基于Android的智能溫室控制與實現(xiàn)

劉天宇，徐曉輝，宋 濤，蘇彥莽，吳 迪

(河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300401)

0 引 言

當(dāng)前遠(yuǎn)程控制技術(shù)在我國各行業(yè)獲得了前所未有的廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)灌溉進(jìn)入了自動化監(jiān)控與調(diào)度時代。現(xiàn)代智能控制器作為田間管理的有效手段和工具，有利于灌溉過程的科學(xué)管理，降低操作者本身素質(zhì)的要求，更高效地給作物補(bǔ)充養(yǎng)分。

以往灌溉控制器工作模式是按照設(shè)定的時間點(diǎn)或時間間隔進(jìn)行灌溉，對環(huán)境參數(shù)的控制也僅是限于閥值控制，高溫通風(fēng)、低溫加熱等，其本質(zhì)仍是定時器或流量控制器[1]。且傳統(tǒng)的單片機(jī)控制器由于其存儲空間小和計算能力差等缺點(diǎn)導(dǎo)致系統(tǒng)簡單、控制模式單一，已不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的管理需要。Android 平臺采取軟件層疊的方式構(gòu)建系統(tǒng)框架，由應(yīng)用程序?qū)印?yīng)用程序框架層、系統(tǒng)運(yùn)行庫層和Linux核心層構(gòu)成基本架構(gòu)[2]。它具備WIFI驅(qū)動、3G驅(qū)動，可滿足各種無線通信需要，可嵌入高速處理器，大容量內(nèi)存。為了克服以上缺點(diǎn)，本文選擇了內(nèi)存大，計算能力強(qiáng)的安卓系統(tǒng)，設(shè)計結(jié)合Android的特點(diǎn)開發(fā)了兼具B/S和C/S 2種模式的多元化數(shù)據(jù)處理和良好的交互體驗的智能控制系統(tǒng)。

1 智能系統(tǒng)整體設(shè)計

基于Android的溫室智能控制與實現(xiàn)的自適應(yīng)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)[3]見圖1。主要包括土壤墑情傳感器、溫度傳感器、水位水質(zhì)傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備；MCU控制系統(tǒng)；農(nóng)田氣象采集系統(tǒng)；PLC控制器(含水費(fèi)刷卡計價功能)[4,5]；由電磁閥控制的灌溉泵、肥料泵等執(zhí)行器以及終端主機(jī)和安卓移動終端。在本系統(tǒng)中首先由傳感器采集土壤墑情、溫室溫度、濕度、CO2等信息并通過485總線將數(shù)據(jù)傳入MCU(Micro Controller Unit，微控制單元)，由MCU作處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC近端顯示、無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊和485轉(zhuǎn)WIFI模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[6,7]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

2 軟件客戶端架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計了C/S與B/S結(jié)合的控制模式。B/S模式下，移動終端通過Http通信協(xié)議將請求發(fā)送到Web服務(wù)器，Web服務(wù)器將請求轉(zhuǎn)發(fā)給云端數(shù)據(jù)庫[8]。C/S模式下安卓終端為客戶端，MCU控制單元為服務(wù)器。MCU外接485轉(zhuǎn)WIFI模塊作為AP熱點(diǎn)，移動終端通過SSID接入無線局域網(wǎng)實現(xiàn)與溫室的指令交互[9,10]。在無線網(wǎng)信號較弱時可通過GSM模式直接將指令以短信的形式直接發(fā)給MCU上的GSM模塊再由控制設(shè)備緊急啟停[11]。Android移動終端的軟件架構(gòu)見圖2。

圖2 移動終端軟件架構(gòu)

3 智能灌溉策略

3.1 數(shù)據(jù)庫的建立

建立智能數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)智能灌溉的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫主要由Shared Preferences和SQL Server 2個部分組成，分別實現(xiàn)對本地數(shù)據(jù)和云端數(shù)據(jù)的儲存。SharedPreferences是Android平臺上一個輕量級的存儲類，處理時Dalvik會通過底層自帶的本地XML Parser解析數(shù)據(jù)。讀寫速度快故常用來保存系統(tǒng)配置，例如IP地址和端口號、用戶登錄信息等。 植物生長相關(guān)的海量數(shù)據(jù)則利用Web服務(wù)器發(fā)送至云端SQL Server數(shù)據(jù)庫，利用“CREATE TABLE tablename”語句建表，并將Web服務(wù)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)加載到表中，通過HTTP協(xié)議以及調(diào)用Input Stream和Out put Stream類實現(xiàn)與安卓終端的通信[12]。用戶身份信息和水費(fèi)余額等重要信息保存在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中，用戶登錄、查詢余額均需要遠(yuǎn)程匹配,增強(qiáng)了安全性和可維護(hù)性。

3.2 智能數(shù)據(jù)計算

(1)數(shù)據(jù)圖表化。數(shù)據(jù)庫的建立為接下來的計算提供了技術(shù)基礎(chǔ)，傳感器采集到的數(shù)據(jù)在移動終端內(nèi)通過Intent相互傳遞數(shù)據(jù)，并使用add Category()方法為Intent對象添加Category屬性，可將土壤墑情、CO2濃度、光照強(qiáng)度、pH值等數(shù)據(jù)歸類、整理，最后顯示在交互界面(見圖3)。在程序內(nèi)調(diào)用AChart Engine方法將數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)特征分別繪制成柱狀圖、折線圖，見圖4和圖5。

圖3 溫室數(shù)據(jù)

圖4 灌溉用水量對比

圖5 肥料用量對比

(2)刷卡階梯水價計費(fèi)。我國農(nóng)業(yè)種植面積大，灌溉用水情況復(fù)雜，實行階梯水費(fèi)計價政策勢在必行。本系統(tǒng)在PLC控制器上設(shè)計了FRID射頻刷卡用水功能，用戶繳費(fèi)買水，用水量信息保存在射頻卡中。安卓移動終端可自動查詢最新水價公告，并與PLC內(nèi)射頻識別的用戶用水量對接，實時根據(jù)耗水量、水價政策計算水費(fèi)，并在余額不足時提示用戶繳費(fèi)，消除了傳統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)到現(xiàn)場刷卡才能查詢余額的弊端，實現(xiàn)了智能、科學(xué)的計費(fèi)方式。

3.3 智能灌溉決策

Android客戶端內(nèi)的數(shù)據(jù)通過Web服務(wù)器上傳到云端農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)會與農(nóng)業(yè)植物生長大數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。實時數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)偏差過大則發(fā)送指令指導(dǎo)執(zhí)行器的開關(guān)動作(見圖6)，土壤墑情傳感器采集到土壤濕度傳遞給安卓客戶端，客戶端歸類、整理數(shù)據(jù)并傳到云端農(nóng)業(yè)庫[13]。對比得出土壤濕度過低時，開啟灌溉泵澆灌，達(dá)到要求濕度時反饋到客戶端并通過MCU向電磁閥發(fā)送指令關(guān)閉水泵。云端服務(wù)器內(nèi)置灌溉決策模型，基于現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)及當(dāng)?shù)貧庀笮畔⑦M(jìn)行灌溉決策，并控制水泵、電磁閥、肥料泵等設(shè)備，執(zhí)行灌溉決策。智能灌溉決策與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)控制器的區(qū)別在于其可根據(jù)未來天氣及植物生長規(guī)律自動調(diào)整灌溉方案，實現(xiàn)真正的智能灌溉。具體區(qū)別見表1。

由表1可看出，本文設(shè)計的智能溫室控制系統(tǒng)在調(diào)控參數(shù)平緩化、精準(zhǔn)化和節(jié)約水資源、電量4個方面表現(xiàn)良好，打破人工預(yù)設(shè)閥值的常規(guī)模式，實現(xiàn)了自動根據(jù)氣象變化而自行調(diào)整的智能化控制。

圖6 智能灌溉決策流程

農(nóng)田狀況 傳統(tǒng)灌溉智能灌溉結(jié)論明天降溫溫室溫度降到限值時開啟暖風(fēng)根據(jù)氣象信息提前預(yù)熱調(diào)控溫度更平緩4 h后降雨正常灌溉減少灌溉量并打開集雨器節(jié)約水量CO2濃度超標(biāo)室外大風(fēng)開啟排風(fēng)扇直至CO2濃度合格開啟通風(fēng)窗節(jié)約電量連續(xù)陰天用戶自己設(shè)置補(bǔ)光強(qiáng)度根據(jù)光線傳感器與理想差值自動設(shè)定光強(qiáng)調(diào)控光強(qiáng)更精準(zhǔn)

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)建成了一個集信息采集、傳輸、分析、管理與控制決策于一體的基于Android系統(tǒng)的高效溫室控制系統(tǒng)。通過B/S與C/S 2種模式的配合管理，使系統(tǒng)能適應(yīng)多種不同情況下對多塊溫室參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。GSM模式提供了安全保障。數(shù)據(jù)歸類、整理之后上傳云端與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的融合為植物生長參數(shù)控制提供了精確的理論指導(dǎo)，是本設(shè)計的一大亮點(diǎn)。經(jīng)實測本系統(tǒng)可有效地節(jié)約人力成本，提高管理效率和控制精度，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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