基于Android 的農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

梁莉娟

摘要：針對(duì)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境的實(shí)際情況，提出了在 Android 平臺(tái)上編寫農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)程序、構(gòu)建用戶界面、通信程序，為了能夠及時(shí)地收集到溫室內(nèi)部影像信息和溫室中環(huán)境參數(shù)變化的信息，使用核心嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信和3G網(wǎng)絡(luò)，使得用戶能夠及時(shí)地對(duì)溫室內(nèi)植物的生長(zhǎng)發(fā)育情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；Android；3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；溫室環(huán)境參數(shù)

中圖分類號(hào)： TP277.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）15-0206-03

雖然我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，但從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員的文化素質(zhì)和農(nóng)業(yè)科技整體水平普遍較低，現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，對(duì)提高農(nóng)業(yè)科技整體水平和技術(shù)有關(guān)鍵性的作用，現(xiàn)代信息技術(shù)在種植和養(yǎng)殖方面給農(nóng)民提供了很大的幫助。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，利用先進(jìn)的Android平臺(tái)手機(jī)終端和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合遠(yuǎn)程控制技術(shù)，可對(duì)作物生長(zhǎng)與環(huán)境之間的動(dòng)態(tài)參數(shù)變化進(jìn)行精確控制，并能及時(shí)提前了解作物生長(zhǎng)發(fā)育、作物病蟲害風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)診斷研究實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，這無(wú)疑是一種新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展模式。

谷歌公司和幾家相關(guān)移動(dòng)通信企業(yè)一起成立的開放手機(jī)聯(lián)盟，對(duì)Android平臺(tái)技術(shù)進(jìn)行了成功的研究和推廣，使得以Android系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能手機(jī)和智能平板電腦的產(chǎn)量猛增，與此同時(shí)Android系統(tǒng)影響力也大幅提升，目前已經(jīng)占領(lǐng)了超過(guò)1/3的移動(dòng)終端操作系統(tǒng)的市場(chǎng)份額，越來(lái)越多的人對(duì)其發(fā)展前景也很看好。Android操作系統(tǒng)比其他操作系統(tǒng)更開放，同時(shí)也更利于開發(fā)者能夠快速開發(fā)應(yīng)用程序。本研究選擇Android系統(tǒng)平臺(tái)搭建移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用。

1整體系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是利用3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)使用Android手機(jī)作為終端，遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境作為目標(biāo)。其中整個(gè)硬件系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)搜集模塊、視頻監(jiān)控模塊、系統(tǒng)控制模塊幾個(gè)部分組成。移動(dòng)終端為Android和3G網(wǎng)絡(luò)模塊。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

數(shù)據(jù)搜集模塊負(fù)責(zé)溫室環(huán)境參數(shù)的采集，視頻監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)溫室內(nèi)部視頻信息收集，核心模塊參數(shù)和視頻信息傳輸系統(tǒng)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由3G網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)和Android移動(dòng)終端監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)交換，并把收集到的實(shí)時(shí)視頻信息和溫室環(huán)境參數(shù)展現(xiàn)給用戶。

整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心是核心模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交替、編碼和解碼、操控、儲(chǔ)存等。在核心模塊上將影響數(shù)據(jù)采集模塊變化的環(huán)境參數(shù)的變化通過(guò)短距離無(wú)線傳輸協(xié)議收集的信息

[FK（W8][TPLLJ1.tif]

進(jìn)行處理，主要采集空氣濕度、溫度、土壤水分、光照度和溫室環(huán)境的CO2濃度參數(shù)信息；核心模塊將監(jiān)控?cái)z像機(jī)視頻信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理組成了視頻采集模塊。控制系統(tǒng)的響應(yīng)主要是由控制執(zhí)行模塊執(zhí)行，并改變環(huán)境參數(shù)，通過(guò)控制在溫室中的設(shè)備操作。3G網(wǎng)絡(luò)模式實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)客戶端、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和核心模塊直接的數(shù)據(jù)交換。

Android手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊和3G網(wǎng)絡(luò)模塊的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，在用戶模式下，可以收集溫室環(huán)境參數(shù)和視頻信息及時(shí)通過(guò)3G通信模塊將其展現(xiàn)給大多數(shù)客戶。當(dāng)客戶需要訪問(wèn)相應(yīng)的信息時(shí)，會(huì)通過(guò)軟件發(fā)送控制命令，然后命令通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶诵奶幚砟K進(jìn)行處理，最后發(fā)送處理指令到控制執(zhí)行模塊，當(dāng)溫室環(huán)境參數(shù)變化后對(duì)相應(yīng)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

2硬件部分設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制作為主要任務(wù)，同時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)所有內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、交換、編解碼。本系統(tǒng)的主要模塊是基于ARM LPC4350核心模塊的ARM開發(fā)板的建設(shè)，ARM Cortex-M4是LPC4350的微處理器，ARM Cortex-M0處理器包含于其中，意味著它是雙核心架構(gòu)的控制器。

ARM Cortex-M4微處理器是32位內(nèi)核，其中CPU使用哈佛架構(gòu)和3級(jí)匯編線，第三條總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線和本地指令及外圍設(shè)備是獨(dú)立的，包括內(nèi)部預(yù)取單元支持推測(cè)分支操作，數(shù)字信號(hào)處理和SIMD指令支持單周期，主要部分集成了硬件浮點(diǎn)處理器。可提供卓越的性能，頻率高達(dá)204 MHz。開發(fā)板LPC4350的功效框圖如圖2所示。

系統(tǒng)核心模塊硬件示意見(jiàn)圖3。操作系統(tǒng)LPC4350開發(fā)板配有定制版Linux 2.6.37、USB驅(qū)動(dòng)程序、加載串口驅(qū)動(dòng)程序、UART接口驅(qū)動(dòng)程序，使各個(gè)系統(tǒng)模塊之間的協(xié)調(diào)工作正常，外部存儲(chǔ)器可以增加環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

溫室環(huán)境參數(shù)要求收集室內(nèi)和室外的溫度和濕度、CO2濃度、光照度、土壤含水量等，利用它們對(duì)應(yīng)的傳感器收集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到核心模塊中進(jìn)行處理。為了避免溫室內(nèi)的布線問(wèn)題，利用ZigBee通信傳輸收集到的各種傳感器的環(huán)境參數(shù)，因此整個(gè)數(shù)據(jù)收集模塊包括傳感器模塊和ZigBee模塊。環(huán)境參數(shù)的傳感器選擇和技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3視頻監(jiān)測(cè)模塊

用戶在遠(yuǎn)端的溫室中看到實(shí)時(shí)視頻，并且可以實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)視。內(nèi)部USB攝像頭通過(guò)編碼溫室數(shù)據(jù)捕獲圖像信息，傳輸?shù)胶诵哪K進(jìn)行壓縮處理，然后發(fā)送到用戶終端解碼視圖。

溫室內(nèi)部圖像信息的收集選擇網(wǎng)格V2000攝像頭，攝像頭內(nèi)置OV511驅(qū)動(dòng)芯片，在使用過(guò)程中可在Linux系統(tǒng)中直接插入攝像頭驅(qū)動(dòng)程序而不需要額外進(jìn)行攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的寫入。視頻信息由Linux系統(tǒng)直接支持。該攝像頭采用MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼格式采用RTP實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，然后利用RTP協(xié)議編碼，在核心模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.43G網(wǎng)絡(luò)模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)控溫室環(huán)境的實(shí)施過(guò)程，需要提供充足的數(shù)據(jù)傳輸。在本研究中，移動(dòng)終端和核心模塊之間應(yīng)用3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)交流傳輸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)結(jié)果。可用的3G通信標(biāo)準(zhǔn)是 TD-SCDMA、CDMA2000、W-CDMA，可以應(yīng)用于核心模塊的無(wú)線通信和Android移動(dòng)終端。endprint

核心模塊采用華為的EM820W 3G模塊，中國(guó)聯(lián)通的3G SIM卡可以直接使用在EM820W 3G模塊上，在Android移動(dòng)終端應(yīng)用在溫室的SIM卡號(hào)碼的輸入，可以與核心模塊的3G通信。該模塊包含USB 2.0高速接口的系統(tǒng)支持Linux 2.6.18，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，具有 5.76 Mb/s 和21 Mb/s最大下行速率，以上特點(diǎn)可以使整個(gè)系統(tǒng)很好地滿足遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.5執(zhí)行模塊

用戶發(fā)送修改參數(shù)信息的指令，該指令通過(guò)溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件之后，由3G模塊、ARM處理接收到的命令，然后發(fā)送到可編程邏輯控制器（PLC）上。溫室操作的開關(guān)是PLC通過(guò)接觸器和電磁繼電器控制的。例如，可以通過(guò)使用受控的軸流風(fēng)扇通風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制，當(dāng)環(huán)境參數(shù)達(dá)到用戶的設(shè)置時(shí)，相應(yīng)的設(shè)備停止運(yùn)行。

3軟件設(shè)計(jì)部分

3.1系統(tǒng)功能最終實(shí)現(xiàn)

本研究系統(tǒng)軟件編寫在客戶端應(yīng)用軟件中，溫室環(huán)境遠(yuǎn)程控制軟件能夠運(yùn)行在Android手機(jī)上。首先要把Android應(yīng)用軟件編寫在Eclipse軟件上，并且把Android開發(fā)平臺(tái)設(shè)置在計(jì)算機(jī)上。實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和遠(yuǎn)程監(jiān)控的關(guān)鍵是Android手機(jī)應(yīng)用軟件的編寫。

3.2核心模塊和用戶端間的通信

控制溫室環(huán)境參數(shù)的變化是用戶端和核心模塊之間的主要聯(lián)系方式，數(shù)據(jù)在WCDMA網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行交換。Android手機(jī)和服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換可以通過(guò)2種通信模式進(jìn)行，一種是Http通信，另一種是Socket通信。“請(qǐng)求-回應(yīng)”模式使用于Http通信，當(dāng)服務(wù)器端接收到客戶端向服務(wù)器發(fā)送的請(qǐng)求時(shí)，即把請(qǐng)求數(shù)據(jù)返回給客戶端。Socket通信是“打開-讀/寫-關(guān)閉”模式的實(shí)現(xiàn)，該通信模式比Http通信更加直接。

本系統(tǒng)采用了Socket通信進(jìn)行客戶端和核心模塊之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。Android手機(jī)在使用3G網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)都是隨機(jī)獲取一個(gè)本地IP地址，地址標(biāo)簽與外部信息交換使用，因此需要為客戶端和核心模塊獲取IP地址和核心模塊數(shù)據(jù)交換。

3.3軟件測(cè)試

連接3G網(wǎng)絡(luò)后，客戶端進(jìn)入軟件系統(tǒng)，輸入號(hào)碼，并按下按鈕獲得IP地址，并建立了核心模塊連接。客戶端界面（圖4）顯示溫室環(huán)境參數(shù)的信息。通過(guò)環(huán)境參數(shù)按鈕可以及時(shí)訪問(wèn)內(nèi)部和外部的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)信息。按下參數(shù)設(shè)置按鈕，進(jìn)入?yún)?shù)修改界面，命令允許設(shè)備在溫室中運(yùn)行。同時(shí)獲取溫室區(qū)域的天氣預(yù)報(bào)，用戶能夠預(yù)測(cè)溫室外部環(huán)境的情況。按存儲(chǔ)參數(shù)按鍵然后查看訪問(wèn)界面和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況。在手機(jī)SD卡上以文本的形式存儲(chǔ)所獲得的信息參數(shù)，方便訪問(wèn)歷史記錄信息。按視頻監(jiān)控可以查看溫室的實(shí)時(shí)視頻信息。如果出現(xiàn)視頻不流暢和代碼錯(cuò)誤，系統(tǒng)應(yīng)用丟掉幀來(lái)處理。用戶視頻監(jiān)控如圖5所示。客戶端連接到3G網(wǎng)絡(luò)。

3.4智能監(jiān)控和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)

一個(gè)沒(méi)有遠(yuǎn)程監(jiān)控的用戶，需要專家智能系統(tǒng)來(lái)控制溫室環(huán)境參數(shù)。首先是監(jiān)測(cè)到的溫室環(huán)境參數(shù)與核心模塊定期獲取專家系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)比較。如果不在設(shè)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)置參數(shù)自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備，一直到滿足設(shè)置參數(shù)時(shí)，設(shè)備才會(huì)停止運(yùn)行。緊急報(bào)警和緊急情況一般都是由智能監(jiān)控對(duì)用戶進(jìn)行的處理。

SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中保存了嵌入式系統(tǒng)處理過(guò)的信息，用戶進(jìn)行查詢時(shí)，SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)將為用戶提供存儲(chǔ)的每個(gè)記錄數(shù)據(jù)。

4總結(jié)

這個(gè)系統(tǒng)主要是基于Android移動(dòng)終端應(yīng)用軟件的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控程序，建立了一種基于ARM LPC4350的開發(fā)板，利用3G無(wú)線傳輸將通過(guò)傳感器采集模塊、視頻模塊、3G網(wǎng)絡(luò)通信模塊采集的溫室環(huán)境信息傳輸?shù)紸ndroid手機(jī)；該客戶端程序界面簡(jiǎn)單，操作方便，能夠及時(shí)地獲得溫室環(huán)境參數(shù)，而且視頻信息比較清楚。

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