基于Arduino/Android的養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張炳權(quán) 田思慶　吳迪 曹宇 鄭家風(fēng)

摘要 針對(duì)當(dāng)今畜牧業(yè)發(fā)展需求，以Arduino開源板和Android手機(jī)作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套無線網(wǎng)絡(luò)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。通過傳感器將養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的環(huán)境信息以及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)采集到Arduino控制器中，再通過Zigbee模塊將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至本地服務(wù)器，Android手機(jī)客戶端通過無線網(wǎng)絡(luò)將服務(wù)器的數(shù)據(jù)與手機(jī)內(nèi)的APP進(jìn)行交互，以完成對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)環(huán)境的調(diào)控。該系統(tǒng)具有部署方便、成本低、可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 Arduino；Android；養(yǎng)殖場(chǎng)；環(huán)境監(jiān)控；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) S818.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）01-0209-03

Design of Environment Monitoring System in Pasture Based on Arduino/Android

ZHANG Bingquan1，TIAN Siqing1，2*，WU Di2 et al

（1.College of Mechanical Engineering，Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang 154007；2.College of Information Electronic Technology，Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang 154007）

Abstract According to the needs of the development of animal husbandry， using Arduino open source board and Android mobile phone as the development platform，we designed a wireless network environment monitoring system. Environmental information and equipment operating status were collected into the Arduino controller through the sensor，then transferred the data to the gateway module through the ZigBee module，the gateway module transferred the data to the local server through the wireless network， the Android mobile phone client could interact the data of the server with the APP in mobile phone through the wireless network， to complete the regulation of environment in the pasture. This system has the advantages of convenient deployment， low cost， high reliability and strong expansibility，which worth to be promoted and applicated.

Key words Arduino；Android；Pasture；Environmental monitoring；System design

畜牧業(yè)是我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，在國家發(fā)展智能制造的大環(huán)境下，將畜牧業(yè)與智能生產(chǎn)制造相結(jié)合，能促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)與發(fā)展。在傳統(tǒng)智能化畜牧業(yè)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，主要以可編程邏輯控制器（PLC）與人機(jī)界面（HMI）作為控制系統(tǒng)的核心單元，對(duì)于大型的養(yǎng)殖場(chǎng)，表現(xiàn)出的缺點(diǎn)有：控制柜與各個(gè)傳感器和執(zhí)行部件之間的線纜過長，布線復(fù)雜，露出部分易被牲畜啃食造成系統(tǒng)癱瘓。鑒于此，筆者設(shè)計(jì)了一種新的養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用Arduino開源板與Android手機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心單元，對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)還利用Zigbee無線通信模塊和WiFi模塊解決了繁雜的布線問題，使用戶通過智能手機(jī)或平板設(shè)備對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。

1 系統(tǒng)組成和總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成：控制系統(tǒng)終端層、中心網(wǎng)關(guān)層、服務(wù)器層以及用戶手機(jī)管理層?？刂葡到y(tǒng)終端層：主要包含傳感器數(shù)據(jù)采集模塊以及執(zhí)行器邏輯模塊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所控制的不同環(huán)境參數(shù)，設(shè)置相匹配的控制模塊，可任意擴(kuò)展；中心網(wǎng)關(guān)層：主要通過Zigbee模塊與控制系統(tǒng)終端層的各個(gè)小的終端模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；服務(wù)器層：將中心網(wǎng)關(guān)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)于服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中；用戶手機(jī)管理層：使用應(yīng)用程序（APP）通過無線網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)，完成對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境監(jiān)控，并且可在線多人員實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。其總體設(shè)計(jì)見圖1。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 中心網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

中心網(wǎng)關(guān)主要是將控制終端所采集和控制的數(shù)據(jù)發(fā)給服務(wù)器，并接收服務(wù)器所返回的指令，再將指令分送給各個(gè)終端設(shè)備，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖2。中心網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)包括控制單元、電源單元以及無線通信單元。處理控制單元Arduino 是一個(gè)基于Atmel集成器的以自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）和ARM（Advanced RISC Machines）為控制器的開源軟硬件平臺(tái)[1]。該系統(tǒng)應(yīng)用Arduino大家庭中pro mini版作為處理控制數(shù)據(jù)的核心器件。電源單元主要將220 V的交流電轉(zhuǎn)化成5 V和3.3 V直流電以提供各個(gè)模塊的工作電壓。無線通信單元包括Zigbee模塊和WiFi模塊。Zigbee無線傳感技術(shù)是一種雙向通信技術(shù)[2]，將各個(gè)終端與中心網(wǎng)關(guān)所有設(shè)備接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，互相建立通信。WiFi模塊建立與路由器之間的通信，以訪問固定地址的主機(jī)服務(wù)器，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至服務(wù)器中。中心網(wǎng)關(guān)在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中起到橋梁作用，是服務(wù)器與底層設(shè)備間數(shù)據(jù)交互的紐帶。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊可以采集環(huán)境參數(shù)，該系統(tǒng)采用溫濕度終端模塊，通過傳感器將室內(nèi)的溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)指標(biāo)采集至本終端的處理控制單元，再通過無線通信單元發(fā)送至中心網(wǎng)關(guān)，其終端的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖3。溫濕度終端模塊的硬件由5個(gè)單元構(gòu)成：電源單元、處理控制單元、無線通信單元、溫濕度采集單元以及報(bào)警單元。前3個(gè)單元的作用與中心網(wǎng)關(guān)相似，溫濕度采集單元采用DHT11溫濕度采集模塊，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[3]，其測(cè)量范圍：濕度為20%～90%RH，溫度為0～50 ℃。報(bào)警單元以蜂鳴器作為報(bào)警器件，當(dāng)溫度、濕度超過或者低于設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警，以提醒人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行查看。溫濕度采集模塊在控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，感知養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)環(huán)境的變化。

2.3 執(zhí)行器邏輯模塊設(shè)計(jì)

執(zhí)行器邏輯模塊主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水、定時(shí)補(bǔ)料、定時(shí)通風(fēng)的控制，其終端的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖4。執(zhí)行器邏輯模塊共包括5個(gè)單元：電源單元、處理控制單元、無線通信單元、輸入單元和輸出單元。輸入單元包括手動(dòng)控制按鈕，可以現(xiàn)場(chǎng)通過按鈕手動(dòng)觸發(fā)執(zhí)行設(shè)備的啟動(dòng)和停止，液位開關(guān)反饋水位是否到達(dá)設(shè)定液位。輸出單元連接補(bǔ)料出發(fā)控制器、補(bǔ)水電磁閥和通風(fēng)扇等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 各個(gè)模塊軟件設(shè)計(jì)

中心網(wǎng)關(guān)在整個(gè)系統(tǒng)中起到橋梁作用，其無線通信單元包含2種通信方式，Zigbee模式通信主要處理與終端控制器間的數(shù)據(jù)，WiFi模式通信主要處理與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交互。中心網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)終端設(shè)備與服務(wù)器間數(shù)據(jù)相互傳輸，其程序設(shè)計(jì)流程見圖5。溫濕度采集模塊首先驅(qū)動(dòng)DHT11，使其獲取室內(nèi)的溫度和濕度，然后按照Zigbee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)格式1進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，發(fā)送給中心網(wǎng)關(guān)和Zigbee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他模塊，其程序設(shè)計(jì)流程見圖6。

執(zhí)行器邏輯模塊主要完成定時(shí)補(bǔ)料、實(shí)時(shí)補(bǔ)水和定時(shí)通風(fēng)，其程序設(shè)計(jì)流程見圖7。定時(shí)補(bǔ)料，根據(jù)牲畜的需求，按照事先設(shè)置好的時(shí)間段定時(shí)定量供料；實(shí)時(shí)補(bǔ)水，水槽內(nèi)的水位始終保持恒定，保證牲畜的飲用水源不會(huì)中斷；定時(shí)通風(fēng)，養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)牲畜所排放出的氣體會(huì)影響?zhàn)B殖場(chǎng)內(nèi)的環(huán)境，定時(shí)通風(fēng)，以保證養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的空氣新鮮。服務(wù)器的搭建主要是搭建本地的私人服務(wù)器、PHP調(diào)試環(huán)境、開發(fā)工具、開發(fā)手冊(cè)等[4]。在PHPServer文件中包含用戶的信息，主機(jī)地址，針對(duì)安卓客戶端所編寫的應(yīng)用程序接口（API）等，服務(wù)器端的程序設(shè)計(jì)流程見圖8。

3.2 Android客戶端APP設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)人機(jī)界面人性化的需求，設(shè)計(jì)了一款與該系統(tǒng)相匹配運(yùn)行的APP。Android是一種以 Linux為基礎(chǔ)的開放源碼操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備[5]。Android采用Eclipse作開發(fā)環(huán)境，以Java作為開發(fā)語言。程序由用戶界面（UI）層、服務(wù)層、保持層三大部分組成[6]。

4 系統(tǒng)運(yùn)行

該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行模擬測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期效果。配置本地服務(wù)器，使其處在運(yùn)行狀態(tài)下，將中心網(wǎng)關(guān)、溫濕度采集模塊和執(zhí)行器邏輯模塊安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，使其自動(dòng)組網(wǎng)并連入服務(wù)器，當(dāng)系統(tǒng)正常接入服務(wù)器后，服務(wù)器后臺(tái)可以看到終端設(shè)備已經(jīng)綁定，打開手機(jī)客戶端的APP，使用注冊(cè)的用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，登錄后可以看到當(dāng)前網(wǎng)關(guān)狀態(tài)，顯示網(wǎng)關(guān)正常運(yùn)行中，表示手機(jī)客戶端已經(jīng)通過服務(wù)器與終端通信上了。此時(shí)可以查看當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)，并可以對(duì)系統(tǒng)的執(zhí)行器實(shí)施遠(yuǎn)程控制。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)以Arduino開源板和Android手機(jī)作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套無線網(wǎng)絡(luò)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，提高了自動(dòng)化養(yǎng)殖系統(tǒng)的控制手段，解決了傳統(tǒng)飼養(yǎng)控制系統(tǒng)布線復(fù)雜、設(shè)備成本價(jià)值高、維護(hù)不方便等問題。Android平臺(tái)的應(yīng)用，開創(chuàng)了手機(jī)管理養(yǎng)殖場(chǎng)的新模式，在廠區(qū)或者住宅區(qū)，只要有WiFi覆蓋的地方，Android用戶通過無線網(wǎng)絡(luò)將服務(wù)器的數(shù)據(jù)與手機(jī)內(nèi)的APP進(jìn)行交互，就可以完成對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)環(huán)境的調(diào)控。該系統(tǒng)適合各類養(yǎng)殖場(chǎng)使用，具有研發(fā)成本低、擴(kuò)展能力強(qiáng)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，便于大范圍推廣。

參考文獻(xiàn)

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