摘 要： 提出了基于Android和智能傳感技術的溫室管理系統解決方案。該系統采用ZigBee技術構建底層WSN，利用移動通信網絡和互聯網實現信息遠程傳輸，支持桌面版、Web版、移動終端版管理模式。實驗表明，該系統可實時采集溫室環境參數，根據預設作物生長周期需求自動調節環境參數，通過本地服務器、遠程PC和智能手機3種方式進行操作管理。
關鍵詞： 物聯網；Android；WSN；ZigBee；Web Service
隨著信息化逐步推進，計算機技術、通信技術、傳感技術等信息技術在農業領域的應用日益增強。如何將先進的傳感、通信和數據處理等物聯網技術應用于農業領域，構建智能農業系統，通過感知技術獲取更多的信息，通過網絡的互聯共享獲得更多的網絡實時服務，從而提高精細農業科學決策水平和作業實施水平[1-2]，是當前科技工作人員研究的重要課題。
本文針對農業領域需要控制管理系統低成本、低功耗、高智能化的特點，設計了一套基于Android平臺和智能傳感技術的溫室管理系統。該系統將傳感器與微處理器整合為智能傳感節點，具有信息采集、處理、通信功能，同時將控制設備與微處理器整合為智能控制節點，利用ZigBee技術將多個智能傳感節點、智能控制節點等構建底層無線傳感網WSN（Wireless Sensor Network）[3-6]，開發了PC端桌面版管理軟件、Web版管理軟件和基于Android的移動終端管理軟件，可以實現溫室信息的無線采集與傳輸、信息保存與分析處理以及溫室環境參數的自動控制。用戶不必局限于在監控中心才能查看信息并進行操作管理，也可以遠程通過智能手機或電腦登錄系統進行操作管理。
1 系統設計
本文所設計的智能溫室管理系統按位置布局可分為溫室監控網絡和遠程監控管理中心兩部分。溫室監控網絡包括智能傳感節點、智能控制節點、協調器、GPRS模塊。遠程監控中心包括PC、信息管理系統軟件、移動控制終端（智能手機及配套控制軟件）。利用GPRS移動通信網絡和互聯網作為通信網絡載體，為上層應用和底層設備進行信息交互提供遠程傳輸通道。系統總體結構如圖1所示。
2 系統實現
2.1 溫室監控網絡硬件設計
CC2530芯片內含一個單周期的高性能低功耗8051兼容內核和一個兼容2.4 GHz IEEE 802.15.4標準的無線收發器，具有極高的靈敏度和抗干擾性能，有多種運行模式，特別適合于超低功耗需求的系統應用。根據本系統低成本、低功耗、靈活布局的需求，確定CC2530作為溫室監控網絡ZigBee終端節點和協調器主控芯片。
智能傳感節點由ZigBee終端節點與溫度、濕度、光照等傳感器相連，智能控制節點由ZigBee終端節點與風機、電磁閥、加熱器、卷簾機等控制設備相連。協調器與GPRS模塊通過串行接口相連，如圖2所示。GPRS模塊核心部件為Simcom公司的SIM300模塊。SIM300具有低功耗設計，休眠模式下電流消耗只有2.5 mA；內部集成了TCP/IP協議棧，并且擴展了TCP/IP AT指令，便于用戶使用該模塊開發數據傳輸應用。
2.2 溫室監控網絡軟件設計
2.2.1 ZigBee無線組網流程
組建一個ZigBee網絡包括網絡初始化和節點加入網絡兩個步驟[4-5]。協調器組建網絡、獲得終端節點加入后，定時輪詢智能傳感節點，將采集到的溫度、濕度、光照參數通過串口通信傳遞給GPRS模塊，再經GPRS模塊發送給遠程監控中心。同時協調器通過串口獲取GPRS模塊收到的遠程監控中心指令。
2.2.2 終端節點工作流程
本文設計傳感器與控制設備分離，便于各組傳感節點和控制節點靈活布局，增強系統可維護性。為了避免無線模塊長時間脫離網絡，設計了心跳包檢測程序，測試異常則自動重啟本節點并重新申請加入網絡，如圖3所示。
控制節點加入網絡后，平時處于休眠狀態，收到協調器發送的指令喚醒后，解析指令內容，確定對風機、電磁閥、加熱器、卷簾機等控制設備的操作。
2.2.3 GPRS通信
GPRS模式負責底層設備與遠程監控中心PC之間的信息交互。監控中心PC部署為服務器，具有公網IP，GPRS模塊作為客戶端，與監控中心服務器之間建立一個TCP/UDP連接，然后實現設備層與監控中心PC的TCP/UDP數據傳輸。
2.3 監控中心信息管理系統設計
監控中心智能溫室信息管理系統軟件結構如圖4所示。
2.3.1 桌面版管理軟件
桌面版管理軟件通過數據收發模塊與GPRS模塊進行信息交互，將收到的信息分析處理后寫入后臺數據庫，根據農業專家預設策略或操作人員指令生成控制指令發送給GPRS模塊。為了協調Web版管理軟件的數據收發，桌面版管理軟件不直接與GPRS模塊通信，而是利用多線程技術實現信息存儲轉發，避免硬件資源沖突。桌面版管理界面如圖5所示。
2.3.2 Web版管理軟件
Web版管理軟件主要實現一個B/S方式的Web服務器[7]。Web版管理軟件與基于Android平臺的移動終端管理軟件利用Webservice技術實現信息交互。Webservice是一種跨編程語言和跨操作系統平臺的遠程調用技術。移動終端要訪問遠程數據庫，需向Web服務器提出請求，服務器根據請求生成訪問數據庫的SQI語句并執行，將結果封裝成特定格式并返回給移動終端，移動終端得到響應后將結果展示在相應界面上，如圖6所示。
服務器端Web版管理軟件提供Web服務，部分核心代碼如下：
using System.Web;
using System.Web.Services;
[WebService(Namespace = "http://119.35.171.107/")]
[WebServiceBinding(ConformsTo=WsiProfiles.BasicProfile1_1)]
public class agrwebservice：System.Web.Services.WebService {
……
#region//獲取溫度、濕度、光照等傳感器數據
[WebMethod]
public string[] getthidata()
{ object[] objarr = bd.getthidata();
....... }
#endregion
#region//傳送指令控制1號田塊1號風機開啟
[WebMethod]
public int fanmOpen()
{ ……
return BS.sendcommands("55B10111B4AA",
"風機開"); }
#endregion
......
}
2.3.3 基于Android的移動終端管理軟件
Android被譽為“第一個完整、開放且免費的移動平臺”，開發人員在開發應用程序時獲得了前所未有的訪問手機設備的權限[8]。Android 軟件開發包SDK（Software Development Kit）提供了豐富的類庫，便于開發人員在此基礎上更高效地開發各種應用。不過在Android SDK 中并沒有提供調用Web Services的庫，為了實現在Android 平臺上訪問遠程數據庫，本系統在開發移動終端管理軟件時加載了第三方類庫ksoap2，獲取部署在監控中心的Web服務器的Webservice調用。移動終端管理界面如圖7所示。
3 系統運行測試
為了測試系統整體運行效果，選取農科院實驗場地，配置3組無線傳感節點采集溫度、濕度、光照參數，配置2組無線控制節點驅動風機、噴水灌溉電磁閥、加熱器、卷簾門，運行界面見圖5～圖7所示。在系統界面設置好各項參數上下限閾值后，選擇進入自動模式，系統進入全自動運行狀態，各設備運行良好。
農業信息化前沿技術的研發與應用對于發展現代農業，優化農業產業結構，提升農業整體素質，創新農業經營模式，都具有重大而積極的意義。本系統充分利用先進的通信技術與計算機技術，研發集數據采集、分析、決策于一體的智能溫室管理系統。底層設備采用ZigBee無線組網，既節能低耗，又能夠根據農田面積靈活增加節點模塊，避免復雜布線，降低系統維護運營成本。上層管理系統提供桌面版、Web管理版、移動終端版管理模式，界面簡單直觀，便于用戶隨時隨地查看信息操作管理。本系統可提高設施農業生產效率、降低勞動力投入，并具有易部署、易維護、成本低、通用性強等特點，具有廣闊的應用前景。
參考文獻
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