行对比分析，为农业工作者提供更简单有效的决策手段。随着网络及通信技术的发展，远程数据采集成为一种重要的检测手段。在整个系统中，采用ZigBee无线通信技术和基于java的编程语言将农业环境数据和作物生长发育过程中的生理及形态数据远程传输到物联网环境监测数据中心，利用各种数据算法及专家经验知识对数据进行分析，研究各种数据之间的内在关系，可以更好的为农业生产管理者提供决策支持。

3.需求分析

在对整个项目进行详细的设计以前，先要对整个系统进行需要分析，然后再对其进行详细的方案设计。该部分首先对整个系统进行了需求分析，随后进行了总体结构设计，规划了系统的组成部分，数据的传输方式及流程。然后对系统的每一个部分进行详细的功能设计，具体说明系统中的每一个部分在整个系统所要完成的内容。主要对数据管理中心，数传终端参数配置软件，数传终端，数据采集模块和通信协议这五个部分作出了详细的功能设计，为设计物联网环境监测数据中心项目提供了明确的依据。
整个系统方案在设计时必需考虑一下内容。
（1）先进性原则。方案采用的各项技术必须先进，能够提高农业生产的自动化，信息化程度，实现农产品高产，优质，高效，安全种植。如无线传感技术，节水灌溉技术，温室自动监测技术，农产品溯源技术等。
（2）实用性与经济性原则。方案设计应具有实用性，经济性，易于实施，运行和维护并对农业生产力的提高有切实示范和推动作用。在设备的选型方面，采用可靠性好，维护费用低，性价比高的传感器设备。
（3）节能环保原则。方案在满足农作物生长环境的同时，尽量使整个系统运行成本低，采用重复利用率高的材料，以达到节能环保的目的。
（4）开放性与标准化原则。方案的信息系统设计，采用开放式的网络结构，使系统易于扩充，并为以后的发展预留可扩充借口；同时，系统网络选用的通信协议和设备接口标准符合国家通用标准。
智能农业基地包括物联网环境监测数据中心系统，节水灌溉系统，农药化肥施用自动录入系统，农业机器人相关技术等。系统根据采集来的空气温室度，土壤温湿度，土壤水分，光照度，CO2浓度等各项信息经专家系统的判断做出决策，驱动温室大棚基础设施的电机，或者开启滴灌水泵的电源。
在本项目中主要用到温室空气闻湿度传感器，温室二氧化碳浓度传感器，温室室内光照传感器等传感器。针对不同传感器所测物理量的差异，放置在不同位置以达到较好的测量效果。在实际安装过程中将温室空气温湿度传感器，温度二氧化碳浓度传感器，温室室内光照传感器三种传感器连同本组传感器的无线数传模组集中放置定位在1.5米以上大棚钢结构上。
根据项目的需求将分别采购相关的传感器变送器，由于传感器变送器一半输出的是4-20mA电流或0-5V的电压。为了能够将温室大棚现场中的各种传感器数据采集上来并且在上位机上显示，需要开发数据采集模块，该数据采集模块必须具备高抗干扰性，硬件上可以添加一定数量的能够控制电机，电磁阀等开关量器件的控制电路。软件上选用稳定性更好的java语言进行开发。根据需要分析，总体设计将详细介绍数据采集系统的原理和功能。

4.总体设计

4.1 处理流程

本系统采用T1超低功耗微处理器MSP430F149单片机实现与各个模块之间通信，物联网环境监测数据中心主要由服务器控制中心，客户端采集中心，树莓派系统，各种环境传感器组成，详细的结构图如图4.1所示。
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					图4.1 物联网环境监测数据中心结构框架图

物联网环境监测数据系统连接示意图如图4.2所示，服务器控制中心通过socket与客户端采集中心相连；客户端采集中心通过tcp/ip协议向树莓派系统发送相关控制命令；树莓派与各种环境传感器之间通过ZigBee网络进行通信。在整个系统实际运行时，工作数据流按照相关控制命令自上而下和采集到的环境数据按照自下而上两种方式进行数据或控制命令的传输。

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					图4.2物联网环境监测数据中心结构图

数据采集系统自上而下的控制命令传输过程如下：数据采集中心通过http网络向树莓派终端发送相关的控制命令，树莓派接受到控制命令后按照事先定制的协议对其进行解析，解析通过ZigBee网络按照控制命令字执行相应的操作。自上而下传输的流程如图4.3所示。
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						图4.3自上而下发送命令

数据采集系统自下而上的数据传输过程：各种传感器进行数据采集,然后将采集到的信息按照执行的协议规则打包，将打包后的数据帧通过ZigBee网络传送到树莓派，树莓派终端通过http网络将数据发送到数据采集中心，数据采集中心再对数据帧进行解析，将发送过来的数据转换为相应的数值在上位机上显示。自下而上的数据传输流程如图4.4。
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					    图4.4自下而上数据传输流程

4.2 功能分配

该系统分为两部分：客户端服务器。客户端实现环境数据的采集并无线传输，服务器则对客户端上传的数据通过数据库进行保存并实现对多客户的并发服务。具体功能如下：
（1）客户端具备环境的温度，湿度，二氧化碳，光照强度采集功能。
（2）客户端具有颗粒物检测功能。
（3）客户端具有地理信息标识功能（GPS定位功能）。
（4）客户端具有无线网络传输功能。
（5）服务器是基TCP协议的并发服务器，应用多线程编程技术以实现多客户并发访问功能。
（6）服务器将接受到的环境数据分批保存到数据库对应的表中
在客户机/服务器模式的系统中，存在大量的客户机，而服务器的数量视根据实际需要而定（一个或多个），在该设计中一个服务器并发服务多个客户机，在实际应用时多个客户机分布在一个大区域的不同角落，各个客户机应使用 GPS 模块标识自己的地理位置信息，同时，客户机将所采集的环境数据通过移动公网接入 Internet 上传到数据服务器，服务器接受的数据较多，可以使用批处理技术将获取的数据保存到数据库对应的表中。

4.3 详细设计

应用嵌入式技术与无线网络通信技术相结合，设计了客户机（client）/服务器(server)架构下的物联网数据监测数据中心系统。该系统分为两部分：客户端与服务器；客户端，即终端通过光照强度、温度传感器、湿度传感器、二氧化物传感器对环境数据进行定时采集，并使用移动无线通信技术将数据上传到服务器，同时为了便于直观的感受区域点的实时环境状信息，应用java技术对环境数据进行封装并上传至服务器，服务器接收相关数据并分批存储到oracle数据库。该系统可以在大区域内实现长时间的、动态的、区域化的多点检测；同时该系统也可以作为大数据时代下的重要数据来源，通过对相关气象数据进行建模统计，以掌握相关指标的发展趋势，对环境信息发布及预测具有重要的指导意义。系统详细流程如图4.5
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						图4.5 系统的框架结构

客户端：负责采集温度,湿度,二氧化碳,光照强度产生的数据信息分为5个模块
（1）配置模块
（2）日志模块
（3）采集模块
（4）备份模块
（5）网络模块
服务器：负责接受数据并且将数据批处理入数据库对应的表中，分为6个模块。详细流程如图4.6
（1）配置模块
（2）日志模块
（3）入库模块
（4）备份模块
（5）网络模块
（6）管理员登录模块
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