基于Arduino/Android的養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

張炳權 田思慶　吳迪 曹宇 鄭家風

摘要 針對當今畜牧業(yè)發(fā)展需求，以Arduino開源板和Android手機作為開發(fā)平臺，設計了一套無線網(wǎng)絡養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。通過傳感器將養(yǎng)殖場內(nèi)的環(huán)境信息以及設備運轉狀態(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)關模塊，網(wǎng)關模塊通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送至本地服務器，Android手機客戶端通過無線網(wǎng)絡將服務器的數(shù)據(jù)與手機內(nèi)的APP進行交互，以完成對養(yǎng)殖場內(nèi)環(huán)境的調控。該系統(tǒng)具有部署方便、成本低、可靠性高、擴展性強等優(yōu)點，具有推廣應用價值。

關鍵詞 Arduino；Android；養(yǎng)殖場；環(huán)境監(jiān)控；系統(tǒng)設計

中圖分類號 S818.9 文獻標識碼 A 文章編號 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)制造相結合，能促進我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的生產(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）與人機界面（HMI）作為控制系統(tǒng)的核心單元，對于大型的養(yǎng)殖場，表現(xiàn)出的缺點有：控制柜與各個傳感器和執(zhí)行部件之間的線纜過長，布線復雜，露出部分易被牲畜啃食造成系統(tǒng)癱瘓。鑒于此，筆者設計了一種新的養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用Arduino開源板與Android手機作為控制系統(tǒng)的核心單元，對養(yǎng)殖場內(nèi)環(huán)境進行調控，同時還利用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或平板設備對養(yǎng)殖場內(nèi)的環(huán)境進行調控。

1 系統(tǒng)組成和總體設計

該系統(tǒng)主要由4個部分組成：控制系統(tǒng)終端層、中心網(wǎng)關層、服務器層以及用戶手機管理層。控制系統(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)場設備所控制的不同環(huán)境參數(shù)，設置相匹配的控制模塊，可任意擴展；中心網(wǎng)關層：主要通過Zigbee模塊與控制系統(tǒng)終端層的各個小的終端模塊進行數(shù)據(jù)交互；服務器層：將中心網(wǎng)關發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲于服務器的數(shù)據(jù)庫中；用戶手機管理層：使用應用程序（APP）通過無線網(wǎng)絡訪問服務器數(shù)據(jù)，完成對養(yǎng)殖場現(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)控，并且可在線多人員實時監(jiān)控系統(tǒng)。其總體設計見圖1。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 中心網(wǎng)關設計

中心網(wǎng)關主要是將控制終端所采集和控制的數(shù)據(jù)發(fā)給服務器，并接收服務器所返回的指令，再將指令分送給各個終端設備，其設計結構見圖2。中心網(wǎng)關的硬件設計包括控制單元、電源單元以及無線通信單元。處理控制單元Arduino 是一個基于Atmel集成器的以自動電壓調節(jié)器（AVR）和ARM（Advanced RISC Machines）為控制器的開源軟硬件平臺[1]。該系統(tǒng)應用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的交流電轉化成5 V和3.3 V直流電以提供各個模塊的工作電壓。無線通信單元包括Zigbee模塊和WiFi模塊。Zigbee無線傳感技術是一種雙向通信技術[2]，將各個終端與中心網(wǎng)關所有設備接入蜂窩網(wǎng)絡，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服務器，將數(shù)據(jù)存儲至服務器中。中心網(wǎng)關在整個系統(tǒng)運轉中起到橋梁作用，是服務器與底層設備間數(shù)據(jù)交互的紐帶。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設計

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，其終端的設計結構見圖3。溫濕度終端模塊的硬件由5個單元構成：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警單元。前3個單元的作用與中心網(wǎng)關相似，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數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器[3]，其測量范圍：濕度為20%～90%RH，溫度為0～50 ℃。報警單元以蜂鳴器作為報警器件，當溫度、濕度超過或者低于設定值時發(fā)出報警，以提醒人員對設備進行查看。溫濕度采集模塊在控制系統(tǒng)中起著至關重要的作用，感知養(yǎng)殖場內(nèi)環(huán)境的變化。

2.3 執(zhí)行器邏輯模塊設計

執(zhí)行器邏輯模塊主要實現(xiàn)自動補水、定時補料、定時通風的控制，其終端的設計結構見圖4。執(zhí)行器邏輯模塊共包括5個單元：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。輸入單元包括手動控制按鈕，可以現(xiàn)場通過按鈕手動觸發(fā)執(zhí)行設備的啟動和停止，液位開關反饋水位是否到達設定液位。輸出單元連接補料出發(fā)控制器、補水電磁閥和通風扇等。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 各個模塊軟件設計

中心網(wǎng)關在整個系統(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器間的數(shù)據(jù)交互。中心網(wǎng)關主要負責終端設備與服務器間數(shù)據(jù)相互傳輸，其程序設計流程見圖5。溫濕度采集模塊首先驅動DHT11，使其獲取室內(nèi)的溫度和濕度，然后按照Zigbee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)格式1進行數(shù)據(jù)打包，發(fā)送給中心網(wǎng)關和Zigbee網(wǎng)絡內(nèi)的其他模塊，其程序設計流程見圖6。

執(zhí)行器邏輯模塊主要完成定時補料、實時補水和定時通風，其程序設計流程見圖7。定時補料，根據(jù)牲畜的需求，按照事先設置好的時間段定時定量供料；實時補水，水槽內(nèi)的水位始終保持恒定，保證牲畜的飲用水源不會中斷；定時通風，養(yǎng)殖場內(nèi)牲畜所排放出的氣體會影響?zhàn)B殖場內(nèi)的環(huán)境，定時通風，以保證養(yǎng)殖場內(nèi)的空氣新鮮。服務器的搭建主要是搭建本地的私人服務器、PHP調試環(huán)境、開發(fā)工具、開發(fā)手冊等[4]。在PHPServer文件中包含用戶的信息，主機地址，針對安卓客戶端所編寫的應用程序接口（API）等，服務器端的程序設計流程見圖8。

3.2 Android客戶端APP設計

為了保證系統(tǒng)人機界面人性化的需求，設計了一款與該系統(tǒng)相匹配運行的APP。Android是一種以 Linux為基礎的開放源碼操作系統(tǒng)，主要應用于移動設備[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、服務層、保持層三大部分組成[6]。

4 系統(tǒng)運行

該系統(tǒng)在實驗室環(huán)境下進行模擬測試，達到了預期效果。配置本地服務器，使其處在運行狀態(tài)下，將中心網(wǎng)關、溫濕度采集模塊和執(zhí)行器邏輯模塊安裝在試驗臺上，使其自動組網(wǎng)并連入服務器，當系統(tǒng)正常接入服務器后，服務器后臺可以看到終端設備已經(jīng)綁定，打開手機客戶端的APP，使用注冊的用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，登錄后可以看到當前網(wǎng)關狀態(tài)，顯示網(wǎng)關正常運行中，表示手機客戶端已經(jīng)通過服務器與終端通信上了。此時可以查看當前的環(huán)境狀態(tài)，并可以對系統(tǒng)的執(zhí)行器實施遠程控制。

5 結論

該系統(tǒng)以Arduino開源板和Android手機作為開發(fā)平臺，設計了一套無線網(wǎng)絡養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，提高了自動化養(yǎng)殖系統(tǒng)的控制手段，解決了傳統(tǒng)飼養(yǎng)控制系統(tǒng)布線復雜、設備成本價值高、維護不方便等問題。Android平臺的應用，開創(chuàng)了手機管理養(yǎng)殖場的新模式，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)絡將服務器的數(shù)據(jù)與手機內(nèi)的APP進行交互，就可以完成對養(yǎng)殖場內(nèi)環(huán)境的調控。該系統(tǒng)適合各類養(yǎng)殖場使用，具有研發(fā)成本低、擴展能力強和維護方便等優(yōu)點，便于大范圍推廣。

參考文獻

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