基于UML的嵌入式溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉 峰，尤 飛，康亞明

（榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000）

溫室生產(chǎn)作為高效、高科技含量的大規(guī)模生產(chǎn)方式已經(jīng)成為世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。溫室設(shè)施的自動監(jiān)測和控制技術(shù)可以為農(nóng)作物創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，節(jié)約人力成本，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，因此需要開發(fā)與溫室相關(guān)的自動化技術(shù)，以降低運行成本、提高效率、實現(xiàn)環(huán)境的精確控制。我國目前的溫室設(shè)施綜合監(jiān)測水平不高，控制能力比較差，帶有綜合環(huán)境自動調(diào)節(jié)的高科技溫室主要從國外引進[1]。筆者開發(fā)了以S3C2440為核心的嵌入式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以完成溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和收集，同時通過輸出機構(gòu)實時控制溫室環(huán)境以達到溫室監(jiān)測和控制智能化的目的，具有精度高，智能控制等優(yōu)點。

軟件工程領(lǐng)域最重要的、具有劃時代意義成果之一的就是統(tǒng)一建模語言UML（Unified Modeling Language）的出現(xiàn)。開發(fā)系統(tǒng)可以借助UML的CASE工具來完成從軟件的分析、設(shè)計、實現(xiàn)到測試的一系列軟件工程過程，大大提高了軟件開發(fā)的復(fù)用性和效率，降低了軟件開發(fā)過程中的返工率。文中采用了UML方法來設(shè)計一個軟硬件都要考慮的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，從而體現(xiàn)了UML強大的表達能力，該系統(tǒng)用UML表達清晰、嚴(yán)謹(jǐn)、易于實現(xiàn)[2]。

1 溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由上位機、下位機和執(zhí)行結(jié)構(gòu)組成。上位機為PC機可以處理下位機傳送的溫室環(huán)境參數(shù)同時可以給下位機發(fā)出指令。下位機是以Samsung S3C2440為主控制器，資源豐富功能強大，其主頻為400MHZ，最高可達533MHZ，內(nèi)存為 64MSDRAM，數(shù)據(jù)總線32 bit，S3C2440還支持以太網(wǎng)卡，很容易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能[3]。其他主要部件有溫濕度傳感器SHT11，光照傳感器TSI2561和CO2傳感器NAP-21ACO2，液晶顯示模塊等基本部件。輸出執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括循環(huán)風(fēng)機、噴水系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽電機等。

圖1 系統(tǒng)部署圖Fig.1 System deployment diagram

1.1 傳感器電路

1.1.1 溫濕度傳感器

SHT11溫濕度傳感器采用SMD（LCC）表面貼片封裝，由于將傳感器與電路部分結(jié)合在一起，因此傳感器具有比其它類型的濕度傳感器優(yōu)越的多的性能。傳感器可直接通過12C總線與ARM連接，減少電路硬件成本，簡化電路。系統(tǒng)中為了同時測量溫室內(nèi)的溫濕度值，將各SHT11的SCK先接到S3C2440的同一個I/O口，而DATA線則分別接到不同的 I/O 上[4]。

1.1.2 CO2濃度監(jiān)測和光強度監(jiān)測

CO2濃度監(jiān)測采用NEMOTO公司生產(chǎn)的NAP－21ACO2傳感器，NAP－21A輸出線性好，有較好的長期穩(wěn)定性與極好的重復(fù)性及精度。該傳感器是一種熱傳導(dǎo)式CO2傳感器，在不同濃度的CO2氣體中其阻值與CO2的濃度成線性關(guān)系，傳感器通過放大器連接[5]。光強測量選用TAOS公司的TSI2561光強度傳感器，該傳感器具有數(shù)字式輸出端口和標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口，測量的照度范圍為1～70 000lx，功耗僅為0.75 mW。TS1256具有高速、低功耗、寬量程、可編程配置的特點[6]?？梢栽O(shè)置光強度上、下閾值，控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)的遮陽板。

1.2 輸出執(zhí)行結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)包括循環(huán)風(fēng)機、噴水系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽電機等。利用微控制器輸出高低電平，控制開關(guān)。當(dāng)溫室內(nèi)的溫度、濕度、CO2等各個環(huán)境參數(shù)，通過無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到微控制器并顯示出來，再由有線通訊模塊傳送到上位機系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)庫進行比對，得出適合該種作物的環(huán)境參數(shù)，上位機通過通訊模塊發(fā)送信息到下位機，下位機再根據(jù)各個信息發(fā)出執(zhí)行命令控制執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)然也可以直接通過下位機發(fā)出執(zhí)行命令控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)，注意下位機執(zhí)行輸出機構(gòu)只在特殊情況下使用。具體部署圖如圖1所示。

帶陰影的是處理器，處理器處理溫室環(huán)境信息，發(fā)送到執(zhí)行裝置，不帶陰影的是執(zhí)行裝置，分別執(zhí)行相關(guān)命令。

2 UML靜態(tài)建模

2.1 用例圖

用例圖（Use Case Diagram）就是角色、用例以及它們之間的關(guān)系構(gòu)成的圖。是對系統(tǒng)功能的陳述。改圖說明用例模型中的關(guān)系[2]，如圖2所示。

圖2 用例圖Fig.2 Use case diagram

本系統(tǒng)中，遠(yuǎn)端管理員通過上位機可以查看歷史數(shù)據(jù)，設(shè)置環(huán)境參數(shù)，設(shè)定溫濕度閾值，光照閾值，CO2閾值，發(fā)送命令到下位機。下位機可以根據(jù)上位機發(fā)送的閾值控制執(zhí)行機構(gòu)，下位機通過傳感器收集溫室環(huán)境的信息，下位機可以把信息傳送給上位機。本地管理員也可以通過下位機的顯示模塊直接控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)。

2.2 類 圖

類圖來描述系統(tǒng)靜態(tài)的對象結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系。從用例圖（圖2）中可分解出一些類，并將這些類之間的結(jié)構(gòu)描述出來。類圖是最常用的UML圖，顯示出類、接口以及它們之間的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和關(guān)系，用于描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計[2]。

本系統(tǒng)中，兩個管理類是遠(yuǎn)程管理員（Remote－admin）和本地管理員（Local－admin）對上位機類（The host computer）和下位機類 （Lower machine）操作，下位機類對傳感器類（Sensor）、執(zhí)行機構(gòu)類（Run）和顯示模塊類（Show）進行操作。遠(yuǎn)程管理類操作就是login；本地管理類的操作login；上位機類操作是：inquiry ，set， send， receive， summit；下位機類操作是 ：set－show， send， receive， set－run； 傳 感 器 類 屬 性 是 ：seneor_id， 操作是:temperature_measure， humidity_measure，light_measure，CO2_measure，等操作；顯示模塊類是操作是：display；執(zhí)行機構(gòu)類屬性是：manchine_id，操作是：set－light，set－wind， set－h(huán)umidity，系統(tǒng)類圖如圖 3 所示。

圖3 系統(tǒng)類圖Fig.3 Class diagram

3 UML動態(tài)建模

3.1 狀態(tài)圖

狀態(tài)圖（State Diagram）是描述一個實體基于事件反應(yīng)的狀態(tài)行為，顯示該實體如何根據(jù)當(dāng)前所處狀態(tài)對不同的時間做出反應(yīng)的[2]。

本系統(tǒng)中：）下位機從各個傳感器讀取數(shù)據(jù)，顯示到顯示模塊；2）可以通過下位機根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)直接設(shè)定執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行輸出；3）下位機把接受的數(shù)據(jù)傳送給上位機，上位機根據(jù)歷史數(shù)據(jù)做出判斷得到適合該作物的環(huán)境參數(shù)，發(fā)送給下位機；4）下位機接收上位機傳送來的數(shù)據(jù)，顯示到顯示模塊；5）下位機根據(jù)接受的數(shù)據(jù)發(fā)出命令，設(shè)定執(zhí)行結(jié)構(gòu)，執(zhí)行輸出。

系統(tǒng)狀態(tài)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)狀態(tài)圖Fig.4 Statechart diagram

3.2 序列圖

UML序列圖（Sequence Diagram）一般用于確認(rèn)和豐富一個環(huán)境的邏輯。一個使用情境就是系統(tǒng)潛在的使用方式的描述，就是它的名稱所要描述的，其邏輯可能是一個用例的一部分，或是一條備選路線；可能是一個貫穿單個用例的完成流程，也可能包含幾個用例中的流程[2]。系統(tǒng)序列圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)序列圖Fig.5 Sequence diagram

本系統(tǒng)的序列圖對應(yīng)的信息：1）傳感器讀取溫室內(nèi)溫濕度、光照、CO2參數(shù)值；2）下位機接受傳感器數(shù)據(jù)，并顯示到顯示模塊；3）下位機可以直接設(shè)置執(zhí)行機構(gòu)；4）下位機發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機，上位機做出判斷，送出設(shè)定值；5）下位機接受上位機發(fā)送的設(shè)定值，顯示到顯示模塊；6）下位機根據(jù)設(shè)定值發(fā)送命令執(zhí)行輸出機構(gòu)，調(diào)整溫室環(huán)境。

4 結(jié) 論

該系統(tǒng)以S3C2440為核心，采用UML方法，設(shè)計了一個智能的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。實際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有控制參數(shù)設(shè)定方便、控制精度高、穩(wěn)定性好、人機界面友好等特點，有著極高的性價比和可行性。

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