摘 要： 提出了基于Android和智能傳感技術(shù)的溫室管理系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建底層WSN，利用移動通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)信息遠(yuǎn)程傳輸，支持桌面版、Web版、移動終端版管理模式。實驗表明，該系統(tǒng)可實時采集溫室環(huán)境參數(shù)，根據(jù)預(yù)設(shè)作物生長周期需求自動調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，通過本地服務(wù)器、遠(yuǎn)程PC和智能手機3種方式進行操作管理。
關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；Android；WSN；ZigBee；Web Service
隨著信息化逐步推進，計算機技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)等信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益增強。如何將先進的傳感、通信和數(shù)據(jù)處理等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，構(gòu)建智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，通過感知技術(shù)獲取更多的信息，通過網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)共享獲得更多的網(wǎng)絡(luò)實時服務(wù)，從而提高精細(xì)農(nóng)業(yè)科學(xué)決策水平和作業(yè)實施水平[1-2]，是當(dāng)前科技工作人員研究的重要課題。
本文針對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域需要控制管理系統(tǒng)低成本、低功耗、高智能化的特點，設(shè)計了一套基于Android平臺和智能傳感技術(shù)的溫室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將傳感器與微處理器整合為智能傳感節(jié)點，具有信息采集、處理、通信功能，同時將控制設(shè)備與微處理器整合為智能控制節(jié)點，利用ZigBee技術(shù)將多個智能傳感節(jié)點、智能控制節(jié)點等構(gòu)建底層無線傳感網(wǎng)WSN（Wireless Sensor Network）[3-6]，開發(fā)了PC端桌面版管理軟件、Web版管理軟件和基于Android的移動終端管理軟件，可以實現(xiàn)溫室信息的無線采集與傳輸、信息保存與分析處理以及溫室環(huán)境參數(shù)的自動控制。用戶不必局限于在監(jiān)控中心才能查看信息并進行操作管理，也可以遠(yuǎn)程通過智能手機或電腦登錄系統(tǒng)進行操作管理。
1 系統(tǒng)設(shè)計
本文所設(shè)計的智能溫室管理系統(tǒng)按位置布局可分為溫室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心兩部分。溫室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)包括智能傳感節(jié)點、智能控制節(jié)點、協(xié)調(diào)器、GPRS模塊。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心包括PC、信息管理系統(tǒng)軟件、移動控制終端（智能手機及配套控制軟件）。利用GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)載體，為上層應(yīng)用和底層設(shè)備進行信息交互提供遠(yuǎn)程傳輸通道。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1 溫室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計
CC2530芯片內(nèi)含一個單周期的高性能低功耗8051兼容內(nèi)核和一個兼容2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器，具有極高的靈敏度和抗干擾性能，有多種運行模式，特別適合于超低功耗需求的系統(tǒng)應(yīng)用。根據(jù)本系統(tǒng)低成本、低功耗、靈活布局的需求，確定CC2530作為溫室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器主控芯片。
智能傳感節(jié)點由ZigBee終端節(jié)點與溫度、濕度、光照等傳感器相連，智能控制節(jié)點由ZigBee終端節(jié)點與風(fēng)機、電磁閥、加熱器、卷簾機等控制設(shè)備相連。協(xié)調(diào)器與GPRS模塊通過串行接口相連，如圖2所示。GPRS模塊核心部件為Simcom公司的SIM300模塊。SIM300具有低功耗設(shè)計，休眠模式下電流消耗只有2.5 mA；內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴展了TCP/IP AT指令，便于用戶使用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。
2.2 溫室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計
2.2.1 ZigBee無線組網(wǎng)流程
組建一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)兩個步驟[4-5]。協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)、獲得終端節(jié)點加入后，定時輪詢智能傳感節(jié)點，將采集到的溫度、濕度、光照參數(shù)通過串口通信傳遞給GPRS模塊，再經(jīng)GPRS模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。同時協(xié)調(diào)器通過串口獲取GPRS模塊收到的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心指令。
2.2.2 終端節(jié)點工作流程
本文設(shè)計傳感器與控制設(shè)備分離，便于各組傳感節(jié)點和控制節(jié)點靈活布局，增強系統(tǒng)可維護性。為了避免無線模塊長時間脫離網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了心跳包檢測程序，測試異常則自動重啟本節(jié)點并重新申請加入網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。
控制節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，平時處于休眠狀態(tài)，收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的指令喚醒后，解析指令內(nèi)容，確定對風(fēng)機、電磁閥、加熱器、卷簾機等控制設(shè)備的操作。
2.2.3 GPRS通信
GPRS模式負(fù)責(zé)底層設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心PC之間的信息交互。監(jiān)控中心PC部署為服務(wù)器，具有公網(wǎng)IP，GPRS模塊作為客戶端，與監(jiān)控中心服務(wù)器之間建立一個TCP/UDP連接，然后實現(xiàn)設(shè)備層與監(jiān)控中心PC的TCP/UDP數(shù)據(jù)傳輸。
2.3 監(jiān)控中心信息管理系統(tǒng)設(shè)計
監(jiān)控中心智能溫室信息管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2.3.1 桌面版管理軟件
桌面版管理軟件通過數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與GPRS模塊進行信息交互，將收到的信息分析處理后寫入后臺數(shù)據(jù)庫，根據(jù)農(nóng)業(yè)專家預(yù)設(shè)策略或操作人員指令生成控制指令發(fā)送給GPRS模塊。為了協(xié)調(diào)Web版管理軟件的數(shù)據(jù)收發(fā)，桌面版管理軟件不直接與GPRS模塊通信，而是利用多線程技術(shù)實現(xiàn)信息存儲轉(zhuǎn)發(fā)，避免硬件資源沖突。桌面版管理界面如圖5所示。
2.3.2 Web版管理軟件
Web版管理軟件主要實現(xiàn)一個B/S方式的Web服務(wù)器[7]。Web版管理軟件與基于Android平臺的移動終端管理軟件利用Webservice技術(shù)實現(xiàn)信息交互。Webservice是一種跨編程語言和跨操作系統(tǒng)平臺的遠(yuǎn)程調(diào)用技術(shù)。移動終端要訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，需向Web服務(wù)器提出請求，服務(wù)器根據(jù)請求生成訪問數(shù)據(jù)庫的SQI語句并執(zhí)行，將結(jié)果封裝成特定格式并返回給移動終端，移動終端得到響應(yīng)后將結(jié)果展示在相應(yīng)界面上，如圖6所示。
服務(wù)器端Web版管理軟件提供Web服務(wù)，部分核心代碼如下：
using System.Web;
using System.Web.Services;
[WebService(Namespace = "http://119.35.171.107/")]
[WebServiceBinding(ConformsTo=WsiProfiles.BasicProfile1_1)]
public class agrwebservice：System.Web.Services.WebService {
……
#region//獲取溫度、濕度、光照等傳感器數(shù)據(jù)
[WebMethod]
public string[] getthidata()
{ object[] objarr = bd.getthidata();
....... }
#endregion
#region//傳送指令控制1號田塊1號風(fēng)機開啟
[WebMethod]
public int fanmOpen()
{ ……
return BS.sendcommands("55B10111B4AA",
"風(fēng)機開"); }
#endregion
......
}
2.3.3 基于Android的移動終端管理軟件
Android被譽為“第一個完整、開放且免費的移動平臺”，開發(fā)人員在開發(fā)應(yīng)用程序時獲得了前所未有的訪問手機設(shè)備的權(quán)限[8]。Android 軟件開發(fā)包SDK（Software Development Kit）提供了豐富的類庫，便于開發(fā)人員在此基礎(chǔ)上更高效地開發(fā)各種應(yīng)用。不過在Android SDK 中并沒有提供調(diào)用Web Services的庫，為了實現(xiàn)在Android 平臺上訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，本系統(tǒng)在開發(fā)移動終端管理軟件時加載了第三方類庫ksoap2，獲取部署在監(jiān)控中心的Web服務(wù)器的Webservice調(diào)用。移動終端管理界面如圖7所示。
3 系統(tǒng)運行測試
為了測試系統(tǒng)整體運行效果，選取農(nóng)科院實驗場地，配置3組無線傳感節(jié)點采集溫度、濕度、光照參數(shù)，配置2組無線控制節(jié)點驅(qū)動風(fēng)機、噴水灌溉電磁閥、加熱器、卷簾門，運行界面見圖5～圖7所示。在系統(tǒng)界面設(shè)置好各項參數(shù)上下限閾值后，選擇進入自動模式，系統(tǒng)進入全自動運行狀態(tài)，各設(shè)備運行良好。
農(nóng)業(yè)信息化前沿技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用對于發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提升農(nóng)業(yè)整體素質(zhì)，創(chuàng)新農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式，都具有重大而積極的意義。本系統(tǒng)充分利用先進的通信技術(shù)與計算機技術(shù)，研發(fā)集數(shù)據(jù)采集、分析、決策于一體的智能溫室管理系統(tǒng)。底層設(shè)備采用ZigBee無線組網(wǎng)，既節(jié)能低耗，又能夠根據(jù)農(nóng)田面積靈活增加節(jié)點模塊，避免復(fù)雜布線，降低系統(tǒng)維護運營成本。上層管理系統(tǒng)提供桌面版、Web管理版、移動終端版管理模式，界面簡單直觀，便于用戶隨時隨地查看信息操作管理。本系統(tǒng)可提高設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低勞動力投入，并具有易部署、易維護、成本低、通用性強等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻
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