對日光溫室遠程監(jiān)控APP的設(shè)計與開發(fā)

張寶雯，王春光，宗哲英，趙曉東

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

計算機技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)及終端智能硬件的快速發(fā)展已經(jīng)帶動了各行各業(yè)的智能化發(fā)展，也為我國發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)提供了有利條件[1]。日光溫室作為我國特有的設(shè)施農(nóng)業(yè)形式，因其在提高資源利用效率、提升農(nóng)作物品質(zhì)及增加農(nóng)民收入等方面的突出優(yōu)勢成為了我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重點研究對象[2]。目前，我國在智能化農(nóng)業(yè)管理方面發(fā)展迅速，已有較為突出的研究成果，如使用傳感器采集各項重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響因素的數(shù)據(jù)、利用單片機技術(shù)控制各項農(nóng)業(yè)設(shè)備自動調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、基于Windows開發(fā)的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，以及利用計算機自動監(jiān)控管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件等新興農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)都是利用計算機技術(shù)發(fā)展起來的。近年來，智能手機及平板電腦等智能可移動終端的發(fā)展及普遍應(yīng)用也使得各行業(yè)逐漸步入了遠程遙控的發(fā)展新階段[3]，將該技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合不僅可以大大降低生產(chǎn)過程中的人力及時間成本，也提高了農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，改善了農(nóng)作物的品質(zhì)[4]。因此，開發(fā)一套用于智能可移動終端的日光溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)就成為了我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的迫切需要[5]。

為改善現(xiàn)有的溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的運行效率、實用性及用戶體驗，本設(shè)計需要針對環(huán)溫、環(huán)濕、土溫、土濕、CO2濃度，以及光照強度進行管理控制，主要實現(xiàn)以下幾點功能：

1)開發(fā)可用于智能移動終端的日光溫室監(jiān)控管理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器及人機交互界面的設(shè)計與開發(fā)等過程，實現(xiàn)操作簡單、界面簡潔友好的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

2)根據(jù)環(huán)溫、環(huán)濕、土溫、土濕等環(huán)境參數(shù)類型及其特點，提供各項數(shù)據(jù)的建議最佳范圍，幫助用戶制定合理的溫室管理方案。

3)當環(huán)溫、環(huán)濕、土溫、土濕等環(huán)境參數(shù)不符合管理方案時，用戶可以通過對卷簾機、熱風(fēng)機、卷膜機及濕簾風(fēng)機等設(shè)備的控制實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境的及時調(diào)控。

1 功能設(shè)計與總體結(jié)構(gòu)

1.1 功能設(shè)計

日光溫室遠程監(jiān)控APP主要對以下環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測：環(huán)溫、環(huán)濕、土溫、土濕、CO2濃度，以及光照強度。首先，用戶可以根據(jù)日光溫室中種植的不同農(nóng)作物及其當前生長階段在APP中制定作物的生產(chǎn)管理方案，可根據(jù)用戶意愿手動制定或選擇使用系統(tǒng)推薦的農(nóng)作物最適宜生長環(huán)境條件來智能設(shè)置合理的生產(chǎn)管理方案，對每個環(huán)境參數(shù)進行最佳范圍的詳細規(guī)劃。

在制定好管理方案之后，APP實現(xiàn)自動按照管理方案定時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的功能，當發(fā)現(xiàn)某一個或幾個環(huán)境參數(shù)不符合預(yù)定的最佳范圍時發(fā)送警報到用戶的手機上，實現(xiàn)報警功能。

使用定時監(jiān)測，避免了出現(xiàn)當有環(huán)境參數(shù)不符合要求時由于實時監(jiān)測導(dǎo)致的重復(fù)報警現(xiàn)象，最大限度地保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，改善了用戶體驗。

APP對溫室中農(nóng)作物生長環(huán)境的調(diào)控主要通過對以下幾個設(shè)備的開關(guān)及時間控制來實現(xiàn)：卷膜機、卷簾機、熱風(fēng)機、濕簾風(fēng)機、灌溉設(shè)備、噴霧裝置、CO2發(fā)生器和補光燈。當某項環(huán)境參數(shù)需要調(diào)控時，用戶可以結(jié)合當前情況及對該項環(huán)境參數(shù)查詢到的歷史數(shù)據(jù)進行綜合考慮之后確定需求，并根據(jù)需求控制設(shè)備以達到及時調(diào)控作物生長環(huán)境的效果。當用戶打開某個設(shè)備時，可以選擇根據(jù)實際情況設(shè)置設(shè)備的自動關(guān)閉時間或者視情況選擇手動關(guān)閉。

使用時間作為設(shè)備開關(guān)的控制量，避免了出現(xiàn)環(huán)境參數(shù)在臨界值附近徘徊導(dǎo)致的設(shè)備反復(fù)開關(guān)等情況，極大地保證了農(nóng)作物生長環(huán)境的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的可控性，使環(huán)境參數(shù)得到更好的控制?？傮w功能設(shè)計的框圖如圖1所示。

圖1 功能設(shè)計框圖

1.2 總體結(jié)構(gòu)

日光溫室遠程監(jiān)控APP主要包括客戶端、數(shù)據(jù)庫及服務(wù)器3部分。

1)客戶端。該部分的設(shè)計主要從以下幾點考慮：

(1)考慮到所要開發(fā)APP的可持續(xù)性發(fā)展并延長該系統(tǒng)的生命周期，選擇了使用Google公司大力推廣的新興產(chǎn)品—Android Studio軟件進行開發(fā)[6]。

(2)為適應(yīng)多個智能可移動終端的同時支持，提高所開發(fā)系統(tǒng)的適用性，需分別對不同分辨率的設(shè)備進行頁面設(shè)計及多版本的代碼編寫、測試及改良[7]。

(3)為提高軟件的運行速度、改善用戶體驗，采用了碎片技術(shù)來進行代碼的編寫[8]。該技術(shù)的使用最大限度地降低了代碼的重復(fù)率，提高了軟件的運行效率[9]。

2)數(shù)據(jù)庫。該部分的設(shè)計主要從以下幾點考慮：

(1)目前較為常見的幾款數(shù)據(jù)庫有MySQL、SQLite、SQL Server等[10]。在對這幾款常用的數(shù)據(jù)庫進行比較之后，為了保證軟件運行的流暢，最終選擇了開發(fā)難度較高的輕型數(shù)據(jù)庫—SQLite[11]。

(2)根據(jù)軟件需實現(xiàn)的功能，完成了對以下幾個表的設(shè)計：用戶表、溫室表、歷史數(shù)據(jù)表、管理方案表、專家系統(tǒng)表、管理員表及請求信息表。

3)服務(wù)器。該部分的設(shè)計主要從以下幾點考慮：

(1)因Tomcat服務(wù)器具有技術(shù)先進、性能穩(wěn)定且擴展性好的優(yōu)點而廣受歡迎，本軟件也同樣使用了Servlet搭配Tomcat的方式進行開發(fā)[12]。

(2)HTTP是應(yīng)用最廣的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在使用Servlet搭配Tomcat搭建服務(wù)器端的同時也需要使用HTTP協(xié)議來應(yīng)答客戶端的請求，實現(xiàn)服務(wù)器端與客戶端之間的通訊[13]。

2 APP功能的實現(xiàn)

2.1 登錄界面的實現(xiàn)

登錄界面主要實現(xiàn)用戶的用戶名及密碼的驗證功能，在用戶及管理員登錄時可以自動識別并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)頁面。

2.2 溫室詳情界面的實現(xiàn)

溫室詳情界面主要包括以下幾個功能：實時顯示溫室中各項環(huán)境參數(shù)、對溫室中各項環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)查詢和對溫室中設(shè)備的及時調(diào)控。

首先，用戶可以直觀地看到各項環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括6部分：空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤溫度和土壤濕度；之后，用戶可以根據(jù)自身需求查詢各項環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)對溫室環(huán)境進行綜合考慮，及時地控制卷簾機、補光燈、濕簾風(fēng)機等設(shè)備達到對農(nóng)作物生長環(huán)境及時調(diào)控的功能。溫室詳情界面效果如圖2所示。

2.3 溫室設(shè)備控制界面的實現(xiàn)

溫室設(shè)備控制界面主要實現(xiàn)用戶通過對各項環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)據(jù)及所查詢的歷史數(shù)據(jù)的綜合考慮確定農(nóng)作物生長環(huán)境的調(diào)控需求，并根據(jù)需求對溫室中各項設(shè)備進行控制。當用戶打開某個設(shè)備時，如卷簾機、補光燈、濕簾風(fēng)機等，APP自動彈出提示框讓用戶設(shè)定該項設(shè)備自動關(guān)閉時間，或者用戶可以選擇手動關(guān)閉。溫室設(shè)備控制界面效果如圖3所示。

2.4 溫室管理方案界面的實現(xiàn)

溫室管理方案界面主要實現(xiàn)幫助用戶合理制定溫室環(huán)境管理方案的功能。用戶可以根據(jù)溫室中種植的不同農(nóng)作物及其當前生長階段按照自己的想法手動設(shè)置每項環(huán)境參數(shù)的最佳范圍，或者當用戶并不了解該作物的適宜生長環(huán)境時也可以在APP中進行查詢，并根據(jù)系統(tǒng)推薦的最佳范圍選擇一鍵智能設(shè)置溫室環(huán)境管理方案；之后，系統(tǒng)就可以根據(jù)用戶設(shè)定好的農(nóng)作物生產(chǎn)管理方案定時監(jiān)測各項環(huán)境參數(shù)，當某項數(shù)據(jù)不符合預(yù)定的最佳范圍時可以及時發(fā)送警報到用戶的手機上，實現(xiàn)了實時報警功能。手動設(shè)置溫室管理方案界面效果如圖4所示。

圖2 溫室詳情界面圖

圖3 設(shè)備控制圖

APP可以根據(jù)用戶查詢的農(nóng)作物類型及其生長階段從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出該項作物的最適宜生長環(huán)境內(nèi)容并反饋給用戶，用戶可根據(jù)查詢到的數(shù)據(jù)一鍵智能設(shè)置生產(chǎn)管理方案。智能設(shè)置溫室管理方案界面效果如圖5所示。

圖4 溫室管理方案界面圖

圖5 智能設(shè)置管理方案圖

2.5 平板溫室詳情界面的實現(xiàn)

平板電腦溫室詳情界面與手機端的溫室詳情界面相似，其功能也與手機端的溫室詳情界面相同；但由于平板電腦的分辨率與智能手機有很大差別，因此需要針對平板電腦單獨進行界面的設(shè)計及實現(xiàn)。該界面使用了碎片技術(shù)將屏幕劃分為左右兩部分，左側(cè)為用戶管理的溫室列表，右側(cè)則為選中的溫室的詳情頁面；用戶可以在屏幕的左側(cè)選擇自己想要控制的溫室，并在右側(cè)實現(xiàn)對溫室環(huán)境的實時監(jiān)控。平板電腦溫室詳情界面效果如圖6所示。

3 軟件調(diào)試

用戶通過對參數(shù)類型，如溫度、濕度、光照強度等選項的選擇，以及所要查詢時間段的設(shè)置得到了該項環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)。由于溫室中各項環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)較為龐雜，人力分析較為困難，因此APP使用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)對用戶查詢的數(shù)據(jù)進行分析，并最終以折線圖的形式展現(xiàn)給用戶。歷史數(shù)據(jù)查詢功能測試結(jié)果如圖7所示。

圖6 平板溫室詳情界面圖

圖7 歷史數(shù)據(jù)查詢圖

4 結(jié)論

日光溫室遠程監(jiān)控APP將Android技術(shù)、JAVA技術(shù)、智能可移動終端與農(nóng)業(yè)很好地結(jié)合起來，不僅實現(xiàn)了對日光溫室環(huán)境信息的實時監(jiān)控功能，還可以根據(jù)溫室中種植的不同作物及時為用戶提供專家經(jīng)驗知識，降低了病蟲害的概率，提高了農(nóng)作物的品質(zhì)與產(chǎn)量，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加的科學(xué)。其增加了幫助用戶科學(xué)規(guī)劃溫室管理方案的功能，軟件可以根據(jù)用戶設(shè)定的管理方案自動管理溫室中的各項環(huán)境參數(shù)，極大地降低了人力成本與時間成本，提高了農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。