基于Android和智能傳感技術的溫室管理系統(tǒng)-AET-電子技術應用

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(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)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(shù)，根據(jù)預設作物生長周期需求自動調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，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(lián)網(wǎng) 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(nóng)業(yè)領域的應用日益增強。如何將先進的傳感、通信和數(shù)據(jù)處理等物聯(lián)網(wǎng)技術應用于農(nóng)業(yè)領域，構建智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，通過感知技術獲取更多的信息，通過網(wǎng)絡的互聯(lián)共享獲得更多的網(wǎng)絡實時服務，從而提高精細農(nóng)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(nóng)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(wǎng)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(xiàn)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(shù)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(wǎng)絡和遠程監(jiān)控管理中心兩部分。溫室監(jiān)控網(wǎng)絡包括智能傳感節(jié)點、智能控制節(jié)點、協(xié)調(diào)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(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)作為通信網(wǎng)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(jié)構如圖1所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1 溫室監(jiān)控網(wǎng)絡硬件設計
CC2530芯片內(nèi)含一個單周期的高性能低功耗8051兼容內(nèi)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(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ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)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(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)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(shù)據(jù)傳輸應用。

2.2 溫室監(jiān)控網(wǎng)絡軟件設計
2.2.1 ZigBee無線組網(wǎng)流程
組建一個ZigBee網(wǎng)絡包括網(wǎng)絡初始化和節(jié)點加入網(wǎng)絡兩個步驟[4-5]。協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)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(shù)通過串口通信傳遞給GPRS模塊，再經(jīng)GPRS模塊發(fā)送給遠程監(jiān)控中心。同時協(xié)調(diào)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(wǎng)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(wǎng)絡，如圖3所示。

    控制節(jié)點加入網(wǎng)絡后，平時處于休眠狀態(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(wǎng)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(xiàn)設備層與監(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)設計
      監(jiān)控中心智能溫室信息管理系統(tǒng)軟件結(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫，根據(jù)農(nóng)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(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實現(xiàn)信息存儲轉(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版管理軟件主要實現(xiàn)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(xiàn)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(diào)用技術。移動終端要訪問遠程數(shù)據(jù)庫，需向Web服務器提出請求，服務器根據(jù)請求生成訪問數(shù)據(jù)庫的SQI語句并執(zhí)行，將結(jié)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(jié)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(shù)據(jù)
        [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(diào)用Web Services的庫，為了實現(xiàn)在Android 平臺上訪問遠程數(shù)據(jù)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(diào)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(nóng)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(shù)，配置2組無線控制節(jié)點驅(qū)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(shù)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(nóng)業(yè)信息化前沿技術的研發(fā)與應用對于發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構，提升農(nóng)業(yè)整體素質(zhì)，創(chuàng)新農(nóng)業(yè)經(jīng)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(shù)據(jù)采集、分析、決策于一體的智能溫室管理系統(tǒng)。底層設備采用ZigBee無線組網(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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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
[1] International Telecommunication Union.Internet reports 2005：the Internet of Things[R].Geneva：ITU，2005.
[2] 趙麗.淺議物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領域的應用及關鍵技術要求[J].電信科學，2011(10A)：71-74.
[3] 石繁榮，黃玉清，任珍文.基于ZigBee的多傳感器物聯(lián)網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術應用，2013，39(3)：96-99.
[4] 高鍵，方濱，尹金玉，等.ZigBee無線通信網(wǎng)絡節(jié)點設計與組網(wǎng)實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2008，16(12)：1912-1914.
[5] DAI X，XIA F，WANG Z，et al.A survey of intelligent information processing in wireless sensor network[A].Mobile Ad-hoc and sensor networks[M].New York：Nova Science Publishers，Inc.2006.
[6] 張要偉，楊志義，沈沉，等.基于WSN溫室智能測控系統(tǒng)網(wǎng)關設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與科學，2008，30(6)：98-100，105.
[7] PAPAZOGLOU M P．Web服務原理和技術[M]．龔玲，張云濤，譯．北京：機械工業(yè)出版社，2010.
[8] BURNETTE E.Hello，Android：introducing Google’s mobile development platform[M]．American：Pragmatic Bookshelf,2009．

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