第一章 绪论
1.1 背景
1.1.1 果园环境监测及报警现状
近年来，我国水果产业发展迅速，水果产量跃居世界第一。我国水果产业已成为农业的重要组成部分，影响着数百万果农的切身利益。最近几年来，利用物联网开展精细农业生产和果品质量管理已成为一个日渐重要的发展方向，以传感器监测、信息融合传输和物联网应用等多种技术为载体，通过在农业生产基地中构建监测网络，实现农业生态环境的自动监测，这是实现生产过程的智能化控制的基础，也是实现农业科学化管理的重要保障。
水果的生长状态受各种气候和环境因素的制约和影响，在大面积和区域化的果园中跟踪和收集果树生长相关的多种基础环境信息，都会面临着收集环境信息复杂性高、管理与处理信息效率低下以及投资成本持续增加等问题。现阶段下，受到果园复杂的气候及环境因素的制约，目前果园监测方式虽然已经部分已经基于传感器设备。但传统的果园环境监测方式具有随机性，缺少一定的稳定性和实时性，监测数据也没有一个集中的平台管理，查看不便捷，并且报警功能更多是依赖传感器本身（传感器自带蜂鸣器），由于果园有开阔、无人值守的特点，报警的范围有限、实时性不强，对于自然灾害的提前预防实用性不强。因此，在物联网和通信技术日益发展迅速的今天，需要一种更实时、更有实用性的方法来实现果园多种环境监测数据的实时监测与报警，这对实现果园的信息化管理，及早应对极端天气带来的不利影响有着重要意义。
1.1.2 果园监测报警的必要性
“互联网+农业”是现代农业发展的主流模式，农业环境监测则是现代农业的重要研究领域之一，它将农业生产方式从传统的粗粒度转变为细粒度作业，在传统农业的现代化中发挥了积极的指导与推动[1-3]。综合运用物联网、传感器和现代通信技术，实现农业生产的数字化监测，是在现阶段下迅速改变传统农业监测方式局限性行之有效的方法，可以有效降低农业基础环境信息的采集成本，提高生产效率，增加产量[4,5]。现代农业环境监测模式可以收集到与农作物生长相关的多种主要的基础环境因素，基于各种优质类型的传感器设备，可以准确、快速的采集农业环境信息，实现种植区域的全天候监测，且基于收集到的环境信息对作物生长趋势的分析上有着很高的应用价值，可促进精准农业的发展[6,7]。
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第三章 基于 4G 果园环境监测数据实时上传的实现 ............................................. 12“互联网+农业”是现代农业发展的主流模式，农业环境监测则是现代农业的重要研究领域之一，它将农业生产方式从传统的粗粒度转变为细粒度作业，在传统农业的现代化中发挥了积极的指导与推动[1-3]。综合运用物联网、传感器和现代通信技术，实现农业生产的数字化监测，是在现阶段下迅速改变传统农业监测方式局限性行之有效的方法，可以有效降低农业基础环境信息的采集成本，提高生产效率，增加产量[4,5]。现代农业环境监测模式可以收集到与农作物生长相关的多种主要的基础环境因素，基于各种优质类型的传感器设备，可以准确、快速的采集农业环境信息，实现种植区域的全天候监测，且基于收集到的环境信息对作物生长趋势的分析上有着很高的应用价值，可促进精准农业的发展[6,7]。
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1.2 研究目的和意义
要实现果园果树的高产稳产，需要符合果树的萌芽、新梢生长期、果实膨大期等不同生长周期阶段内对温度，湿度，水分，CO2等各个环境要素的要求，因此，基于“互联网+农业”的现代化农业生产模式，将传感器节点布置在范围广阔的果园中，以便快速、精确采集果树生长相关的多种气候环境因素，例如光照、湿度等环境信息，实时上传至监测与报警中心存储下来，这就实现了环境信息的自动采集，为专业人员进行环境数据分析提供数据支撑，提高了果园生产与管理效率，实现果园种植的现代化、精细化管理[9-11]，利用物联网技术，可将果园的生态环境实时监测并上传到控制台供随时查看，并能及时监测到恶劣天气并发出报警通知到手机端，最大限度提早采取措施，减少极端气候条件（如近年来频发的晚霜天气）对果园带来的损失、也可以为果园精准调控提供科学依据，达到提高经济效益的目的。
要实现果园果树的高产稳产，需要符合果树的萌芽、新梢生长期、果实膨大期等不同生长周期阶段内对温度，湿度，水分，CO2等各个环境要素的要求，因此，基于“互联网+农业”的现代化农业生产模式，将传感器节点布置在范围广阔的果园中，以便快速、精确采集果树生长相关的多种气候环境因素，例如光照、湿度等环境信息，实时上传至监测与报警中心存储下来，这就实现了环境信息的自动采集，为专业人员进行环境数据分析提供数据支撑，提高了果园生产与管理效率，实现果园种植的现代化、精细化管理[9-11]，利用物联网技术，可将果园的生态环境实时监测并上传到控制台供随时查看，并能及时监测到恶劣天气并发出报警通知到手机端，最大限度提早采取措施，减少极端气候条件（如近年来频发的晚霜天气）对果园带来的损失、也可以为果园精准调控提供科学依据，达到提高经济效益的目的。
本课题采用物联网硬件传感器、无线通信技术，研究开发一个基于 4G 通讯网络的果园环境监测与报警系统。系统选择温度、湿度、光照等多种传感器构建果园气候环境监测网络，采集果园生态环境数据，并将采集到的数据实时的发送并存储到服务器端，采用 Web 应用方式为果农用户、果园专家、管理员等多种用户提供多种环境监测与报警服务，实现对果树种植环境的实时监测与报警。研究与开发果园环境监测与报警系统，实际意义主要概括为三点：
(1) 基于物联网传感器节点、无线通信技术、数据收集分析应用管理平台，果园环境监测系统可以实现果园气候环境数据的自动精准采集，提高果园生产管理效率，降低果园成本。
(1) 基于物联网传感器节点、无线通信技术、数据收集分析应用管理平台，果园环境监测系统可以实现果园气候环境数据的自动精准采集，提高果园生产管理效率，降低果园成本。
(2) 通过对温度、湿度、光照等多种环境数据的采集，长期跟踪监测果园中果树的生长环境状况。并数据可视化展示，方便农场主及果园专家对果树生长状况做出分析判断，以达到对果树种植管理中出现的异常情况进行预防的目的。
(3) 研究开发果园环境监测与报警系统，实现对果园环境的实时监测，并根据果园不同生长时期设置温度、湿度、光照等环境要素的报警阈值，一旦超过或低于阈值将触发报警机制，实时将报警信息发送至相关人员，提醒管理人员及早采取应对措施。
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第二章 监测与报警系统架构设计
2.1 系统概述
2.2 系统总体架构
通过以上小节对果园环境监测与报警系统的分析概述，从底层到顶层可将整个系统总体结构划分如下：数据采集层、服务层、应用层，分层结构如 2-2 所示。
(3) 研究开发果园环境监测与报警系统，实现对果园环境的实时监测，并根据果园不同生长时期设置温度、湿度、光照等环境要素的报警阈值，一旦超过或低于阈值将触发报警机制，实时将报警信息发送至相关人员，提醒管理人员及早采取应对措施。
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第二章 监测与报警系统架构设计
2.1 系统概述
果园的产量及果品的品质与果树生长周期各个阶段的气候环境有很大关系，这些环境因素对果树的正常生长有着关键的作用。因此，为达到高产优质的目标，也为了提升果园的日常管理效率，最大程度的解放劳动力，对这些影响果园健康生长的诸如温度、湿度、光照等重要小气候环境因素进行及时、准确、持续的监测与综合运用有着重要意义。
目前，对于非露天的环境（如温室大棚等）进行监测与控制已有很多成熟案例可供参考，这些安装在温室大棚内的传感器可对周围环境进行持续监测，有些也可通过有线、无线传输到本地管理中心储存，进而服务于监测与报警，但报警方式也基本上是传感器本身通过蜂鸣器发出报警。而对于日常无人值守（尤其是夜晚）的果园环境，由于面积广大，传感器部署较多，有线网络无法满足以外，一旦环境因素发生恶劣变化，并不能及时将报警信息通知到农场主。本文针对这一种实际应用情景，研究并开发了一个基于 4G 的果园环境监测与报警系统，根据果园中安装的环境监测传感器将收集到的温度、湿度、光照、土壤酸碱值等数据准实时上传到云平台的数据库，再由环境监测与报警平台加以展示这些数据，用户可以随时随地查看环境数据，并且加入了报警功能，可自定义各种环境因素阈值的报警，这样可及时，方便的通知到相关人员。整个系统的拓扑结构如下图：
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通过以上小节对果园环境监测与报警系统的分析概述，从底层到顶层可将整个系统总体结构划分如下：数据采集层、服务层、应用层，分层结构如 2-2 所示。
（1） 数据采集模块：由各种果园部署的环境监测传感器组成，本文采用的环境传感器是多功能合一体的，可同时监测温度、湿度、光照等环境信息，通过对传感器的初始化设置，配置其工作模式，如本地模式为只存储数据不长传数据，本地+上传模式既可以本地存储数据不上传也可以上传数据的同时设备也保留一份数据，配置上传服务器地址、上传数据格式及精度等。
（2） 数据服务：主要接受环境监测传感器上传的数据，以固定格式保存至云平台数据库中，本文使用 AWS（亚马逊）EC2 云平台产品，后端应用服务端同时也可以接受应用层的数据请求，如可视化展示时可将数据库中的环境信息经过查询后返回给应用层展示
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3.1 设备选取及申请云平台 .................................. 12
3.2 设备上传数据配置 ....................................... 12
3.3 云平台数据库建表 ...................................... 13
第四章 果园环境监测与报警系统概要设计................................ 15
4.1 系统概述 ........................................ 15
4.2 系统功能设计 .......................................... 15
第五章 果园环境监测与报警系统详细设计与实现............................. 19
5.1 总体实现架构设计 ................................ 19
5.2 用户管理模块 .............................. 19
第六章 系统测试
6.1 测试环境
本文服务器使用的是亚马逊云平台入门级产品 Amazon EC2，资源配置有限，本章主要从果园环境监测数据上传稳定性和报警短信的及时性两个方面测试系统的整体情况。服务器端测试环境具体配置如：
（1）操作系统：Windows Server 2019
（2）应用服务器：apache-tomcat-7.0.67
（3）数据库：mysql-5.7.26
（1）果园环境监测数据传传稳定性测试
设置环境监测设备每隔 1 分钟、3 分钟、5 分钟、10 分钟上传环境数据，并在每种上传时间下连续跟踪 100 条数据，是否按时上传至数据库，以测试数据实时性，评判指标为上传率，即实际上传条数/预期上传条数。
（2）实时报警短信及时性测试
以温度环境监测数据为例，设置报警频率分别为 30 秒、1 分钟、3 分钟、5分钟，并设置报警阈值为较低值（如-10）以保证每一种报警频率下都能满足报警条件，即发送报警短信条件满足，并设置报警暂停窗口为 0，即设置为只要报警条件就一直报警并且发送短信，并不设置报警暂停窗口，在此基础上连续报警10 次，考察是否短信可以及时发送至收件人，例如对于报警频率为 30 秒来说，
连续报警 10 次，即是否能在 3 分钟之内收到 10 条短信。
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全文总结
1 结论
本课题从果园的实际情况出发，针对果园露天环境，有线网络布线存在短板及经常无人值守的情况，利用基于物联网技术的环境监测设备，很好的解决了对果园环境小气候的实时监控，并在此基础上加入了报警功能，可及时的将报警信息发送至相关人，在果园遭遇罕见气候灾害时，可以提早采取措施，将影响减少到最小，论文的主要工作结论如下：
（1）论文首先进行研究了系统的总体架构，从底层到顶层可将整个系统总体结构划分如下：数据采集层、服务层、应用层。剖析了整体系统的结构，为下一步系统的分步骤、分模块实现提供依据。并介绍了系统开发相关的产品和技术，技术可行性得到了保证。
1 结论
本课题从果园的实际情况出发，针对果园露天环境，有线网络布线存在短板及经常无人值守的情况，利用基于物联网技术的环境监测设备，很好的解决了对果园环境小气候的实时监控，并在此基础上加入了报警功能，可及时的将报警信息发送至相关人，在果园遭遇罕见气候灾害时，可以提早采取措施，将影响减少到最小，论文的主要工作结论如下：
（1）论文首先进行研究了系统的总体架构，从底层到顶层可将整个系统总体结构划分如下：数据采集层、服务层、应用层。剖析了整体系统的结构，为下一步系统的分步骤、分模块实现提供依据。并介绍了系统开发相关的产品和技术，技术可行性得到了保证。
（2）利用亚马逊 Amazon EC2 云平台，并基于 4G 通信网络将环境监测数据实现实时上传，并保存至数据库中，完成了数据采集层的主要工作，为接下来的实时报警做铺垫，接着又进行了果园环境监测与报警系统的概要设计以及系统功能设计，按照软件工程的思想，把整个系统划分了用户管理模块、数据可视化模块及实时报警三大模块，经测试，实时上传结果符合预期。
（3）以 JAVA WEB 技术为基础，采取面向对象的开发方式，以 Eclipse 为开发工具，MySQL 为服务器数据库，JAVA 为软件开发语言进行开发实现，将用户管理模块、数据可视化模块按照用户访问层、业务逻辑层、数据处理层的分层实现的思路进行了具体功能实现，实时报警模块利用了多线程技术实现，并对主要功能进行了演示，每个模块的核心代码进行了展示。最后对果园环境监测数据实时上传的稳定性及报警的及时性做了测试。系统经过测试，基本符合最初设计要求。在以后实时报警方面基本可以满足需求，可在生产中进行推广。
参考文献（略）