對日光溫室遠程監控APP的設計與開發

張寶雯，王春光，宗哲英，趙曉東

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

計算機技術、物聯網及終端智能硬件的快速發展已經帶動了各行各業的智能化發展，也為我國發展現代化農業提供了有利條件[1]。日光溫室作為我國特有的設施農業形式，因其在提高資源利用效率、提升農作物品質及增加農民收入等方面的突出優勢成為了我國現代化農業的重點研究對象[2]。目前，我國在智能化農業管理方面發展迅速，已有較為突出的研究成果，如使用傳感器采集各項重要農業生產影響因素的數據、利用單片機技術控制各項農業設備自動調控農業生產環境、基于Windows開發的農業專家系統，以及利用計算機自動監控管理農業生產條件等新興農業生產技術都是利用計算機技術發展起來的。近年來，智能手機及平板電腦等智能可移動終端的發展及普遍應用也使得各行業逐漸步入了遠程遙控的發展新階段[3]，將該技術與農業生產相結合不僅可以大大降低生產過程中的人力及時間成本，也提高了農產品的生產效率，改善了農作物的品質[4]。因此，開發一套用于智能可移動終端的日光溫室遠程監控系統就成為了我國農業現代化發展的迫切需要[5]。

為改善現有的溫室遠程監控系統的功能，提高系統的運行效率、實用性及用戶體驗，本設計需要針對環溫、環濕、土溫、土濕、CO2濃度，以及光照強度進行管理控制，主要實現以下幾點功能：

1)開發可用于智能移動終端的日光溫室監控管理系統，包括數據庫、服務器及人機交互界面的設計與開發等過程，實現操作簡單、界面簡潔友好的溫室環境監控系統。

2)根據環溫、環濕、土溫、土濕等環境參數類型及其特點，提供各項數據的建議最佳范圍，幫助用戶制定合理的溫室管理方案。

3)當環溫、環濕、土溫、土濕等環境參數不符合管理方案時，用戶可以通過對卷簾機、熱風機、卷膜機及濕簾風機等設備的控制實現對農作物生長環境的及時調控。

1 功能設計與總體結構

1.1 功能設計

日光溫室遠程監控APP主要對以下環境參數進行監測：環溫、環濕、土溫、土濕、CO2濃度，以及光照強度。首先，用戶可以根據日光溫室中種植的不同農作物及其當前生長階段在APP中制定作物的生產管理方案，可根據用戶意愿手動制定或選擇使用系統推薦的農作物最適宜生長環境條件來智能設置合理的生產管理方案，對每個環境參數進行最佳范圍的詳細規劃。

在制定好管理方案之后，APP實現自動按照管理方案定時監測環境參數的功能，當發現某一個或幾個環境參數不符合預定的最佳范圍時發送警報到用戶的手機上，實現報警功能。

使用定時監測，避免了出現當有環境參數不符合要求時由于實時監測導致的重復報警現象，最大限度地保證了系統運行的穩定性，改善了用戶體驗。

APP對溫室中農作物生長環境的調控主要通過對以下幾個設備的開關及時間控制來實現：卷膜機、卷簾機、熱風機、濕簾風機、灌溉設備、噴霧裝置、CO2發生器和補光燈。當某項環境參數需要調控時，用戶可以結合當前情況及對該項環境參數查詢到的歷史數據進行綜合考慮之后確定需求，并根據需求控制設備以達到及時調控作物生長環境的效果。當用戶打開某個設備時，可以選擇根據實際情況設置設備的自動關閉時間或者視情況選擇手動關閉。

使用時間作為設備開關的控制量，避免了出現環境參數在臨界值附近徘徊導致的設備反復開關等情況，極大地保證了農作物生長環境的穩定性及系統的可控性，使環境參數得到更好的控制。總體功能設計的框圖如圖1所示。

圖1 功能設計框圖

1.2 總體結構

日光溫室遠程監控APP主要包括客戶端、數據庫及服務器3部分。

1)客戶端。該部分的設計主要從以下幾點考慮：

(1)考慮到所要開發APP的可持續性發展并延長該系統的生命周期，選擇了使用Google公司大力推廣的新興產品—Android Studio軟件進行開發[6]。

(2)為適應多個智能可移動終端的同時支持，提高所開發系統的適用性，需分別對不同分辨率的設備進行頁面設計及多版本的代碼編寫、測試及改良[7]。

(3)為提高軟件的運行速度、改善用戶體驗，采用了碎片技術來進行代碼的編寫[8]。該技術的使用最大限度地降低了代碼的重復率，提高了軟件的運行效率[9]。

2)數據庫。該部分的設計主要從以下幾點考慮：

(1)目前較為常見的幾款數據庫有MySQL、SQLite、SQL Server等[10]。在對這幾款常用的數據庫進行比較之后，為了保證軟件運行的流暢，最終選擇了開發難度較高的輕型數據庫—SQLite[11]。

(2)根據軟件需實現的功能，完成了對以下幾個表的設計：用戶表、溫室表、歷史數據表、管理方案表、專家系統表、管理員表及請求信息表。

3)服務器。該部分的設計主要從以下幾點考慮：

(1)因Tomcat服務器具有技術先進、性能穩定且擴展性好的優點而廣受歡迎，本軟件也同樣使用了Servlet搭配Tomcat的方式進行開發[12]。

(2)HTTP是應用最廣的網絡協議，在使用Servlet搭配Tomcat搭建服務器端的同時也需要使用HTTP協議來應答客戶端的請求，實現服務器端與客戶端之間的通訊[13]。

2 APP功能的實現

2.1 登錄界面的實現

登錄界面主要實現用戶的用戶名及密碼的驗證功能，在用戶及管理員登錄時可以自動識別并跳轉到相應頁面。

2.2 溫室詳情界面的實現

溫室詳情界面主要包括以下幾個功能：實時顯示溫室中各項環境參數、對溫室中各項環境參數的歷史數據查詢和對溫室中設備的及時調控。

首先，用戶可以直觀地看到各項環境參數的實時監測數據，包括6部分：空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤溫度和土壤濕度；之后，用戶可以根據自身需求查詢各項環境參數的歷史數據，并根據實時數據及歷史數據對溫室環境進行綜合考慮，及時地控制卷簾機、補光燈、濕簾風機等設備達到對農作物生長環境及時調控的功能。溫室詳情界面效果如圖2所示。

2.3 溫室設備控制界面的實現

溫室設備控制界面主要實現用戶通過對各項環境參數的實時數據及所查詢的歷史數據的綜合考慮確定農作物生長環境的調控需求，并根據需求對溫室中各項設備進行控制。當用戶打開某個設備時，如卷簾機、補光燈、濕簾風機等，APP自動彈出提示框讓用戶設定該項設備自動關閉時間，或者用戶可以選擇手動關閉。溫室設備控制界面效果如圖3所示。

2.4 溫室管理方案界面的實現

溫室管理方案界面主要實現幫助用戶合理制定溫室環境管理方案的功能。用戶可以根據溫室中種植的不同農作物及其當前生長階段按照自己的想法手動設置每項環境參數的最佳范圍，或者當用戶并不了解該作物的適宜生長環境時也可以在APP中進行查詢，并根據系統推薦的最佳范圍選擇一鍵智能設置溫室環境管理方案；之后，系統就可以根據用戶設定好的農作物生產管理方案定時監測各項環境參數，當某項數據不符合預定的最佳范圍時可以及時發送警報到用戶的手機上，實現了實時報警功能。手動設置溫室管理方案界面效果如圖4所示。

圖2 溫室詳情界面圖

圖3 設備控制圖

APP可以根據用戶查詢的農作物類型及其生長階段從數據庫中調出該項作物的最適宜生長環境內容并反饋給用戶，用戶可根據查詢到的數據一鍵智能設置生產管理方案。智能設置溫室管理方案界面效果如圖5所示。

圖4 溫室管理方案界面圖

圖5 智能設置管理方案圖

2.5 平板溫室詳情界面的實現

平板電腦溫室詳情界面與手機端的溫室詳情界面相似，其功能也與手機端的溫室詳情界面相同；但由于平板電腦的分辨率與智能手機有很大差別，因此需要針對平板電腦單獨進行界面的設計及實現。該界面使用了碎片技術將屏幕劃分為左右兩部分，左側為用戶管理的溫室列表，右側則為選中的溫室的詳情頁面；用戶可以在屏幕的左側選擇自己想要控制的溫室，并在右側實現對溫室環境的實時監控。平板電腦溫室詳情界面效果如圖6所示。

3 軟件調試

用戶通過對參數類型，如溫度、濕度、光照強度等選項的選擇，以及所要查詢時間段的設置得到了該項環境參數的歷史數據。由于溫室中各項環境參數的數據較為龐雜，人力分析較為困難，因此APP使用數據可視化技術對用戶查詢的數據進行分析，并最終以折線圖的形式展現給用戶。歷史數據查詢功能測試結果如圖7所示。

圖6 平板溫室詳情界面圖

圖7 歷史數據查詢圖

4 結論

日光溫室遠程監控APP將Android技術、JAVA技術、智能可移動終端與農業很好地結合起來，不僅實現了對日光溫室環境信息的實時監控功能，還可以根據溫室中種植的不同作物及時為用戶提供專家經驗知識，降低了病蟲害的概率，提高了農作物的品質與產量，使農業生產更加的科學。其增加了幫助用戶科學規劃溫室管理方案的功能，軟件可以根據用戶設定的管理方案自動管理溫室中的各項環境參數，極大地降低了人力成本與時間成本，提高了農產品的生產效率。