基于Android客戶端溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研制*

游海云

(福建廣播電視大學(xué)漳州分校，福建 漳州 363000)

隨著各國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，溫室大棚廣泛應(yīng)用于各種作物種植場(chǎng)合。溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)厥覂?nèi)的空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度等農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境密切相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行環(huán)境測(cè)控，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)溫室大棚管理的自動(dòng)化和科學(xué)化，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效的栽培目標(biāo)。

本文介紹了一種基于Android客戶端的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)溫室大棚內(nèi)的空氣溫度、濕度和光照強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警，并實(shí)現(xiàn)智能開關(guān)繼電器來調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)使其達(dá)標(biāo)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)性價(jià)比高，安裝簡(jiǎn)單方便，可維護(hù)性好，發(fā)送數(shù)據(jù)沒有距離的限制，是一種智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方案。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有兩部分。一是溫室大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)顯示，該部分主要是采用傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)和顯示，通過單片機(jī)處理后用GSM模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，為客戶端遠(yuǎn)程顯示提供數(shù)據(jù)源。另一部分是Android客戶端，該客戶端接收數(shù)據(jù)后實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程顯示，并以曲線圖來展示，方便數(shù)據(jù)分析。客戶端還能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室采集顯示端進(jìn)行控制。系統(tǒng)整體方案如下圖所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

二、采集顯示端

采集顯示端硬件部分設(shè)計(jì)分為五個(gè)模塊，分別是：運(yùn)行控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊。整個(gè)系統(tǒng)的核心采用單片機(jī)STC89C52控制，溫度數(shù)據(jù)的采集工作由DS18B20完成，濕度數(shù)據(jù)采集工作由DHT11完成，光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集工作由光敏電阻和ADC0804共同完成，采集的數(shù)據(jù)由單片機(jī)處理成一定格式，通過GSM模塊發(fā)送作為Android客戶端的數(shù)據(jù)源，并在采集端把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD1602液晶模塊上。系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)，若超標(biāo)或不達(dá)標(biāo)會(huì)進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警，并控制繼電器開關(guān)設(shè)備來調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)使其達(dá)標(biāo)。

1.運(yùn)行控制模塊

單片機(jī)即是嵌入式的微控制器，具有體積小、功耗低、成本便宜、操作可靠、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)控制領(lǐng)域和智能產(chǎn)品領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)來做為系統(tǒng)的核心控制部分。STC89C52是一種低電壓，高性能的8位CMOS 單片機(jī)，內(nèi)含8k的可反復(fù)擦寫的ROM和256 比特的RAM，器件采用了高密度、非易失性的存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)[1]。

在本系統(tǒng)中，STC89C52的XLAT1、XLAT2引腳外接11.0592MHZ的晶振；P0口與LCD1602相連，控制LCD的顯示；ADC0804將光敏電阻采集到的光照強(qiáng)度的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后通過P1口傳送給單片機(jī)；P2口用作各個(gè)傳感器、LCD蜂鳴器和繼電器的使能控制端，控制這些模塊的工作狀態(tài)；P3口用于和GSM模塊之間的串口通信，控制GSM模塊的工作狀態(tài)，讀取GSM收到的短信并解析，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)對(duì)外部設(shè)備的操作。

2.溫度、濕度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集模塊

由于數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11對(duì)溫度的靈敏度不是很高，故選擇數(shù)字式溫度傳感器DS18B20來測(cè)溫，僅用DHT11來測(cè)量濕度值。這兩種傳感器都是單總線結(jié)構(gòu)的，單片機(jī)工作時(shí)要遵循嚴(yán)格的時(shí)序。

在本系統(tǒng)中，用光敏電阻測(cè)量光照強(qiáng)度，但其測(cè)出的光強(qiáng)是模擬信號(hào)，所以用ADC0804將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。光敏電阻在光照強(qiáng)度大的情況下阻值降低，其兩端電壓值降低。為了符合正常的觀察習(xí)慣，系統(tǒng)取采集到信號(hào)與255之間的差值作為輸出，這樣在光照越強(qiáng)的情況下顯示的數(shù)值會(huì)越大。

3.GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊

GSM是與客戶端進(jìn)行通信的核心器件。GSM模塊將GSM射頻芯片、存儲(chǔ)器、基帶處理芯片和功放器件等模塊集中在一塊電路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，并提供標(biāo)準(zhǔn)接口，可進(jìn)行語音通話，收發(fā)短信，GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能[2]。

GSM模塊的核心是TC-35i。本系統(tǒng)采用可支持中文短信的西門子TC35i。TC-35i的主要包括供電模塊(ASIC)，閃存，天線接口和ZIF連接器，主要用來處理GSM終端內(nèi)的語言信號(hào)和數(shù)據(jù)，并且TC-35i可以涵蓋蜂窩射頻設(shè)備中所有的模擬和數(shù)字功能[3]。

單片機(jī)對(duì)GSM模塊的控制使用AT指令，且要遵循嚴(yán)格的設(shè)置步驟。在本模塊程序中，GSM接到短信時(shí)會(huì)發(fā)送字符串給單片機(jī)，使得單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)接收中斷，單片機(jī)將接收到的內(nèi)容中的A～Z、a～z和0～9儲(chǔ)存在預(yù)先設(shè)置的一個(gè)緩存數(shù)組當(dāng)中，繼而對(duì)內(nèi)容進(jìn)行處理：如果數(shù)組中含有“CMTI”，則說明GSM收到了短信，單片機(jī)接著發(fā)送AT指令來讀取短信內(nèi)容。如果短信中含有“getdata”，則單片機(jī)就從緩存數(shù)組中把發(fā)送端的手機(jī)號(hào)提取出來，并調(diào)用發(fā)送短信的函數(shù)將數(shù)據(jù)以短信的格式發(fā)送給客戶端。如果短信中的內(nèi)容是對(duì)繼電器的操作，則單片機(jī)就把相應(yīng)的端口置高電平或低電平來控制繼電器的開啟或關(guān)閉。

4.顯示模塊與報(bào)警控制模塊

LCD1602是一種用來顯示字符和數(shù)字等內(nèi)容的點(diǎn)陣式LCD。由于采集顯示端中僅需要顯示簡(jiǎn)單的字母和數(shù)字，故選用LCD1602。

繼電器在本系統(tǒng)中起著控制外設(shè)開關(guān)的作用，當(dāng)客戶端點(diǎn)擊“on”或者“off”的按鈕時(shí)，單片機(jī)就會(huì)從GSM中提取出信號(hào)，然后打開或關(guān)閉相應(yīng)繼電器的開關(guān)。系統(tǒng)中共有三個(gè)繼電器分別控制溫度、濕度和光照強(qiáng)度的外部設(shè)備?？蛻舳耸盏綔厥覂?nèi)部的環(huán)境信息時(shí)，與設(shè)定好的閾值相比較，若是處于正常的范圍之外，就可以打開或關(guān)閉繼電器，從而控制對(duì)應(yīng)外部設(shè)備的開關(guān)，調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境因素，使得環(huán)境更有利于作物的生長(zhǎng)。

三、Android客戶端

圖2 Android客戶端框架圖

Android是一個(gè)由操作系統(tǒng)、中間件、用戶友好界面和應(yīng)用軟件組成的全面整合的移動(dòng)“軟件?！?。本客戶端使用Android應(yīng)用程序的開發(fā)的主流語言Java繼承開發(fā)環(huán)境Eclipse。Android客戶端起著遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制的作用。在

本客戶端中數(shù)據(jù)都是通過GSM以短信的形式發(fā)往手機(jī)的，客戶端要實(shí)現(xiàn)手機(jī)短信的監(jiān)聽、攔截短信、提取數(shù)據(jù)的功能?？蛻舳嗽趯?shí)現(xiàn)功能時(shí)要調(diào)用系統(tǒng)發(fā)送短信的函數(shù)，并獲取發(fā)送短信的權(quán)限。在客戶端中能夠以曲線圖的形式顯示接收到的所有數(shù)據(jù)。該客戶端的框架如圖2所示：

1.短信攔截功能的實(shí)現(xiàn)

首先是新建一個(gè)類繼承BroadcastReceiver廣播接收者類，在AndroidManifest.xml配置文件中為其設(shè)置短信接收廣播的過濾器(android:name=“android.provider.Telephony.SMS_RECEIVED”)，配置好過濾器后當(dāng)手機(jī)有短信接收時(shí)，首先判斷手機(jī)號(hào)是否為所設(shè)置的手機(jī)號(hào)，若是所設(shè)置的手機(jī)號(hào)則判斷短信內(nèi)容是否符合要求，內(nèi)容符合要求則終止廣播使手機(jī)不提示有短信接收。

2.趨勢(shì)圖界面的實(shí)現(xiàn)

該界面實(shí)現(xiàn)的功能是把所有的數(shù)據(jù)以曲線圖的形式展示。在這里使用了Google提供的AchartEngine.jar包，實(shí)現(xiàn)曲線圖縮放和滑動(dòng)顯示足夠多的點(diǎn)。當(dāng)接收到所需短信，提取數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，再發(fā)送一個(gè)廣播，在趨勢(shì)圖源文件中創(chuàng)建一個(gè)廣播接受者，接收到廣播后刪除原有的趨勢(shì)圖，取出最新數(shù)據(jù)，調(diào)用AchartEngine包里的工具類，完成更新趨勢(shì)圖的操作。

3.設(shè)置模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)的功能有：點(diǎn)擊各“設(shè)備開關(guān)”發(fā)送指令到采集顯示端，實(shí)現(xiàn)控制采集顯示端的繼電器開關(guān)；設(shè)置大棚內(nèi)發(fā)射端號(hào)碼和三個(gè)環(huán)境參數(shù)的閾值；清空趨勢(shì)圖中所有數(shù)據(jù)。

控制采集顯示端的繼電器開關(guān)的功能實(shí)現(xiàn)：通過ImageView控件實(shí)現(xiàn)OnClickListener接口并覆寫該接口里的onClick方法，首先讀取保存在SharedPreferences的圖片的狀態(tài)，通過狀態(tài)來設(shè)置ImageView控件的背景圖片，再把所設(shè)置的圖片的狀態(tài)保存在SharedPreferences中，實(shí)現(xiàn)軟件上的開關(guān)功能并發(fā)送一條對(duì)應(yīng)短信內(nèi)容到采集顯示端的手機(jī)號(hào)碼。當(dāng)采集顯示端接收到“open” “close”短信時(shí)會(huì)分別打開或關(guān)閉對(duì)應(yīng)的繼電器。由于硬件不支持連續(xù)發(fā)送的命令，所以在處理點(diǎn)擊按鈕后要給出提示，防止阻塞。

四、結(jié)論

本文介紹了基于Android客戶端的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，用GSM完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送，采集顯示端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并能將其以曲線圖的形式在手機(jī)端顯示?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，成本較低，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張毅剛，彭喜元，彭宇．單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]．北京：高等教育出版社，2010．27～29．

[2]韓斌杰，杜新顏，張建斌．GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．28～30．

[3]胡文麒．基于GSM模塊的TC35i外圍電路設(shè)計(jì)[J]．新余高專學(xué)報(bào)，2010，(6)：83～84．