基于Android系統(tǒng)的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：為了解決生產(chǎn)中蔬菜大棚種植區(qū)域不集中、種植人員掌握科技能力欠缺、傳統(tǒng)有線監(jiān)控操作復雜組網(wǎng)困難、監(jiān)控距離受限制、采集數(shù)據(jù)不科學和不準確的問題，以及能實時對蔬菜大棚中環(huán)境參數(shù)信息進行監(jiān)控，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡和Android系統(tǒng)，設計了基于Android系統(tǒng)的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)；對系統(tǒng)中傳感器終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器、GPRS模塊、Android軟件進行了設計說明。各個傳感器終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)信息，以igBee無線傳送技術發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器經(jīng)過串口通信與Android平板電腦進行通信，同時經(jīng)GPRS模塊把相應數(shù)據(jù)信息發(fā)送到移動設備終端，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的實時檢測，并與預設的參數(shù)范圍進行比較，超出范圍能實時報警，并向控制器發(fā)送命令自動打開安裝在蔬菜大棚中的機電設備，使蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)適合蔬菜生長。系統(tǒng)經(jīng)過測試，可實時監(jiān)測到數(shù)據(jù)信息，各種傳感器數(shù)據(jù)精確度達到生產(chǎn)要求，機電設備控制良好。該系統(tǒng)擴展性強、設計靈活，具有一定實用價值和良好應用空間。

關鍵詞：：監(jiān)測系統(tǒng)；Android系統(tǒng)；GPRS；蔬菜大棚；環(huán)境參數(shù)

中圖分類號：TP273；S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0423-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-03-14

基金項目：廣西高?？蒲许椖浚ň幪枺?013LX233；廣西高校優(yōu)秀中青年骨干教師培養(yǎng)工程培養(yǎng)對象項目。

作者簡介：黃鶯（1980—，男，廣西武宣人，碩士，副教授，研究領域為智能檢測與控制技術、物聯(lián)網(wǎng)技術。E-mail：huangying800816@163com。

我國的蔬菜大棚已經(jīng)形成規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化，大棚管理水平直接影響著蔬菜的產(chǎn)量和質(zhì)量，在生產(chǎn)過程中對大棚環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控具有重要的意義[1-2]。及時了解蔬菜大棚的溫度、濕度、可燃氣體濃度、火焰有無、CO2濃度、光照等數(shù)據(jù)信息是非常必要的，通過手工采集大棚中的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)費時費力。傳統(tǒng)的有線監(jiān)控方式操作復雜，不能滿足實際的需要。目前基本上是通過人工干預的方式，對蔬菜大棚指定區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行調(diào)控，使之適合所培養(yǎng)作物生長的需求。

傳統(tǒng)的管理和監(jiān)控過程中監(jiān)測點都是有線接入，過程繁瑣、建置和維護成本較高，系統(tǒng)的可擴展性和移動性較差[5-7]。無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)對多個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊傳送到主控端[8-10]，以便能實時監(jiān)測和更好管理。王建平等采用物聯(lián)網(wǎng)技術和Internet技術實現(xiàn)溫室大棚的智能化[11]。石建飛等以PLC為核心對育秧棚的空氣溫濕度、土壤溫度、土壤水分等參數(shù)進行實時采集和監(jiān)控，并利用無線通信方式把數(shù)據(jù)上傳上位機，達到遠程實時監(jiān)控的目的[12]。

Android系統(tǒng)基于Linux內(nèi)核，是一款先進的、流行的嵌入式操作系統(tǒng)。選擇Android具有技術先進成熟、開發(fā)周期短、實用性強的特點，符合嵌入式發(fā)展方向，已廣泛應用在各行業(yè)，同時Android系統(tǒng)本身支持眾多的傳感器，易于開發(fā)。隨著智能手機的普及，并且有可能人手一臺，網(wǎng)絡覆蓋廣，不受距離限制[1，13]。陳剛闡述了在Android 驅(qū)動程序中對傳感器數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換的方法[14]，吳振深等設計了基于Android 智能手機的移動式環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[15]，郭志偉等利用GSM技術對農(nóng)田氣象信息進行遠程監(jiān)控[16]，徐巧年等設計了利用GSM無線傳輸技術的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[17]。為了能夠?qū)崟r監(jiān)測生產(chǎn)過程中大棚蔬菜環(huán)境數(shù)據(jù)信息，利用GSM網(wǎng)絡覆蓋面廣，不受距離限制的特點，可以以短消息的方式實現(xiàn)實時無線通信[18-19]，因此使用當前的智能手機進行傳感器數(shù)據(jù)收集及傳輸可以達到實時監(jiān)控的目的。

為了解決生產(chǎn)過程中蔬菜大棚種植區(qū)域不集中、種植人員掌握科技能力欠缺、傳統(tǒng)有線監(jiān)控操作復雜組網(wǎng)困難、監(jiān)控距離受限制、采集數(shù)據(jù)不科學和不準確的問題，設計了基于Android手機的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，利用手機實現(xiàn)對蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、處理與控制。該系統(tǒng)可以實時檢測蔬菜大棚中環(huán)境溫度、濕度、光照強度、CO2 濃度、火焰參數(shù)以及人體感應檢測，并與系統(tǒng)中預設的參數(shù)范圍進行比較，如果超出范圍，則發(fā)送相應命令到控制器模塊自動打開控制設備，如燈光、風扇、加熱器、加濕器等，使蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)適合蔬菜生長。

1系統(tǒng)工作原理

監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、GPRS模塊和 Android 監(jiān)測軟件組成。把傳感器終端節(jié)點安裝在需要采集數(shù)據(jù)的地方，對蔬菜大棚內(nèi)的溫度、濕度、可燃氣體濃度、光照強度、CO2 濃度、火焰感測和人體感應進行監(jiān)測，各個監(jiān)測節(jié)點把采集的數(shù)據(jù)信息通過igBee無線傳輸技術傳送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口通信與Android平板電腦或GPRS模塊進行通信，發(fā)送到智能手機上；點擊智能手機上的按鈕，協(xié)調(diào)器傳送命令到控制器，通過I/O口驅(qū)動繼電器動作，控制機電設備工作狀態(tài)。同時，在手機上可以設置各個參數(shù)的范圍，當采集到的數(shù)據(jù)超過設置范圍，實現(xiàn)報警；也可能通過點擊手機上的按鍵去控制相應設備工作。

2系統(tǒng)硬件設計

傳感器終端節(jié)點和控制器節(jié)點都是采用CC2530作為核心，配合傳感器完成數(shù)據(jù)信息的采集，并把信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器?？刂破鹘邮諈f(xié)調(diào)器發(fā)送過來的信號，經(jīng)過繼電器電路控制與之連接的機電設備，系統(tǒng)可以快速地擴展其他傳感器終端節(jié)點和控制器節(jié)點，只要設置好地址、頻道等，就可以與協(xié)調(diào)器組成網(wǎng)絡，進行通信。

網(wǎng)絡的建立維護和數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)是協(xié)調(diào)器的主要職責，主要是給傳感器終端節(jié)點分配地址和完成與各個傳監(jiān)測節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信，并與平板電腦、GPRS模塊結(jié)合完成信息的處理和控制。

借助GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術，實現(xiàn)了對蔬菜大棚內(nèi)數(shù)據(jù)的實時性、準確性、高效性管理[20]。系統(tǒng)中采用RS232標準實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與GPRS的通信。

3系統(tǒng)軟件設計

31GPRS功能實現(xiàn)

GPRS模塊控制的方法是使用AT 命令[21]。程序首先對串口、串口波特率、DCB、奇偶校驗、流量控制、以及創(chuàng)建線程、發(fā)送數(shù)據(jù)格式等進行設置。設置完成后，手機進入監(jiān)聽狀態(tài)，當有數(shù)據(jù)寫入緩沖時，就發(fā)送到指定手機上。

32傳感器終端節(jié)點功能實現(xiàn)

由于系統(tǒng)中存有多個傳感器終端節(jié)點和控制器節(jié)點，程序定義一個參數(shù)SENSOR_TYPE用來標記使用傳感器終端節(jié)點，還定義了igBee的頻道、網(wǎng)絡id、主控器地址、傳感器終端節(jié)點地址和控制器地址等信息，以實現(xiàn)協(xié)調(diào)器能正常與多個傳感器終端節(jié)點和控制器節(jié)點通信，而不發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸沖突。傳感器終端節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)格式如下：

FF FD 00 04 30 30 00 00 hh hh hh（byte1-byte11

其中數(shù)據(jù)格式說明如表1所示。

[F（W14][HT6H][J]表1發(fā)送數(shù)據(jù)格式[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG12，W9，W20W] 數(shù)據(jù)符號數(shù)據(jù)格式說明

byte1 byte2傳感器端數(shù)據(jù)發(fā)送的固定頭，固定為 FF FD

byte3數(shù)據(jù)類型的標志

00 光電感測器的數(shù)據(jù)

01 溫濕度感測器的數(shù)據(jù)

03 火焰感測器的數(shù)據(jù)

04 CO2感測器的數(shù)據(jù)

05 可燃感測器的數(shù)據(jù)

06 人體感測器的數(shù)據(jù)

byte4傳感數(shù)據(jù)長度（統(tǒng)一為04

byte5-byte8傳感器數(shù)據(jù)

byte9-byte10保留

byte11byte1-byte10 校驗值（相加取低8位[HJ][BG）F][F）]

33控制器節(jié)點功能實現(xiàn)

協(xié)調(diào)器在接收到相應信息后會向控制器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，通過I/O口驅(qū)動繼電器動作，控制機電設備工作狀態(tài)。協(xié)調(diào)器向控制器送數(shù)據(jù)格式如下：

FA FB 06 06 01 00 00 00 00 00 chk（byte1-byte11

其中數(shù)據(jù)格式說明如表2所示。

[F（W15][HT6H][J]表2發(fā)送數(shù)據(jù)格式說明[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG12，W6，W23W]數(shù)據(jù)符號數(shù)據(jù)格式說明

byte1 byte2協(xié)調(diào)器端數(shù)據(jù)發(fā)送控制繼電器命令的固定頭FA FB

byte3協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)發(fā)送對象

06：發(fā)送命令給繼電器1端

07：發(fā)送命令給繼電器2端

08：發(fā)送命令給繼電器3端

09：發(fā)送命令給繼電器4端

0A：發(fā)送命令給繼電器5端

0B：發(fā)送命令給繼電器6端

byte4命令長度，固定為6

byte5發(fā)送給繼電器的命令內(nèi)容

02為關閉繼電器命令

01為開啟繼電器命令

byte6-yte10保留

byte11byte1-byte10 校驗值（相加取低8位[HJ][BG）F][F）]

34Android監(jiān)控軟件設計

由于Android系統(tǒng)是開源性、集成操作的系統(tǒng)，提供了豐富的用戶界面中間件和重要應用程序，用戶可以快速進行二次開發(fā)，廣泛應用在智能手機中。Android監(jiān)控軟件主要由底層通信模塊和界面設計模塊組成。

341底層通信模塊

底層通信模塊主要實現(xiàn)與igBee模塊間的通信，包括串口操作和讀取數(shù)據(jù)2部分。在串口操作文件（linuxsjava中對打開串口、關閉串口、設置串口信息、發(fā)送串口信息和接收串口信息進行了功能函數(shù)定義。通過異步讀取傳感器值文件（ReceiveThreadjava在后臺實時讀取傳感器數(shù)據(jù)，并儲存在相關數(shù)據(jù)類中。具體定義如下：

（1打開串口。函數(shù)格式為：public static native int openUart（int I，int j。

其中i是串口值，如com3值為3；j是串口形式，0表示是COM，1表示USB。

（2關閉串口。函數(shù)格式為：public static native int ocloseUart（int fd。

其中fd是串口數(shù)值。

（3設置串口。函數(shù)格式為：public static native int setUart（int fd，int burd，int returntimeout，int returnminlen。

其中fd是串口數(shù)值；burd是波特率，默認值是38 400，數(shù)值為5；returntimeout是返回超時時間，設置成0是立即返回；returnminlen是最小返回長度，設置成0不管長度多少立即返回。此函數(shù)返回0值表示設置出錯，返回大于0數(shù)值表示設置成功。

（4發(fā)送串口信息。函數(shù)格式為：public static native int sendMsgUartHex（int fd，String msg，int len。

其中fd是串口數(shù)值；msg是十六進制格式數(shù)據(jù)；len是數(shù)據(jù)長度。

（5接收串口。信息函數(shù)格式為：public static native int receiveMsgUartHex（int fd。

其中fd是串口數(shù)值；返回十六進制的傳感器數(shù)值。

342界面設計模塊

使用XML文件生成方法進行界面設計，每一個界面都有唯一的XML文件與之相對應，如主界面mainframexml，設置參數(shù)范圍settingxml。界面主要是由一系列的控件來組成。文本控件TextView負責文本顯示，比如主界面的溫度、濕度、可燃氣體、光照強度、CO2 濃度、火焰感測和人體感應的文本顯示。圖像按鈕ImageButton主要負責用戶的請求輸入，通過點擊屏幕上的按鈕去控制對應的機電設備工作狀態(tài)。編輯文本EditText負責用戶對各個參數(shù)范圍的數(shù)值輸入。按鈕控件Button負責用戶點擊請求的輸入，如設置參數(shù)界面中的數(shù)值的保存和取消功能等按鈕。

4系統(tǒng)的測試

根據(jù)設計的要求，系統(tǒng)設計完成并搭建。

41硬件連接

在DMA-210XP類型的平板電腦上安裝好協(xié)調(diào)器（B2530-03 模塊，接好天線。其他傳感器終端節(jié)點上插好傳感器模塊，并接上天線。并把所有模塊、平板電腦電源線接好。

42軟件安裝

將IAR軟件編寫好的 “協(xié)調(diào)器程序”燒錄到DMA-210XP上插入的B2530-03模塊中；把各個傳感器節(jié)點采集程序的HEX文件燒錄到相應的傳感器節(jié)點中；同時也把控制各個機電設備的控制器程序燒錄到相應控制器中，并標志好6個繼電器，后面要求對應。并且把使用android-sdk和 eclipse 開發(fā)環(huán)境生成的監(jiān)測軟件安裝到平板電腦上。接通電源后，協(xié)調(diào)器上的指示燈會亮起并閃爍，各個傳感器上的指示燈常亮，說明各個模塊能正常工作。

43結(jié)果測試

[JP2]在平板電腦上點擊安裝好的監(jiān)測軟件圖標進入監(jiān)測界面，對系統(tǒng)各個功能進行測試，各個傳感器能夠傳回正確數(shù)據(jù)。通過點擊繼電器按鈕，控制器節(jié)點工作正常，相應的機電設備能正確響應。系統(tǒng)測試結(jié)果說明，系統(tǒng)實現(xiàn)相應功能，成功讀取各個傳感器終端節(jié)點數(shù)據(jù)，點擊界面上的按鈕，可以成功打開斷電器電路，控制機電設備的工作狀態(tài)。系統(tǒng)運行正常、穩(wěn)定，所有功能都能實現(xiàn)。相關界面如圖1-a和圖1-b所示。

主界面運行顯示圖中左面是各個傳感器終端節(jié)點采集發(fā)送回來的數(shù)值。右面是控制器通過繼電器電路控制機電設備工作狀態(tài)，OFF說明機電設備不工作，ON說明機電設備正在運行。不同的繼電器控制不同的機電設備。

5結(jié)論

[JP2]本試驗設計了一種基于Android手機的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的整體架構和軟件設計。在系統(tǒng)開發(fā)過程中解決了Android客戶端傳感器數(shù)據(jù)收集及傳輸技術。同時，對所開發(fā)的系統(tǒng)進行了測試，并取得了滿意的結(jié)果。

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