基于Android的智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

趙繼春+劉世洪+喬珠峰

摘要： 介紹了基于Android移動終端的溫室環(huán)境信息遠程數(shù)據(jù)采集及智能控制研究和實現(xiàn)方法，探討使用JZ4730微處理器控制無線通信模塊MU736和現(xiàn)場的無線傳感器網(wǎng)絡，在移動終端上開發(fā)基于Android的應用管理系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室環(huán)境信息的智能采集、傳輸和控制；同時，給出了系統(tǒng)的硬件、軟件設計實現(xiàn)方式以及試驗的測試效果。系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是通過移動終端APP方式遠程實現(xiàn)監(jiān)控溫室環(huán)境信息，打破時間和空間限制，應用方便快捷。

關鍵詞： Android；溫室環(huán)境測控；無線傳感器

中圖分類號： S24；TP277.2 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0394-04

溫室環(huán)境信息變量的采集、傳輸和控制對于指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平具有重要的意義。目前，大多數(shù)溫室的控制方式是通過短距離的通信方式，將現(xiàn)場的傳感器信號采集到控制主機，控制主機與現(xiàn)場的上位機進行通信，通過上位機實現(xiàn)控制信息的回饋調(diào)節(jié)[1]。主要的缺點是，管理者一旦離開溫室生產(chǎn)現(xiàn)場，無法對溫室實現(xiàn)遠程控制。移動終端APP的控制方式是通過移動通信網(wǎng)絡，與現(xiàn)場的無線通信模塊進行通信，打破時間和空間的限制，實現(xiàn)遠程信息的隨時隨地查看和控制。本研究通過無線傳感器網(wǎng)絡（wireless sensor networks，WSN）將溫室的傳感器信號，包括現(xiàn)場圖像、空氣溫度、土壤溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照度等，高效地傳輸?shù)竭h程移動終端。在系統(tǒng)設計的時候充分考慮到了擴展性，根據(jù)實際工作的需要，用戶可以自由拓展傳感器的類型和數(shù)量，通過移動終端APP軟件實現(xiàn)信息的查看和回饋調(diào)節(jié)，為管理者提供方便、快捷、個性化的管理功能，通過測試完善，系統(tǒng)工作穩(wěn)定達到了推廣應用程度。

1 Android和無線傳感器網(wǎng)絡概述及優(yōu)勢

Android是1種開源的操作系統(tǒng)，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來，主要是在移動設備上應用的操作系統(tǒng)，例如常用的平板電腦和智能手機。Android系統(tǒng)由4部分組成：操作系統(tǒng)、用戶界面、中間件和應用軟件。與蘋果操作系統(tǒng)和微軟操作系統(tǒng)相比，Android操作系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于其開放性，開發(fā)者平臺允許任何移動終端制造廠商加入。目前Android系統(tǒng)的市場份額超過了80%，而蘋果操作系統(tǒng)不到13%，微軟嵌入式操作系統(tǒng)不到4%。同時，Android系統(tǒng)相對比較廉價，而且工作性能比較高效?；诖耍狙芯吭跍厥噎h(huán)境測控系統(tǒng)軟件開發(fā)方面使用Android操作系統(tǒng)，應用軟件安裝在移動終端上實現(xiàn)溫室環(huán)境信息的遠程隨時隨地采集控制[2]。

農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的獲取和傳輸離不開無線傳感器技術，無線傳感器網(wǎng)絡技術是一種點到點技術，集成了傳感器、網(wǎng)路和通信技術[3-4]，由散步的傳感器節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點組成，節(jié)點具有傳感、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡通信的功能[5]。根據(jù)無線傳感器在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的部署位置不同，可以將傳感器分為無線地上傳感器網(wǎng)絡與無線地下傳感器網(wǎng)絡。無線地上傳感器網(wǎng)絡主要是在作物生長的地上空間布置相應的傳感器，根據(jù)采集信息的需要，合理選擇布設的傳感器網(wǎng)絡結(jié)點，實現(xiàn)最優(yōu)的環(huán)境信息采集和傳輸控制。無線地下傳感器網(wǎng)絡主要研究點是關于土壤類型、土壤結(jié)構與成分、土壤含水率、節(jié)點距離、節(jié)點埋藏深度、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構、頻率與功率范圍、路由算法、組網(wǎng)方式等對電磁波多路徑傳輸?shù)淖畲髠鬏斁嚯x、路徑損失、含水量測試誤差、誤碼率等方面的影響[6]。

目前農(nóng)業(yè)環(huán)境信息獲取和傳輸系統(tǒng)多為有線方式，布線復雜程度較高，農(nóng)業(yè)環(huán)境中布設很多分散的傳感器元器件，這些設備會隨著作物生長的改變而進行位置改變或者調(diào)整，需要做大量的線纜鋪設工作，而無線傳感器網(wǎng)絡具有特有的優(yōu)越性，減少了大量麻煩的布線工作。本研究通過構建高可靠性的無線傳感器通信網(wǎng)絡，以實現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的高效采集傳輸[7-11]。

2 系統(tǒng)整體設計

基于Android的智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)由溫室傳感器采集控制系統(tǒng)、無線通信網(wǎng)絡和移動控制終端組成，溫室傳感器采集控制系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡采集現(xiàn)場的傳感器信號，包括圖像、空氣溫度、土壤溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照度等，這些信號以短距離無線通信方式傳送給控制主機。溫室傳感器采集控制系統(tǒng)通過無線通信模塊與移動控制終端APP系統(tǒng)通信，實現(xiàn)溫室環(huán)境信息的控制，用戶可以根據(jù)需求下達指令給控制主機系統(tǒng)，從而控制溫室的開窗、風扇和灌溉系統(tǒng)等，也可以預先配置實現(xiàn)對作物的自動監(jiān)測控制管理。系統(tǒng)總體結(jié)構如圖1所示。

3 硬件設計

在系統(tǒng)硬件設計過程中，充分考慮到系統(tǒng)擴展性和可靠性，使系統(tǒng)具有較好的抗干擾、故障自動恢復以及較好的輸入輸出轉(zhuǎn)化能力。系統(tǒng)實現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸和控制功能。系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示，整個系統(tǒng)的硬件組成包括核心處理器、傳感器網(wǎng)絡電路、傳感器信號接收電路、無線數(shù)據(jù)通信模塊、液晶顯示、存儲器SRAM、按鍵電路和電源等。

主要的硬件組成部分說明如下：（1）核心處理器采用的是JZ4730，CPU處理器是1個32位嵌入式處理器，JZ4730處理器是君正公司開發(fā)的基于XBurst CPU微體系架構，CPU主頻可以高達336 MHz，在處理器上集成了串口、并口、以太網(wǎng)口、USB接口等豐富的通用外設接口，具有較強的運算和數(shù)據(jù)處理能力。

（2）傳感器網(wǎng)絡電路包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器以及二氧化碳傳感器等，可以根據(jù)需要擴展所需要的傳感器。這些傳感器組成傳感器網(wǎng)絡通過無線發(fā)射芯片PT2262傳送到控制主機，控制主機通過PT2272芯片進行解碼接收。溫度、濕度傳感器分別采用的是PT100、SA801，光照傳感器模塊采用BH1750FVI，二氧化碳傳感器模塊采用T6615。圖像傳感器采用的是OV511 Camera芯片，處理器對其具有較好的支持。

（3）無線通信模塊采用的是MU736，該模塊是華為公司生產(chǎn)的用于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K，支持各大運營商的移動通信網(wǎng)絡，通信模塊工作可靠性較高。

（4）串口通信模塊采用的是MAX232，MU736無線通信模塊在與核心處理器連接的時候，MU736模塊采用的電平標準是RS232，然而核心處理器的電平標準是TTL電平標準，因此需要轉(zhuǎn)化模塊MAX232進行電平的匹配。

（5）液晶顯示屏采用的是ZXM480272，按鍵電路采用的是82C79。電源主要采用太陽能電池板進行供電。

（6）控制輸出電路采用的是MOC36，主要目的是通過降低電磁信號的干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 軟件設計

在外圍硬件設備軟件驅(qū)動設計方面，JZ4730核心處理器對液晶顯示屏、按鍵、串口、USB接口等具有較好的驅(qū)動能力，直接調(diào)用相應的底層驅(qū)動程序即可。傳感器網(wǎng)絡信號的采集、圖像數(shù)據(jù)的采集和無線數(shù)據(jù)的遠程傳輸是軟件設計的重要部分。

4.1 傳感器網(wǎng)絡信息采集

傳感器網(wǎng)絡信息的采集是通過程序的輪訓操作實現(xiàn)的。首先，對傳感器網(wǎng)絡中的傳感器進行初始化，輪訓查詢傳感器節(jié)點，當檢測到測量信息時，開始傳感器數(shù)據(jù)的采集接收，當程序檢測沒有測量信息時，傳感器節(jié)點地址加1，也就是檢測下一個傳感器節(jié)點是否需要數(shù)據(jù)信息采集。當一個傳感器信息數(shù)據(jù)接收完成后，開始檢測下一個傳感器節(jié)點。傳感器網(wǎng)絡信息采集軟件實現(xiàn)流程如圖3所示。

4.2 圖像傳感器數(shù)據(jù)采集

圖像傳感器采用OV511芯片，在Linux嵌入式操作系統(tǒng)下進行視頻圖像采集。首先在Linux Kernel中添加關于模塊驅(qū)動程序支持，接下來編寫圖像數(shù)據(jù)采集程序，通過嵌入式系統(tǒng)Video4Linux模塊提供的程序接口從圖像傳感器OV511設備中獲取圖像幀。圖像傳感器數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖像傳感器數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)的核心代碼如下：

for（Sframe=0；Sframe mapbuf.frame=Sframe；

if（ioctl（cam，ImageCMCAPTURE，&mapbuf）<0）{

perror（“ImageCMCAPTUR”）；

exit（-1）；}

}

frame=0；

while （1）{

i=-1；

while（i<0）{

i=ioctl（cam，ImageCSYNC，&Sframe）；

if（i < 0 && errno==EINTR） continue；

break；

}

buf=bigbuf+vidbuf.offsets[Sframe]；

mapbuf.frame=Sframe；

if （ioctl（cam，ImageCMCAPTURE，&mapbuf）<0） {

perror（“ImageCMCAPTURE”）；

exit（-1）；

}

Sframe++；

if （frame>=vidbuf.frames） Sframe=0；

}

4.3 無線數(shù)據(jù)傳輸控制

無線通信模塊MU736與核心處理器JZ4730采用的是串口的連接方式，主要是通過對網(wǎng)絡套接字的編程實現(xiàn)傳感器信號的傳輸。無線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)的原代碼核心部分如下：

if （（MD=open（“Idata”，O_RDWR，0A77）） >0）

len=read（MD，buff，46000）；

printf（“Image=%d＼n”，len）；

open_mcom（76800）；//打開串口操作

init_timer（）；//初始化定時去操作

Iframe=sys_mstime（）；

printf（“The time：%d- - - -Iframe=%d＼n”，ii，Iframe）；

init_Ilib（）；//初始化圖像處理庫

printf（“init_Ilib＼n”）；

m=init_MU736（）；//初始化無線通信模塊MU736

if （m==0）

printf（“init_MU736 OK m=%d＼n”，m）；

else if （i==-1）

printf（“init_MU736 fault m=%d＼n”，m）；

printf（“send over Image=%d ＼n”，Image）；

m=send_Image（（u_char *）“SIM Number”，（u_char *）“test”，Mlen，buff）；

printf（“send over i=%d ＼n”，i）；

return 0；

5 移動端APP控制系統(tǒng)開發(fā)

移動端開發(fā)采用的是基于Android操作系統(tǒng)，集成開發(fā)環(huán)境采用的是Myeclipse，程序設計語言為Java，數(shù)據(jù)庫采用的是MYSQL。在開發(fā)設計過程中，充分考慮系統(tǒng)的擴展性以及人機交互界面的友好性。系統(tǒng)的主要功能模塊包括APP前端數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)、APP管理設置系統(tǒng)和歷史數(shù)據(jù)查詢功能，前端展示系統(tǒng)主要是進行監(jiān)控數(shù)據(jù)的展示，包括溫度、濕度、二氧化碳、光照度以及圖像數(shù)據(jù)，同時還有傳感器的開關控制功能。APP管理設置系統(tǒng)主要是設置溫室現(xiàn)場環(huán)境的閾值，歷史記錄查詢主要是查詢歷史監(jiān)控的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)。功能結(jié)構如圖5所示。移動終端APP原型頁面如圖6所示。

6 應用與討論

基于Android的智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)開發(fā)完成后，在北京市密云縣實驗溫室進行了應用測試，在溫室內(nèi)部署了圖像傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和二氧化碳傳感器，利用移動終端APP軟件遠程監(jiān)測并調(diào)控溫室的環(huán)境。表1記錄了溫室二氧化碳氣體的采集與調(diào)控數(shù)據(jù)，隨著白天時間的推移，溫室的光合作用加大，溫室內(nèi)二氧化碳的氣體量減少。在11：00，二氧化碳的濃度降為260 mg/L，小于預設的閾值，此時系統(tǒng)遠程自動開啟二氧化碳自動發(fā)生器裝置。在14：00，由于開啟二氧化碳發(fā)生器產(chǎn)生作用，此時二氧化碳的濃度達到550 mg/L，啟動通風窗，降低二氧化碳濃度，同時起到降低溫室內(nèi)溫度作用。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，傳感器的現(xiàn)場信號數(shù)據(jù)能夠通過現(xiàn)場無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送給JZ4730處理，然后再通過MU736移動通信模塊傳輸給遠程的移動手機終端，同時移動終端可通過APP軟件有效地調(diào)控現(xiàn)場設備，達到了預期設計效果。7 結(jié)論

本研究開發(fā)了基于Android的智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)，通過無線傳感器網(wǎng)絡傳輸溫室的傳感器信號，將現(xiàn)場圖像、空氣溫度、土壤溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照度等高效地傳輸?shù)绞殖忠苿咏K端軟件；同時實現(xiàn)信息的回饋控制，采用基于移動終端的控制方式，打破時間和空間的限制，管理者可以隨時隨地查看和管理溫室環(huán)境數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)已經(jīng)開始正式應用，并取得了一定成效。隨著應用的深入，將進一步開展智能分析研究，利用積累的歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，為管理者提供便捷的種植決策服務。

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