基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)app的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王彩萍，吳 燕，李育榮，蔡逸辰

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇，鎮(zhèn)江 212400）

1 引言

智慧農(nóng)業(yè)是起源于20 世紀(jì)90 年代的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，智慧農(nóng)場(chǎng)融合了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)部署傳感節(jié)點(diǎn)（溫度、濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像識(shí)別、光照等），通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控生產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)化種植、可視化管理、智能化決策?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是集物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)為一體，利用各類傳感器實(shí)時(shí)感知農(nóng)場(chǎng)內(nèi)部溫度、濕度、光照度等環(huán)境信息，通過預(yù)設(shè)的閾值，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等的聯(lián)動(dòng)，農(nóng)場(chǎng)內(nèi)部溫濕度、光照度的自動(dòng)調(diào)節(jié)；同時(shí)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)感知各個(gè)關(guān)鍵區(qū)域有人闖入的情況，如果出現(xiàn)有人闖入，系統(tǒng)自動(dòng)推送報(bào)警信息到移動(dòng)端；可以通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看農(nóng)場(chǎng)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)作業(yè)情況。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)移動(dòng)端應(yīng)用，首先是通過光照傳感器、溫濕度傳感器等接入Zigbee節(jié)點(diǎn)模塊，來采集光照度、溫濕度的數(shù)據(jù)；然后通過接入人體紅外傳感器、排氣扇繼電器等連接ADAM-4150 數(shù)字量采集器，實(shí)現(xiàn)人體紅外信息的采集和對(duì)排氣扇的開關(guān)控制；照明燈通過接入帶有繼電器的Zigbee 模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈的開關(guān)控制；然后ADAM-4150 通過485 總線接入到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，各Zigbee節(jié)點(diǎn)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)接入到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，各Lora 節(jié)點(diǎn)通過Lora 網(wǎng)絡(luò)接入到Lora 網(wǎng)關(guān)；然后物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、Lora網(wǎng)關(guān)通過WIFI網(wǎng)絡(luò)接入Internet 連接到部署在公網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。最后移動(dòng)端（手機(jī)、平板）與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)接口數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1下所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

本次軟件系統(tǒng)開發(fā)基于Android studio 平臺(tái)，移動(dòng)終端通過HTTP 協(xié)議調(diào)用服務(wù)器端的WebService 來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，使用人員可以通過客戶端隨時(shí)獲取農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境信息，當(dāng)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時(shí)，則web服務(wù)器會(huì)向手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息推送，同時(shí)使用人員可以通過客戶端控制遠(yuǎn)程設(shè)備，主要功能模塊如圖2所示。

圖2 移動(dòng)app功能結(jié)構(gòu)圖

3.1 登錄注冊(cè)

該模塊提供用戶登錄和注冊(cè)功能，用戶在Android studio中創(chuàng)建的登錄及注冊(cè)頁(yè)面中填寫的信息通過Web-Service 存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中或通過WebService 從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù)傳到app 后臺(tái)程序以此驗(yàn)證用戶填寫的用戶名或密碼是否正確。

3.2 環(huán)境監(jiān)控

該模塊主要功能是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)傳給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，然后在Android studio 項(xiàng)目中，在app的主頁(yè)面監(jiān)控區(qū)域內(nèi)進(jìn)行傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示。

3.3 禁入監(jiān)控

該模塊的主要功能是當(dāng)檢測(cè)到農(nóng)場(chǎng)有人活動(dòng)時(shí)，會(huì)將警報(bào)信息存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程服務(wù)器中，并通過提示信息，跳轉(zhuǎn)到警報(bào)數(shù)據(jù)界面，查看具體的警報(bào)信息。

3.4 設(shè)備控制

要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，需要實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)app的界面中事先設(shè)置好各類傳感器的閾值，例如，溫度閾值設(shè)置成25℃，當(dāng)溫度超過這個(gè)閾值時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)將自動(dòng)開啟，另外，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，就要設(shè)置好攝像頭的IP地址。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 登錄注冊(cè)

登錄界面包含了本app 的圖標(biāo)、名稱、賬號(hào)密碼輸入框、登錄以及注冊(cè)按鈕。用戶如已注冊(cè)賬號(hào)，則可在輸入框中輸入帳號(hào)密碼，然后點(diǎn)擊登錄按鈕，程序會(huì)向服務(wù)端驗(yàn)證用戶信息，通過則可進(jìn)入主界面中。如用戶未注冊(cè)賬號(hào)，可以通過注冊(cè)賬號(hào)按鈕進(jìn)入到注冊(cè)賬號(hào)界面（見圖3、圖4）。實(shí)現(xiàn)步驟如下：（1）創(chuàng)建并部署WebService；（2）在WebServiceHelper 類中添加登陸以及注冊(cè)方法；（3）在Android studio中創(chuàng)建登錄注冊(cè)界面；（4）創(chuàng)建LoginActivity活動(dòng)實(shí)現(xiàn)登錄功能；（5）創(chuàng)建RegisterActivity 活動(dòng)實(shí)現(xiàn)注冊(cè)功能。

圖3 用戶登錄頁(yè)面

圖4 用戶注冊(cè)頁(yè)面

4.2 全局參數(shù)設(shè)置

在Android studio中創(chuàng)建全局參數(shù)設(shè)置界面，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的IP地址、項(xiàng)目標(biāo)識(shí)，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)登錄的賬號(hào)和密碼，攝像頭IP地址，以及各類傳感器、執(zhí)行器ID等參數(shù)通過SharedPreference 保存到用戶自定義Application 對(duì)象（見圖5）。

圖5 全局參數(shù)設(shè)置頁(yè)面

4.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)

首先所要完成的任務(wù)是對(duì)農(nóng)場(chǎng)中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)傳輸。先使用各類傳感器將農(nóng)場(chǎng)中的溫濕度、光照等環(huán)境信息進(jìn)行采集，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳到新大陸物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)步驟如下：（1）鑒于要與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)通信，所以在Android studio 項(xiàng)目中引入第三方平臺(tái)jar包；（2）加入網(wǎng)絡(luò)訪問權(quán)限；（3）創(chuàng)建Cloud-Helper 幫助類，在CloudHelper 中定義了signIn()、getSensorDate()、getToken()三個(gè)方法，使用signIn()登錄到云平臺(tái)并通過getSensorDate()獲取傳感器數(shù)據(jù)值，在主界面上實(shí)時(shí)更新（見圖6）。

圖6 環(huán)境監(jiān)測(cè)界面

4.4 禁入監(jiān)控

禁入?yún)^(qū)有人闖入時(shí)，移動(dòng)端app會(huì)將警報(bào)信息存儲(chǔ)到服務(wù)器，這里的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問是通過調(diào)用服務(wù)器端WebService 來實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)端定時(shí)將人體傳感器檢測(cè)到的信息發(fā)送至Service 服務(wù)端進(jìn)行保存，當(dāng)移動(dòng)端需要查看警報(bào)信息時(shí)，先發(fā)送請(qǐng)求給服務(wù)端，服務(wù)端提供警報(bào)信息給移動(dòng)端。要與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，則首先需要?jiǎng)?chuàng)建WebService 服務(wù)，然后創(chuàng)建WebServiceHelper 類，我們希望能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體數(shù)據(jù)，因此需要更新活動(dòng)MainActivity中定時(shí)器任務(wù)，保證數(shù)據(jù)隨時(shí)更新，點(diǎn)擊禁入?yún)^(qū)監(jiān)控界面的文本組件，跳轉(zhuǎn)到警報(bào)信息界面。警報(bào)信息界面如圖7、圖8所示。

圖7 禁入警報(bào)界面

圖8 監(jiān)控界面

4.5 設(shè)備控制

當(dāng)智慧農(nóng)場(chǎng)中的溫度、濕度、光照的值不斷變化時(shí)，通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)從移動(dòng)終端接收控制指令并將指令發(fā)送給網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)各執(zhí)行器的開關(guān)控制。前面提到的CloudHelper 類中已經(jīng)包含了signIn()、getSensorData()實(shí)現(xiàn)了登錄云平臺(tái)、從云平臺(tái)獲取傳感器數(shù)據(jù)的方法，我們還要在CloudHelper類中添加onOff()方法用于打開和關(guān)閉執(zhí)行器。為了使實(shí)現(xiàn)效果更佳，我們還需在移動(dòng)端的主頁(yè)面中添加Android視圖動(dòng)畫，從而實(shí)現(xiàn)各圖標(biāo)以動(dòng)畫的形式來顯示，比如通風(fēng)控制設(shè)備打開后，風(fēng)扇圖片能夠轉(zhuǎn)

動(dòng)，空調(diào)控制設(shè)備打開后，可以模擬送風(fēng)動(dòng)畫，這樣可以給用戶賦予更加直觀的感覺（見圖9）。

圖9 設(shè)備控制界面

5 結(jié)束語

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以有效推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化水平的提升,基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)場(chǎng)，，物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧農(nóng)場(chǎng)的精細(xì)化、全程化管理，有效實(shí)現(xiàn)了溫室大棚對(duì)光照、CO：、濕度、溫度等植物生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制，同時(shí)系統(tǒng)采用了Android 開發(fā)中主流的技術(shù)，力求做到用戶界面友好、功能實(shí)用、數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)等特點(diǎn)，切實(shí)為溫室大棚種植精細(xì)化管控提供典型的解決方案。