基于Android系统的蔬菜大棚环境参数监控系统

摘要：为了解决生产中蔬菜大棚种植区域不集中、种植人员掌握科技能力欠缺、传统有线监控操作复杂组网困难、监控距离受限制、采集数据不科学和不准确的问题，以及能实时对蔬菜大棚中环境参数信息进行监控，结合无线传感网络和Android系统，设计了基于Android系统的蔬菜大棚环境参数监控系统；对系统中传感器终端节点和协调器、GPRS模块、Android软件进行了设计说明。各个传感器终端节点采集数据信息，以igBee无线传送技术发送到协调器，协调器经过串口通信与Android平板电脑进行通信，同时经GPRS模块把相应数据信息发送到移动设备终端，实现环境参数的实时检测，并与预设的参数范围进行比较，超出范围能实时报警，并向控制器发送命令自动打开安装在蔬菜大棚中的机电设备，使蔬菜大棚内的环境参数适合蔬菜生长。系统经过测试，可实时监测到数据信息，各种传感器数据精确度达到生产要求，机电设备控制良好。该系统扩展性强、设计灵活，具有一定实用价值和良好应用空间。

关键词：：监测系统；Android系统；GPRS；蔬菜大棚；环境参数

中图分类号：TP273；S126文献标志码： A

文章编号：1002-1302（201412-0423-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-03-14

基金项目：广西高校科研项目（编号：2013LX233；广西高校优秀中青年骨干教师培养工程培养对象项目。

作者简介：黄莺（1980—，男，广西武宣人，硕士，副教授，研究领域为智能检测与控制技术、物联网技术。E-mail：huangying800816@163com。

我国的蔬菜大棚已经形成规模化和产业化，大棚管理水平直接影响着蔬菜的产量和质量，在生产过程中对大棚环境参数的监控具有重要的意义[1-2]。及时了解蔬菜大棚的温度、湿度、可燃气体浓度、火焰有无、CO2浓度、光照等数据信息是非常必要的，通过手工采集大棚中的环境参数数据费时费力。传统的有线监控方式操作复杂，不能满足实际的需要。目前基本上是通过人工干预的方式，对蔬菜大棚指定区域内的环境参数进行调控，使之适合所培养作物生长的需求。

传统的管理和监控过程中监测点都是有线接入，过程繁琐、建置和维护成本较高，系统的可扩展性和移动性较差[5-7]。无线传感器网络的数据采集系统可以实现对多个监测点的数据采集，采集后的数据通过无线收发模块传送到主控端[8-10]，以便能实时监测和更好管理。王建平等采用物联网技术和Internet技术实现温室大棚的智能化[11]。石建飞等以PLC为核心对育秧棚的空气温湿度、土壤温度、土壤水分等参数进行实时采集和监控，并利用无线通信方式把数据上传上位机，达到远程实时监控的目的[12]。

Android系统基于Linux内核，是一款先进的、流行的嵌入式操作系统。选择Android具有技术先进成熟、开发周期短、实用性强的特点，符合嵌入式发展方向，已广泛应用在各行业，同时Android系统本身支持众多的传感器，易于开发。随着智能手机的普及，并且有可能人手一台，网络覆盖广，不受距离限制[1，13]。陈刚阐述了在Android 驱动程序中对传感器数据进行转换的方法[14]，吴振深等设计了基于Android 智能手机的移动式环境监控系统[15]，郭志伟等利用GSM技术对农田气象信息进行远程监控[16]，徐巧年等设计了利用GSM无线传输技术的温室环境监测系统[17]。为了能够实时监测生产过程中大棚蔬菜环境数据信息，利用GSM网络覆盖面广，不受距离限制的特点，可以以短消息的方式实现实时无线通信[18-19]，因此使用当前的智能手机进行传感器数据收集及传输可以达到实时监控的目的。

为了解决生产过程中蔬菜大棚种植区域不集中、种植人员掌握科技能力欠缺、传统有线监控操作复杂组网困难、监控距离受限制、采集数据不科学和不准确的问题，设计了基于Android手机的蔬菜大棚环境参数监控系统，利用手机实现对蔬菜大棚环境参数监测、处理与控制。该系统可以实时检测蔬菜大棚中环境温度、湿度、光照强度、CO2 浓度、火焰参数以及人体感应检测，并与系统中预设的参数范围进行比较，如果超出范围，则发送相应命令到控制器模块自动打开控制设备，如灯光、风扇、加热器、加湿器等，使蔬菜大棚内的环境参数适合蔬菜生长。

1系统工作原理

监测系统由传感器终端节点、协调器、GPRS模块和 Android 监测软件组成。把传感器终端节点安装在需要采集数据的地方，对蔬菜大棚内的温度、湿度、可燃气体浓度、光照强度、CO2 浓度、火焰感测和人体感应进行监测，各个监测节点把采集的数据信息通过igBee无线传输技术传送到协调器，协调器通过串口通信与Android平板电脑或GPRS模块进行通信，发送到智能手机上；点击智能手机上的按钮，协调器传送命令到控制器，通过I/O口驱动继电器动作，控制机电设备工作状态。同时，在手机上可以设置各个参数的范围，当采集到的数据超过设置范围，实现报警；也可能通过点击手机上的按键去控制相应设备工作。

2系统硬件设计

传感器终端节点和控制器节点都是采用CC2530作为核心，配合传感器完成数据信息的采集，并把信息发送到协调器。控制器接收协调器发送过来的信号，经过继电器电路控制与之连接的机电设备，系统可以快速地扩展其他传感器终端节点和控制器节点，只要设置好地址、频道等，就可以与协调器组成网络，进行通信。

网络的建立维护和数据的中转是协调器的主要职责，主要是给传感器终端节点分配地址和完成与各个传监测节点间的数据通信，并与平板电脑、GPRS模块结合完成信息的处理和控制。

借助GPRS无线数据传输技术，实现了对蔬菜大棚内数据的实时性、准确性、高效性管理[20]。系统中采用RS232标准实现协调器与GPRS的通信。

3系统软件设计

31GPRS功能实现

GPRS模块控制的方法是使用AT 命令[21]。程序首先对串口、串口波特率、DCB、奇偶校验、流量控制、以及创建线程、发送数据格式等进行设置。设置完成后，手机进入监听状态，当有数据写入缓冲时，就发送到指定手机上。

32传感器终端节点功能实现

由于系统中存有多个传感器终端节点和控制器节点，程序定义一个参数SENSOR_TYPE用来标记使用传感器终端节点，还定义了igBee的频道、网络id、主控器地址、传感器终端节点地址和控制器地址等信息，以实现协调器能正常与多个传感器终端节点和控制器节点通信，而不发生数据传输冲突。传感器终端节点向协调器发送数据格式如下：

FF FD 00 04 30 30 00 00 hh hh hh（byte1-byte11

其中数据格式说明如表1所示。

[F（W14][HT6H][J]表1发送数据格式[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG12，W9，W20W] 数据符号数据格式说明

byte1 byte2传感器端数据发送的固定头，固定为 FF FD

byte3数据类型的标志

00 光电感测器的数据

01 温湿度感测器的数据

03 火焰感测器的数据

04 CO2感测器的数据

05 可燃感测器的数据

06 人体感测器的数据

byte4传感数据长度（统一为04

byte5-byte8传感器数据

byte9-byte10保留

byte11byte1-byte10 校验值（相加取低8位[HJ][BG）F][F）]

33控制器节点功能实现

协调器在接收到相应信息后会向控制器节点发送数据，通过I/O口驱动继电器动作，控制机电设备工作状态。协调器向控制器送数据格式如下：

FA FB 06 06 01 00 00 00 00 00 chk（byte1-byte11

其中数据格式说明如表2所示。

[F（W15][HT6H][J]表2发送数据格式说明[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG12，W6，W23W]数据符号数据格式说明

byte1 byte2协调器端数据发送控制继电器命令的固定头FA FB

byte3协调器数据发送对象

06：发送命令给继电器1端

07：发送命令给继电器2端

08：发送命令给继电器3端

09：发送命令给继电器4端

0A：发送命令给继电器5端

0B：发送命令给继电器6端

byte4命令长度，固定为6

byte5发送给继电器的命令内容

02为关闭继电器命令

01为开启继电器命令

byte6-yte10保留

byte11byte1-byte10 校验值（相加取低8位[HJ][BG）F][F）]

34Android监控软件设计

由于Android系统是开源性、集成操作的系统，提供了丰富的用户界面中间件和重要应用程序，用户可以快速进行二次开发，广泛应用在智能手机中。Android监控软件主要由底层通信模块和界面设计模块组成。

341底层通信模块

底层通信模块主要实现与igBee模块间的通信，包括串口操作和读取数据2部分。在串口操作文件（linuxsjava中对打开串口、关闭串口、设置串口信息、发送串口信息和接收串口信息进行了功能函数定义。通过异步读取传感器值文件（ReceiveThreadjava在后台实时读取传感器数据，并储存在相关数据类中。具体定义如下：

（1打开串口。函数格式为：public static native int openUart（int I，int j。

其中i是串口值，如com3值为3；j是串口形式，0表示是COM，1表示USB。

（2关闭串口。函数格式为：public static native int ocloseUart（int fd。

其中fd是串口数值。

（3设置串口。函数格式为：public static native int setUart（int fd，int burd，int returntimeout，int returnminlen。

其中fd是串口数值；burd是波特率，默认值是38 400，数值为5；returntimeout是返回超时时间，设置成0是立即返回；returnminlen是最小返回长度，设置成0不管长度多少立即返回。此函数返回0值表示设置出错，返回大于0数值表示设置成功。

（4发送串口信息。函数格式为：public static native int sendMsgUartHex（int fd，String msg，int len。

其中fd是串口数值；msg是十六进制格式数据；len是数据长度。

（5接收串口。信息函数格式为：public static native int receiveMsgUartHex（int fd。

其中fd是串口数值；返回十六进制的传感器数值。

342界面设计模块

使用XML文件生成方法进行界面设计，每一个界面都有唯一的XML文件与之相对应，如主界面mainframexml，设置参数范围settingxml。界面主要是由一系列的控件来组成。文本控件TextView负责文本显示，比如主界面的温度、湿度、可燃气体、光照强度、CO2 浓度、火焰感测和人体感应的文本显示。图像按钮ImageButton主要负责用户的请求输入，通过点击屏幕上的按钮去控制对应的机电设备工作状态。编辑文本EditText负责用户对各个参数范围的数值输入。按钮控件Button负责用户点击请求的输入，如设置参数界面中的数值的保存和取消功能等按钮。

4系统的测试

根据设计的要求，系统设计完成并搭建。

41硬件连接

在DMA-210XP类型的平板电脑上安装好协调器（B2530-03 模块，接好天线。其他传感器终端节点上插好传感器模块，并接上天线。并把所有模块、平板电脑电源线接好。

42软件安装

将IAR软件编写好的 “协调器程序”烧录到DMA-210XP上插入的B2530-03模块中；把各个传感器节点采集程序的HEX文件烧录到相应的传感器节点中；同时也把控制各个机电设备的控制器程序烧录到相应控制器中，并标志好6个继电器，后面要求对应。并且把使用android-sdk和 eclipse 开发环境生成的监测软件安装到平板电脑上。接通电源后，协调器上的指示灯会亮起并闪烁，各个传感器上的指示灯常亮，说明各个模块能正常工作。

43结果测试

[JP2]在平板电脑上点击安装好的监测软件图标进入监测界面，对系统各个功能进行测试，各个传感器能够传回正确数据。通过点击继电器按钮，控制器节点工作正常，相应的机电设备能正确响应。系统测试结果说明，系统实现相应功能，成功读取各个传感器终端节点数据，点击界面上的按钮，可以成功打开断电器电路，控制机电设备的工作状态。系统运行正常、稳定，所有功能都能实现。相关界面如图1-a和图1-b所示。

主界面运行显示图中左面是各个传感器终端节点采集发送回来的数值。右面是控制器通过继电器电路控制机电设备工作状态，OFF说明机电设备不工作，ON说明机电设备正在运行。不同的继电器控制不同的机电设备。

5结论

[JP2]本试验设计了一种基于Android手机的蔬菜大棚环境参数监控系统，介绍了系统的整体架构和软件设计。在系统开发过程中解决了Android客户端传感器数据收集及传输技术。同时，对所开发的系统进行了测试，并取得了满意的结果。

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