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基于Android和智能傳感技術的溫室管理系統(tǒng)

來源：微型機與應用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)技術學院計算機系，廣東廣州510300）

摘要： 提出了基于Android和智能傳感技術的溫室管理系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)采用ZigBee技術構建底層WSN，利用移動通信網絡和互聯網實現信息遠程傳輸，支持桌面版、Web版、移動終端版管理模式。實驗表明，該系統(tǒng)可實時采集溫室環(huán)境參數，根據預設作物生長周期需求自動調節(jié)環(huán)境參數，通過本地服務器、遠程PC和智能手機3種方式進行操作管理。

關鍵詞： 軟件物聯網 Android WSN ZigBee

Abstract：

Key words :

    隨著信息化逐步推進，計算機技術、通信技術、傳感技術等信息技術在農業(yè)領域的應用日益增強。如何將先進的傳感、通信和數據處理等物聯網技術應用于農業(yè)領域，構建智能農業(yè)系統(tǒng)，通過感知技術獲取更多的信息，通過網絡的互聯共享獲得更多的網絡實時服務，從而提高精細農業(yè)科學決策水平和作業(yè)實施水平[1-2]，是當前科技工作人員研究的重要課題。
   本文針對農業(yè)領域需要控制管理系統(tǒng)低成本、低功耗、高智能化的特點，設計了一套基于Android平臺和智能傳感技術的溫室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將傳感器與微處理器整合為智能傳感節(jié)點，具有信息采集、處理、通信功能，同時將控制設備與微處理器整合為智能控制節(jié)點，利用ZigBee技術將多個智能傳感節(jié)點、智能控制節(jié)點等構建底層無線傳感網WSN（Wireless Sensor Network）[3-6]，開發(fā)了PC端桌面版管理軟件、Web版管理軟件和基于Android的移動終端管理軟件，可以實現溫室信息的無線采集與傳輸、信息保存與分析處理以及溫室環(huán)境參數的自動控制。用戶不必局限于在監(jiān)控中心才能查看信息并進行操作管理，也可以遠程通過智能手機或電腦登錄系統(tǒng)進行操作管理。
1 系統(tǒng)設計
   本文所設計的智能溫室管理系統(tǒng)按位置布局可分為溫室監(jiān)控網絡和遠程監(jiān)控管理中心兩部分。溫室監(jiān)控網絡包括智能傳感節(jié)點、智能控制節(jié)點、協調器、GPRS模塊。遠程監(jiān)控中心包括PC、信息管理系統(tǒng)軟件、移動控制終端（智能手機及配套控制軟件）。利用GPRS移動通信網絡和互聯網作為通信網絡載體，為上層應用和底層設備進行信息交互提供遠程傳輸通道。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)實現
2.1 溫室監(jiān)控網絡硬件設計
CC2530芯片內含一個單周期的高性能低功耗8051兼容內核和一個兼容2.4 GHz IEEE 802.15.4標準的無線收發(fā)器，具有極高的靈敏度和抗干擾性能，有多種運行模式，特別適合于超低功耗需求的系統(tǒng)應用。根據本系統(tǒng)低成本、低功耗、靈活布局的需求，確定CC2530作為溫室監(jiān)控網絡ZigBee終端節(jié)點和協調器主控芯片。
智能傳感節(jié)點由ZigBee終端節(jié)點與溫度、濕度、光照等傳感器相連，智能控制節(jié)點由ZigBee終端節(jié)點與風機、電磁閥、加熱器、卷簾機等控制設備相連。協調器與GPRS模塊通過串行接口相連，如圖2所示。GPRS模塊核心部件為Simcom公司的SIM300模塊。SIM300具有低功耗設計，休眠模式下電流消耗只有2.5 mA；內部集成了TCP/IP協議棧，并且擴展了TCP/IP AT指令，便于用戶使用該模塊開發(fā)數據傳輸應用。

2.2 溫室監(jiān)控網絡軟件設計
2.2.1 ZigBee無線組網流程
組建一個ZigBee網絡包括網絡初始化和節(jié)點加入網絡兩個步驟[4-5]。協調器組建網絡、獲得終端節(jié)點加入后，定時輪詢智能傳感節(jié)點，將采集到的溫度、濕度、光照參數通過串口通信傳遞給GPRS模塊，再經GPRS模塊發(fā)送給遠程監(jiān)控中心。同時協調器通過串口獲取GPRS模塊收到的遠程監(jiān)控中心指令。
2.2.2 終端節(jié)點工作流程
本文設計傳感器與控制設備分離，便于各組傳感節(jié)點和控制節(jié)點靈活布局，增強系統(tǒng)可維護性。為了避免無線模塊長時間脫離網絡，設計了心跳包檢測程序，測試異常則自動重啟本節(jié)點并重新申請加入網絡，如圖3所示。

    控制節(jié)點加入網絡后，平時處于休眠狀態(tài)，收到協調器發(fā)送的指令喚醒后，解析指令內容，確定對風機、電磁閥、加熱器、卷簾機等控制設備的操作。
2.2.3 GPRS通信
   GPRS模式負責底層設備與遠程監(jiān)控中心PC之間的信息交互。監(jiān)控中心PC部署為服務器，具有公網IP，GPRS模塊作為客戶端，與監(jiān)控中心服務器之間建立一個TCP/UDP連接，然后實現設備層與監(jiān)控中心PC的TCP/UDP數據傳輸。
2.3 監(jiān)控中心信息管理系統(tǒng)設計
      監(jiān)控中心智能溫室信息管理系統(tǒng)軟件結構如圖4所示。
2.3.1 桌面版管理軟件
      桌面版管理軟件通過數據收發(fā)模塊與GPRS模塊進行信息交互，將收到的信息分析處理后寫入后臺數據庫，根據農業(yè)專家預設策略或操作人員指令生成控制指令發(fā)送給GPRS模塊。為了協調Web版管理軟件的數據收發(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實現信息存儲轉發(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版管理軟件主要實現一個B/S方式的Web服務器[7]。Web版管理軟件與基于Android平臺的移動終端管理軟件利用Webservice技術實現信息交互。Webservice是一種跨編程語言和跨操作系統(tǒng)平臺的遠程調用技術。移動終端要訪問遠程數據庫，需向Web服務器提出請求，服務器根據請求生成訪問數據庫的SQI語句并執(zhí)行，將結果封裝成特定格式并返回給移動終端，移動終端得到響應后將結果展示在相應界面上，如圖6所示。
   服務器端Web版管理軟件提供Web服務，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、光照等傳感器數據
        [WebMethod]
        public string[] getthidata()
        {   object[] objarr = bd.getthidata();
            .......    }
        #endregion
        #region//傳送指令控制1號田塊1號風機開啟
        [WebMethod]
        public int fanmOpen()
        {   ……
            return BS.sendcommands("55B10111B4AA",
"風機開");    }
        #endregion
        ......
   }
2.3.3 基于Android的移動終端管理軟件
   Android被譽為“第一個完整、開放且免費的移動平臺”，開發(fā)人員在開發(fā)應用程序時獲得了前所未有的訪問手機設備的權限[8]。Android 軟件開發(fā)包SDK（Software Development Kit）提供了豐富的類庫，便于開發(fā)人員在此基礎上更高效地開發(fā)各種應用。不過在Android SDK 中并沒有提供調用Web Services的庫，為了實現在Android 平臺上訪問遠程數據庫，本系統(tǒng)在開發(fā)移動終端管理軟件時加載了第三方類庫ksoap2，獲取部署在監(jiān)控中心的Web服務器的Webservice調用。移動終端管理界面如圖7所示。
3 系統(tǒng)運行測試
   為了測試系統(tǒng)整體運行效果，選取農科院實驗場地，配置3組無線傳感節(jié)點采集溫度、濕度、光照參數，配置2組無線控制節(jié)點驅動風機、噴水灌溉電磁閥、加熱器、卷簾門，運行界面見圖5～圖7所示。在系統(tǒng)界面設置好各項參數上下限閾值后，選擇進入自動模式，系統(tǒng)進入全自動運行狀態(tài)，各設備運行良好。

農業(yè)信息化前沿技術的研發(fā)與應用對于發(fā)展現代農業(yè)，優(yōu)化農業(yè)產業(yè)結構，提升農業(yè)整體素質，創(chuàng)新農業(yè)經營模式，都具有重大而積極的意義。本系統(tǒng)充分利用先進的通信技術與計算機技術，研發(fā)集數據采集、分析、決策于一體的智能溫室管理系統(tǒng)。底層設備采用ZigBee無線組網，既節(jié)能低耗，又能夠根據農田面積靈活增加節(jié)點模塊，避免復雜布線，降低系統(tǒng)維護運營成本。上層管理系統(tǒng)提供桌面版、Web管理版、移動終端版管理模式，界面簡單直觀，便于用戶隨時隨地查看信息操作管理。本系統(tǒng)可提高設施農業(yè)生產效率、降低勞動力投入，并具有易部署、易維護、成本低、通用性強等特點，具有廣闊的應用前景。
參考文獻
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