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基于Android和智能傳感技術(shù)的溫室管理系統(tǒng)

來(lái)源：微型機(jī)與應(yīng)用2014年第8期

彭選榮，葉廷東，王敏，林育彬，傅錦文

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，廣東廣州510300）

摘要： 提出了基于Android和智能傳感技術(shù)的溫室管理系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建底層WSN，利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)程傳輸，支持桌面版、Web版、移動(dòng)終端版管理模式。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集溫室環(huán)境參數(shù)，根據(jù)預(yù)設(shè)作物生長(zhǎng)周期需求自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，通過(guò)本地服務(wù)器、遠(yuǎn)程PC和智能手機(jī)3種方式進(jìn)行操作管理。

關(guān)鍵詞： 軟件物聯(lián)網(wǎng) Android WSN ZigBee

Abstract：

Key words :

    隨著信息化逐步推進(jìn)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)等信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益增強(qiáng)。如何將先進(jìn)的傳感、通信和數(shù)據(jù)處理等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，構(gòu)建智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，通過(guò)感知技術(shù)獲取更多的信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)共享獲得更多的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)服務(wù)，從而提高精細(xì)農(nóng)業(yè)科學(xué)決策水平和作業(yè)實(shí)施水平[1-2]，是當(dāng)前科技工作人員研究的重要課題。
   本文針對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域需要控制管理系統(tǒng)低成本、低功耗、高智能化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于Android平臺(tái)和智能傳感技術(shù)的溫室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將傳感器與微處理器整合為智能傳感節(jié)點(diǎn)，具有信息采集、處理、通信功能，同時(shí)將控制設(shè)備與微處理器整合為智能控制節(jié)點(diǎn)，利用ZigBee技術(shù)將多個(gè)智能傳感節(jié)點(diǎn)、智能控制節(jié)點(diǎn)等構(gòu)建底層無(wú)線傳感網(wǎng)WSN（Wireless Sensor Network）[3-6]，開(kāi)發(fā)了PC端桌面版管理軟件、Web版管理軟件和基于Android的移動(dòng)終端管理軟件，可以實(shí)現(xiàn)溫室信息的無(wú)線采集與傳輸、信息保存與分析處理以及溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)控制。用戶不必局限于在監(jiān)控中心才能查看信息并進(jìn)行操作管理，也可以遠(yuǎn)程通過(guò)智能手機(jī)或電腦登錄系統(tǒng)進(jìn)行操作管理。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
   本文所設(shè)計(jì)的智能溫室管理系統(tǒng)按位置布局可分為溫室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心兩部分。溫室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)包括智能傳感節(jié)點(diǎn)、智能控制節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、GPRS模塊。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心包括PC、信息管理系統(tǒng)軟件、移動(dòng)控制終端（智能手機(jī)及配套控制軟件）。利用GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)載體，為上層應(yīng)用和底層設(shè)備進(jìn)行信息交互提供遠(yuǎn)程傳輸通道。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
2.1 溫室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)
CC2530芯片內(nèi)含一個(gè)單周期的高性能低功耗8051兼容內(nèi)核和一個(gè)兼容2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)器，具有極高的靈敏度和抗干擾性能，有多種運(yùn)行模式，特別適合于超低功耗需求的系統(tǒng)應(yīng)用。根據(jù)本系統(tǒng)低成本、低功耗、靈活布局的需求，確定CC2530作為溫室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器主控芯片。
智能傳感節(jié)點(diǎn)由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與溫度、濕度、光照等傳感器相連，智能控制節(jié)點(diǎn)由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與風(fēng)機(jī)、電磁閥、加熱器、卷簾機(jī)等控制設(shè)備相連。協(xié)調(diào)器與GPRS模塊通過(guò)串行接口相連，如圖2所示。GPRS模塊核心部件為Simcom公司的SIM300模塊。SIM300具有低功耗設(shè)計(jì)，休眠模式下電流消耗只有2.5 mA；內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴(kuò)展了TCP/IP AT指令，便于用戶使用該模塊開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。

2.2 溫室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)
2.2.1 ZigBee無(wú)線組網(wǎng)流程
組建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)步驟[4-5]。協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)、獲得終端節(jié)點(diǎn)加入后，定時(shí)輪詢智能傳感節(jié)點(diǎn)，將采集到的溫度、濕度、光照參數(shù)通過(guò)串口通信傳遞給GPRS模塊，再經(jīng)GPRS模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。同時(shí)協(xié)調(diào)器通過(guò)串口獲取GPRS模塊收到的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心指令。
2.2.2 終端節(jié)點(diǎn)工作流程
本文設(shè)計(jì)傳感器與控制設(shè)備分離，便于各組傳感節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)靈活布局，增強(qiáng)系統(tǒng)可維護(hù)性。為了避免無(wú)線模塊長(zhǎng)時(shí)間脫離網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了心跳包檢測(cè)程序，測(cè)試異常則自動(dòng)重啟本節(jié)點(diǎn)并重新申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

    控制節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的指令喚醒后，解析指令內(nèi)容，確定對(duì)風(fēng)機(jī)、電磁閥、加熱器、卷簾機(jī)等控制設(shè)備的操作。
2.2.3 GPRS通信
   GPRS模式負(fù)責(zé)底層設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心PC之間的信息交互。監(jiān)控中心PC部署為服務(wù)器，具有公網(wǎng)IP，GPRS模塊作為客戶端，與監(jiān)控中心服務(wù)器之間建立一個(gè)TCP/UDP連接，然后實(shí)現(xiàn)設(shè)備層與監(jiān)控中心PC的TCP/UDP數(shù)據(jù)傳輸。
2.3 監(jiān)控中心信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
      監(jiān)控中心智能溫室信息管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2.3.1 桌面版管理軟件
      桌面版管理軟件通過(guò)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與GPRS模塊進(jìn)行信息交互，將收到的信息分析處理后寫入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)農(nóng)業(yè)專家預(yù)設(shè)策略或操作人員指令生成控制指令發(fā)送給GPRS模塊。為了協(xié)調(diào)Web版管理軟件的數(shù)據(jù)收發(fā)，桌面版管理軟件不直接與GPRS模塊通信，而是利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，避免硬件資源沖突。桌面版管理界面如圖5所示。

2.3.2 Web版管理軟件
   Web版管理軟件主要實(shí)現(xiàn)一個(gè)B/S方式的Web服務(wù)器[7]。Web版管理軟件與基于Android平臺(tái)的移動(dòng)終端管理軟件利用Webservice技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息交互。Webservice是一種跨編程語(yǔ)言和跨操作系統(tǒng)平臺(tái)的遠(yuǎn)程調(diào)用技術(shù)。移動(dòng)終端要訪問(wèn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，需向Web服務(wù)器提出請(qǐng)求，服務(wù)器根據(jù)請(qǐng)求生成訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的SQI語(yǔ)句并執(zhí)行，將結(jié)果封裝成特定格式并返回給移動(dòng)終端，移動(dòng)終端得到響應(yīng)后將結(jié)果展示在相應(yīng)界面上，如圖6所示。
   服務(wù)器端Web版管理軟件提供Web服務(wù)，部分核心代碼如下：
   using System.Web;
   using System.Web.Services;
   [WebService(Namespace = "http://119.35.171.107/")]
   [WebServiceBinding(ConformsTo=WsiProfiles.BasicProfile1_1)]
   public class agrwebservice：System.Web.Services.WebService {
        ……
        #region//獲取溫度、濕度、光照等傳感器數(shù)據(jù)
        [WebMethod]
        public string[] getthidata()
        {   object[] objarr = bd.getthidata();
            .......    }
        #endregion
        #region//傳送指令控制1號(hào)田塊1號(hào)風(fēng)機(jī)開(kāi)啟
        [WebMethod]
        public int fanmOpen()
        {   ……
            return BS.sendcommands("55B10111B4AA",
"風(fēng)機(jī)開(kāi)");    }
        #endregion
        ......
   }
2.3.3 基于Android的移動(dòng)終端管理軟件
   Android被譽(yù)為“第一個(gè)完整、開(kāi)放且免費(fèi)的移動(dòng)平臺(tái)”，開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)獲得了前所未有的訪問(wèn)手機(jī)設(shè)備的權(quán)限[8]。Android 軟件開(kāi)發(fā)包SDK（Software Development Kit）提供了豐富的類庫(kù)，便于開(kāi)發(fā)人員在此基礎(chǔ)上更高效地開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用。不過(guò)在Android SDK 中并沒(méi)有提供調(diào)用Web Services的庫(kù)，為了實(shí)現(xiàn)在Android 平臺(tái)上訪問(wèn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，本系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)移動(dòng)終端管理軟件時(shí)加載了第三方類庫(kù)ksoap2，獲取部署在監(jiān)控中心的Web服務(wù)器的Webservice調(diào)用。移動(dòng)終端管理界面如圖7所示。
3 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試
   為了測(cè)試系統(tǒng)整體運(yùn)行效果，選取農(nóng)科院實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，配置3組無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)采集溫度、濕度、光照參數(shù)，配置2組無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、噴水灌溉電磁閥、加熱器、卷簾門，運(yùn)行界面見(jiàn)圖5～圖7所示。在系統(tǒng)界面設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)上下限閾值后，選擇進(jìn)入自動(dòng)模式，系統(tǒng)進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，各設(shè)備運(yùn)行良好。

農(nóng)業(yè)信息化前沿技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用對(duì)于發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提升農(nóng)業(yè)整體素質(zhì)，創(chuàng)新農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式，都具有重大而積極的意義。本系統(tǒng)充分利用先進(jìn)的通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，研發(fā)集數(shù)據(jù)采集、分析、決策于一體的智能溫室管理系統(tǒng)。底層設(shè)備采用ZigBee無(wú)線組網(wǎng)，既節(jié)能低耗，又能夠根據(jù)農(nóng)田面積靈活增加節(jié)點(diǎn)模塊，避免復(fù)雜布線，降低系統(tǒng)維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本。上層管理系統(tǒng)提供桌面版、Web管理版、移動(dòng)終端版管理模式，界面簡(jiǎn)單直觀，便于用戶隨時(shí)隨地查看信息操作管理。本系統(tǒng)可提高設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)力投入，并具有易部署、易維護(hù)、成本低、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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