梁莉娟

摘要：針對現(xiàn)在農業(yè)溫室環(huán)境的實際情況，提出了在 Android 平臺上編寫農業(yè)環(huán)境監(jiān)測程序、構建用戶界面、通信程序，為了能夠及時地收集到溫室內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，使得用戶能夠及時地對溫室內植物的生長發(fā)育情況進行遠程監(jiān)控。

關鍵詞：遠程監(jiān)測；Android；3G移動通信網(wǎng)絡；溫室環(huán)境參數(shù)

中圖分類號： TP277.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0206-03

雖然我國是一個農業(yè)大國，但從事農業(yè)生產人員的文化素質和農業(yè)科技整體水平普遍較低，現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，對提高農業(yè)科技整體水平和技術有關鍵性的作用，現(xiàn)代信息技術在種植和養(yǎng)殖方面給農民提供了很大的幫助。隨著現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展，利用先進的Android平臺手機終端和移動通信網(wǎng)絡技術，結合遠程控制技術，可對作物生長與環(huán)境之間的動態(tài)參數(shù)變化進行精確控制，并能及時提前了解作物生長發(fā)育、作物病蟲害風險，根據(jù)診斷研究實現(xiàn)遠程管理，這無疑是一種新的農業(yè)生產發(fā)展模式。

谷歌公司和幾家相關移動通信企業(yè)一起成立的開放手機聯(lián)盟，對Android平臺技術進行了成功的研究和推廣，使得以Android系統(tǒng)為基礎的智能手機和智能平板電腦的產量猛增，與此同時Android系統(tǒng)影響力也大幅提升，目前已經占領了超過1/3的移動終端操作系統(tǒng)的市場份額，越來越多的人對其發(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，同時也更利于開發(fā)者能夠快速開發(fā)應用程序。本研究選擇Android系統(tǒng)平臺搭建移動終端的遠程監(jiān)控應用。

1整體系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)的設計是利用3G移動網(wǎng)絡使用Android手機作為終端，遠程監(jiān)控農業(yè)溫室環(huán)境作為目標。其中整個硬件系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)搜集模塊、視頻監(jiān)控模塊、系統(tǒng)控制模塊幾個部分組成。移動終端為Android和3G網(wǎng)絡模塊。整體系統(tǒng)設計如圖1所示。

數(shù)據(jù)搜集模塊負責溫室環(huán)境參數(shù)的采集，視頻監(jiān)控模塊負責溫室內部視頻信息收集，核心模塊參數(shù)和視頻信息傳輸系統(tǒng)進行處理，處理后的數(shù)據(jù)通過3G移動通信網(wǎng)絡由3G網(wǎng)絡模塊實現(xiàn)和Android移動終端監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)交換，并把收集到的實時視頻信息和溫室環(huán)境參數(shù)展現(xiàn)給用戶。

整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心是核心模塊，負責數(shù)據(jù)交替、編碼和解碼、操控、儲存等。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)的變化通過短距離無線傳輸協(xié)議收集的信息

[FK（W8][TPLLJ1.tif]

進行處理，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)控攝像機視頻信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理組成了視頻采集模塊?？刂葡到y(tǒng)的響應主要是由控制執(zhí)行模塊執(zhí)行，并改變環(huán)境參數(shù)，通過控制在溫室中的設備操作。3G網(wǎng)絡模式實現(xiàn)了移動客戶端、遠程監(jiān)測和核心模塊直接的數(shù)據(jù)交換。

Android手機遠程監(jiān)測模塊和3G網(wǎng)絡模塊的溫室遠程監(jiān)控軟件，在用戶模式下，可以收集溫室環(huán)境參數(shù)和視頻信息及時通過3G通信模塊將其展現(xiàn)給大多數(shù)客戶。當客戶需要訪問相應的信息時，會通過軟件發(fā)送控制命令，然后命令通過3G網(wǎng)絡傳輸?shù)胶诵奶幚砟K進行處理，最后發(fā)送處理指令到控制執(zhí)行模塊，當溫室環(huán)境參數(shù)變化后對相應的設備實現(xiàn)遠程控制功能。

2硬件部分設計

2.1系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊將對系統(tǒng)進行控制作為主要任務，同時也是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，對所有內部數(shù)據(jù)進行存儲、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，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的控制器。

ARM Cortex-M4微處理器是32位內核，其中CPU使用哈佛架構和3級匯編線，第三條總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線和本地指令及外圍設備是獨立的，包括內部預取單元支持推測分支操作，數(shù)字信號處理和SIMD指令支持單周期，主要部分集成了硬件浮點處理器。可提供卓越的性能，頻率高達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圖3。操作系統(tǒng)LPC4350開發(fā)板配有定制版Linux 2.6.37、USB驅動程序、加載串口驅動程序、UART接口驅動程序，使各個系統(tǒng)模塊之間的協(xié)調工作正常，外部存儲器可以增加環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

溫室環(huán)境參數(shù)要求收集室內和室外的溫度和濕度、CO2濃度、光照度、土壤含水量等，利用它們對應的傳感器收集網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)轉移到核心模塊中進行處理。為了避免溫室內的布線問題，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參數(shù)見表1。

2.3視頻監(jiān)測模塊

用戶在遠端的溫室中看到實時視頻，并且可以實現(xiàn)視頻監(jiān)視。內部USB攝像頭通過編碼溫室數(shù)據(jù)捕獲圖像信息，傳輸?shù)胶诵哪K進行壓縮處理，然后發(fā)送到用戶終端解碼視圖。

溫室內部圖像信息的收集選擇網(wǎng)格V2000攝像頭，攝像頭內置OV511驅動芯片，在使用過程中可在Linux系統(tǒng)中直接插入攝像頭驅動程序而不需要額外進行攝像頭驅動程序的寫入。視頻信息由Linux系統(tǒng)直接支持。該攝像頭采用MPEG-4標準壓縮編碼格式采用RTP實時傳輸協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，然后利用RTP協(xié)議編碼，在核心模塊進行數(shù)據(jù)處理。

2.43G網(wǎng)絡模塊

遠程監(jiān)控溫室環(huán)境的實施過程，需要提供充足的數(shù)據(jù)傳輸。在本研究中，移動終端和核心模塊之間應用3G移動通信網(wǎng)絡來交流傳輸數(shù)據(jù)實現(xiàn)結果。可用的3G通信標準是 TD-SCDMA、CDMA2000、W-CDMA，可以應用于核心模塊的無線通信和Android移動終端。endprint

核心模塊采用華為的EM820W 3G模塊，中國聯(lián)通的3G SIM卡可以直接使用在EM820W 3G模塊上，在Android移動終端應用在溫室的SIM卡號碼的輸入，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，以上特點可以使整個系統(tǒng)很好地滿足遠程數(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，該指令通過溫室環(huán)境遠程監(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。溫室操作的開關是PLC通過接觸器和電磁繼電器控制的。例如，可以通過使用受控的軸流風扇通風來實現(xiàn)溫度控制，當環(huán)境參數(shù)達到用戶的設置時，相應的設備停止運行。

3軟件設計部分

3.1系統(tǒng)功能最終實現(xiàn)

本研究系統(tǒng)軟件編寫在客戶端應用軟件中，溫室環(huán)境遠程控制軟件能夠運行在Android手機上。首先要把Android應用軟件編寫在Eclipse軟件上，并且把Android開發(fā)平臺設置在計算機上。實現(xiàn)人機交互和遠程監(jiān)控的關鍵是Android手機應用軟件的編寫。

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)絡中進行交換。Android手機和服務器的數(shù)據(jù)交換可以通過2種通信模式進行，一種是Http通信，另一種是Socket通信。“請求-回應”模式使用于Http通信，當服務器端接收到客戶端向服務器發(fā)送的請求時，即把請求數(shù)據(jù)返回給客戶端。Socket通信是“打開-讀/寫-關閉”模式的實現(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手機在使用3G網(wǎng)絡通信時都是隨機獲取一個本地IP地址，地址標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軟件測試

連接3G網(wǎng)絡后，客戶端進入軟件系統(tǒng)，輸入號碼，并按下按鈕獲得IP地址，并建立了核心模塊連接?？蛻舳私缑妫▓D4）顯示溫室環(huán)境參數(shù)的信息。通過環(huán)境參數(shù)按鈕可以及時訪問內部和外部的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)信息。按下參數(shù)設置按鈕，進入?yún)?shù)修改界面，命令允許設備在溫室中運行。同時獲取溫室區(qū)域的天氣預報，用戶能夠預測溫室外部環(huán)境的情況。按存儲參數(shù)按鍵然后查看訪問界面和數(shù)據(jù)存儲情況。在手機SD卡上以文本的形式存儲所獲得的信息參數(shù)，方便訪問歷史記錄信息。按視頻監(jiān)控可以查看溫室的實時視頻信息。如果出現(xiàn)視頻不流暢和代碼錯誤，系統(tǒng)應用丟掉幀來處理。用戶視頻監(jiān)控如圖5所示?？蛻舳诉B接到3G網(wǎng)絡。

3.4智能監(jiān)控和SQLite數(shù)據(jù)庫

一個沒有遠程監(jiān)控的用戶，需要專家智能系統(tǒng)來控制溫室環(huán)境參數(shù)。首先是監(jiān)測到的溫室環(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)檢測比較。如果不在設定范圍內，系統(tǒng)將根據(jù)設置參數(shù)自動啟動相應的設備，一直到滿足設置參數(shù)時，設備才會停止運行。緊急報警和緊急情況一般都是由智能監(jiān)控對用戶進行的處理。

SQLite數(shù)據(jù)庫中保存了嵌入式系統(tǒng)處理過的信息，用戶進行查詢時，SQLite數(shù)據(jù)庫將為用戶提供存儲的每個記錄數(shù)據(jù)。

4總結

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

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