基于移动终端的远程温室控制系统的研究

0 引言

传统的温室监测系统大多将采集到的信息呈现在ชPC 机上，再根据温度、湿度、光照等参数信息，由工作人员到现场控制设备，进行增湿或者通风，人工成本高。基于工业控制机的大型温室监控系统，设备造价高，不适合我国小规模乡镇农业发展模式。基于单片机的小型温室监控系统，功能非常有限，灵敏度低，不够智能化。基于GSM 的GPRS 分组交换技术安全、可靠，为新一代的预警系统的实现提供了可能性; 但信息传输时延长、响应速度慢，不能满足室内环境的实时监测和快速处理要求。本系统采用嵌入式技术与网络技术相结合的方法，将采集到的温度、湿度、光照强度、CO2浓度等环境信息ฌ实时传递到Android 手机，再通过手机发送命令控制喷灌设备、通风设备和照明设备，并采用构建好的BOA 服务器与MJPG - streamer 服务器通过Internet 技术实现实时监控，达到了精细化作业和智能化管理的目的。

1 系统构成

远程温室监控系统由信息采集中心、信息处理中心、Android 手机监控端3 部分组成，如图1 所示。信息采集中心是基于Cortex - M0 进行开发的，其连接各种传感器、喷灌电路、通风电路和照明电路。息后通过ZigBee 无线网络传输给信息处理中心，信息处理中心再通过ZigBee 网络将控制命令传输给信息采集中心。信息处理中心是基于Cortex - A8 内核进行开发的，Web 服务器BOA 和网络视频服务器MJPG - streamer 建立于信息处理中心。

系统中使用的Sqlite 数据库，因其轻量而广泛应用于嵌入式开发中。系统中Sqlite 数据库建立在信息处理中心，存放全天各个时段采集到的环境信息。为避免信息采集实时性差、结构单一的缺点，本系统用Android 手机通过Internet 网络与信息处理中心连接，通过登录BOA 服务器和MJPG - streamer 服务器实时查看温室监控现场的视频。Android 手机能够通过GSM 网络发送短信给信息处理中心，信息处理中心接到短信后通过线程发送命令给信息采集中心，完成对设备的智能控制。

2 系统硬件

2. 1 信息采集中心

信息采集中心的核心处理器是由恩智浦公司生产LPC1114 芯片，是基于Cortex - M0 内核的32 位处理芯片。温湿度采集模块采用DHT11 传感器，含有已校准数字信号输出，采用简化单总线通信，连接在LPC11C14 的GPIO 端口。光照强度传感器采用ISL29003，内含I2C 接口和ADC 转换，可从1lux 调节到100 000lux 的光照强度。Cortex - M0 通过GPIO 端连接带光耦的4 路继电器扩展板，分别控制照明电路、通风电路和喷灌电路的通断。ZigBee 模块为ZICM2410，能自动产生中断信号，并支持MIFARE 标准的加密算法。

2. 2 信息处理中心

信息处理中心具有与信息采集中心相同的Zig-Bee，两者通过ZigBee 完成信息通信。信息处理中心的核心处理器为三星公司生产的S5PV210，采用CortexTM- A8 内核64 /32 位的内部总线结构和最新的ARMV7 指令集。它能够流畅的播放30 帧/ s 的1 920 1 028 像素视频文件。摄像头采用130W 像素的OV9650，摄像后将视频通过MJPG - streamer 网络视频服务器传递给手机移动端。MQ - 2 为气体传感器，通过简单驱动电路经AD 转换后与核心板相连。选择工业级ATK - SIM900A 双频GPRS 模块与Android 手机通讯，再通过标准RS232 与S5PV210 相连。WiFi则采用Marvell8686 芯片，挂载到S5PV210 的SPI 总线上。

3 软件设计

3. 1 信息采集端软件的设计

信息采集端软件运行于Cortex - M0 板，完成信息的采集和设备的操作，主要采集温室的温度、湿度、光照强度、气体浓度等，能够控制喷灌设备和通风设备。

信息采集模块将采集环境信息的数据以固定的格式通过ZigBee 网络发送给数据分析模块; 信息采集模块能够接受信息分析模块发送的控制设备的命令，并打开或关闭相应的设备。

信息采集端的两个重要的任务是采集信息和监听中断。采集的信息包括设备状态、光感、温湿度、三轴加速度及AD 转换等信息; 通过监听Cortex - A8 传送的命令产生中断，并控制某个设备工作。

Cortex - A8 信息分析端与Cortex - M0 信息采集端之间传送的控制命令采用1 个字节表示，1个字节的8个比特位的命令设置。控制命令由温室编号、设备编号及操作码的与操作获得。

3. 2 信息分析端软件的设计

一些学者对基于网络的实时控制应用进行了有益的Ⓐ探讨，有的还在因特网上进行了远程控制实验。本系统的信息分析端软件运行于Cortex - A8板，首先需要构建软件运行所需的Web 服务器BOA和网络视频服务器MJPG - streamer，分别实现客户端远程登录和远程实时视频监控。

Web 服务器因其小巧而广泛应用于嵌入式系统开发中; 网络视频服务器MJPG - streamer 经常应用于嵌入式开发，能够使用户通过HTTP 访问L♚inux UVC摄像头。本系统中采用的摄像头是OV9650，挂接于Cortex - A8 板的I2C 总线。

信息分析端软件主要包括消息队列接收并分析模块、M0 信息分析模块、M0 设备控制模块、数据库分析模块及摄像头拍照模块等。信息分析端主要完成将信息采集端提交的数据进行分析; 定时将数据存储于数据库; 向信息采集端发送控制命令，远程控制设备; 接收CGI 请求，并进行相应处理，如打开设♪备、抓拍现场画面等等。

3. 3 Android 手机端CGI 程序的设计

通用网关接口CGI 是最重要的WWW 技术之一，是连接外部CGI 程序和Web 服务器的接口。Android 手机控制端通过HTTP以网页登录到BOA 服务器，以提交表单的形式触发CGI 程序，BOA 服务器会为其创建出一个进程，进行处理。

本系统中的CGI 程序通过发送消息队列的形式向信息分析端发送消息请求。信息分析端接收到消息请求后进行分析，并进行必要的处理。CGI 程序主要包括喷灌设备、光照设备、通风设备的控制和通过HTTP 协议将环境信息呈现于HTML 界面4 个主要方面的设计。

4 实验

在天津市生态宝坻现代农业综合发展实验基地温室内，铺设设备进行现场实验。为了模拟摄像头沿轨道移动，将摄像头放置于可移动支架上; 将带光耦的4 路继电器接入通风、喷灌、照明电路; 将环境数据、设备工作状态信息及图像信息发送到Android 手机，实时监控，视频清晰。实验中，预先设定环境因子上下限，当超过预定值时，系统自动发出报警短信给Android 手机，用户可通过Android 手机控制通风、照明、喷灌电路，控制灵敏。与现场采集的信息进行对比，经计算，温湿度、CO2浓度等环境参数在97. 21%的时间内保持在预定范围内。

5 结论

1) 本系统采用无线网络技术解决了温室内布线繁琐的问题，当温室内植物品种改变时，不再需要改变线路。

2) 采用Android 手机为设备控制器，解决了温室监控工作需要受特定地点限制的问题。工作人员无论走到哪里，都可以通过手机监控控制温室内工作，降低人力成本。

3) 采用Android 手机为温室环境显示器，不再需要为PC 机或者LED 显示屏显示信息，降低了设备造价，更符合我国现阶段乡镇的农业发展现状。

4) 每个温室有独立的信息采集中心。基于Cortex- A8 开发的信息处理中心可以处理多个信息采集中心的信息，一个信息处理中心可处理多个温室的传感器和设备。