摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)生長柜中環(huán)境信息遠(yuǎn)程采集和數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)攝像頭對(duì)植物的監(jiān)控和對(duì)多控制節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制，設(shè)計(jì)了一種基于Android平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)各傳感器的數(shù)據(jù)采集、攝像頭圖像采集以及調(diào)節(jié)生長柜中環(huán)境的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由FS_WSN4412平臺(tái)進(jìn)行控制，利用Android編程技術(shù)對(duì)FS_WSN4412平臺(tái)軟件的功能和界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過Wifi模塊上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器采用Tomcat搭建，利用JSP+servlet+MVC技術(shù)完成網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能植物生長柜的環(huán)境參數(shù)的現(xiàn)場和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：智能植物生長柜；物聯(lián)網(wǎng)；Android；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）02-0473-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.02.053

為解決資源與食品安全問題，智能植物生長柜以節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境、安全、放心、健康為出發(fā)點(diǎn)，得到社會(huì)的廣泛關(guān)注與認(rèn)可[1，2]。智能植物生長柜是一種人工光利用型植物工廠，使用LED燈光代替自然光，并能夠通過對(duì)植物生長發(fā)育過程中的環(huán)境溫度、濕度、光照度等要素進(jìn)行智能控制，為植物生長提供環(huán)保、舒適的生活環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)植物周年連續(xù)生產(chǎn)[3-5]。

目前，市場上常見的智能植物生長柜依賴于嵌入式設(shè)備或微電腦對(duì)生長柜中的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集與調(diào)節(jié)，完全由人工在現(xiàn)場對(duì)生長柜中環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測管理，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，而且硬件資源有限，具有管理效率低、操作不便、可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)[6，7]。充分利用Android技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能植物生長柜，以Android系統(tǒng)作為測控中心的主控制器，結(jié)合Wifi無線通信技術(shù)，使生長柜與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來，實(shí)時(shí)與服務(wù)器端進(jìn)行信息交換與通訊[8，9]。通過Android端測控中心的底層驅(qū)動(dòng)和界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)本地對(duì)生長柜的監(jiān)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在服務(wù)器端遠(yuǎn)程監(jiān)測生長柜中環(huán)境參數(shù)、查詢數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，并且通過攝像頭查看柜中植物生長狀況[10-12]。該系統(tǒng)能夠增強(qiáng)智能植物生長柜作業(yè)的可靠性、安全性、準(zhǔn)確性和快捷性，最大限度保障生長柜中植物的安全與健康。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要分為底層測控中心和服務(wù)器端數(shù)據(jù)中心兩部分，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。測控中心部分主要包括Android主控制板、環(huán)境參數(shù)采集模塊、攝像頭模塊、Wifi通信模塊及調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等5大模塊。Android控制板為FS_WSN4412開發(fā)板，主要完成生長柜現(xiàn)場監(jiān)控，包括傳感節(jié)點(diǎn)信息采集、與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信和響應(yīng)服務(wù)器端反饋控制等功能；參數(shù)采集模塊主要通過采用CO2TH200二氧化碳溫濕度一體化傳感器模塊、光照傳感器和DS18B20溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測獲得植物的生長環(huán)境；攝像頭模塊主要負(fù)責(zé)生長柜現(xiàn)場監(jiān)控和服務(wù)器端遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻的采集；Wifi通信模塊主要采用Wifi無線通信協(xié)議同服務(wù)器端進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信；執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用模糊PID智能控制算法，由Android系統(tǒng)通過控制I/O輸出進(jìn)而控制加熱棒、制冷機(jī)、加濕器、風(fēng)機(jī)、（小功率）氣壓泵、電機(jī)等控制設(shè)備來調(diào)節(jié)柜體內(nèi)的溫度、濕度、CO2濃度和光照度以及營養(yǎng)液溫度。

2 子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 Android系統(tǒng)與傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Android系統(tǒng)是Google公司開發(fā)的基于Linux平臺(tái)的開源手機(jī)操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的是運(yùn)行Android4.2.1版本的FS_WSN4412開發(fā)板，該設(shè)備基于ARM Cortex-A9的四核Exynos4412處理器，其主頻1.5 GHz，運(yùn)行內(nèi)存1 GB，具有豐富的傳感器節(jié)點(diǎn)、自帶攝像頭、外設(shè)接口資源和無線傳感網(wǎng)絡(luò)，是一款功能強(qiáng)大的嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。硬件傳感器部分采用的是CO2TH200二氧化碳溫濕度一體化傳感器、光照傳感器和DS18B20溫度傳感器，F(xiàn)S_WSN4412平臺(tái)上所有資源都在Linux系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基本驅(qū)動(dòng)，在Android系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)HAL的stub，并向JNI層注冊(cè)相應(yīng)服務(wù)，包括LED服務(wù)、BEEP服務(wù)以及由Android系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的Sensor服務(wù)。

Android中傳感器底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)的文件位于Android源碼的如下位置：

1）frameworks/base/core/java/Android/hardware/SensorManager.java；

2）frameworks/base/core/jni/Android_hardware_SensorManager.cpp；

3）frameworks/base/services/java/com/Android/server/SensorService.java；

4）frameworks/base/services/jni/com/Android_server_SensorService.cpp；

再加上sensorstub以及Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成了整個(gè)Sensor框架，用戶應(yīng)用程序只需調(diào)用sensormanager類，即可操作所有的傳感器（以下各層代碼中的sensor不是代表具體的一種傳感器，而是文中所有傳感器統(tǒng)稱）。

2.1.1 Android Sensor驅(qū)動(dòng)層 Android內(nèi)核是由標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核修改而來的，內(nèi)核空間的Android硬件驅(qū)動(dòng)程序和Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫均是以Linux模塊來實(shí)現(xiàn)的，即文件操作結(jié)構(gòu)體file_operations的賦值以及結(jié)構(gòu)體中函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。此外，Android Sensor驅(qū)動(dòng)層還執(zhí)行各傳感器的注冊(cè)、初始化和設(shè)備的注銷操作。

file_operation是將系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。文件操作結(jié)構(gòu)體中的成員函數(shù)是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的主體，這些函數(shù)會(huì)在應(yīng)用程序的open（）、write（）、read（）、close（）等中被調(diào)用。傳感器一般結(jié)構(gòu)體定義如下：

static struct file_operations sensor_fops={

.owner =THIS_MODULE，

.open =sensor_open，

.release=sensor_close，

.read=sensor_read，

.write=sensor_write，}；

2.1.2 Android Sensor HAL層 硬件驅(qū)動(dòng)程序一方面分布在Linux內(nèi)核中，另一方面分布在用戶空間的硬件抽象層中，增加傳感器的硬件抽象層模塊訪問Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序。Stub作為直接調(diào)用Linux驅(qū)動(dòng)的上層，實(shí)現(xiàn)簡單的I/O操作，Stub向HAL提供操作函數(shù)（Operations），而Runtime則向HAL取得特定模塊（Stub）的Operations，再回調(diào)這些操作函數(shù)。在HAL實(shí)現(xiàn)的stub中定義hw_module_t結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體是HAL模塊的核心結(jié)構(gòu)體，所有硬件模塊都必須將該結(jié)構(gòu)體作為第一個(gè)成員，表示繼承了該結(jié)構(gòu)體。根據(jù)本層架構(gòu)，定義3個(gè)結(jié)構(gòu)體，它們主要部分分別定義如下：

typedef_struct sensor_module_t{

Tag：HARDWARE_MODULE_TAG，

......

id：SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID，

}sensor_module_t

typedef struct sensor_module_method_t={

int （open）（const struct sensor_module_t module const char id

struct sensor_device_t device）

}sensor_module_method_t

typedef struct sensor_device_t={

struct sensor_module_t；

int （*get_read）（struct sensor_device_t*dev，int*val）；

}sensor_device_t

上層通過硬件的id調(diào)用hw_get_module（）函數(shù)，即得硬件模塊sensor_module_t，并從該模塊中得到sensor_module_method_t，繼而打開得到的硬件設(shè)備sensor_device_t，然后調(diào)用設(shè)備中的get_read（）函數(shù)，即可調(diào)用傳感器在Linux內(nèi)核層的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，最后調(diào)用hw_device_t中的close關(guān)閉設(shè)備。

2.1.3 Android Sensor JNI層 Android系統(tǒng)的應(yīng)用程序是用Java語言編寫的，而硬件驅(qū)動(dòng)程序是用C語言來實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)用程序要調(diào)用傳感器驅(qū)動(dòng)程序操作硬件必須通過Java本地調(diào)用JNI來調(diào)用硬件抽象層接口。JNI的數(shù)據(jù)類型與Java數(shù)據(jù)類型的相互轉(zhuǎn)化及函數(shù)注冊(cè)是通過JNINative_Method結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)的，代碼如下：

typedef struct{

const char* name；

const char* signature；

void* fnPtr；

}JNINative_Method

JNI層主要是將stub中的open、close等方法封裝提交給android application框架。在int中會(huì)調(diào)用open方法初始化，代碼如下：

Static jint android_init（JNIEnv*env， jclass clazz）

{ ......

if（sensors_control_open（module->common，SensorDevice）==0）{

const struct sensor_t*list；

int count=module->get_sensors_list（module，list）；

return count；

}}

2.1.4 Android Sensor Framework層 為硬件抽象層模塊編寫完串口的JNI方法后，需要為Android系統(tǒng)的Application Frameworks層增加硬件訪問服務(wù)SensorService。Application Frameworks層中包含了自定義的硬件服務(wù)SensorService，在Android系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候，應(yīng)用程序就可以通過Java接口來訪問Sensor硬件服務(wù)了。

2.2 測控端軟件設(shè)計(jì)

測控端軟件采用Android Java開發(fā)，通過互聯(lián)網(wǎng)為物聯(lián)網(wǎng)連接媒介，結(jié)合Android底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)技術(shù)，在底層開發(fā)傳感器驅(qū)動(dòng)，在應(yīng)用程序?qū)泳帉懜鱾鞲衅鲾?shù)據(jù)采集程序。用戶登錄進(jìn)入系統(tǒng)前，Android設(shè)備通過Wifi無線網(wǎng)絡(luò)或3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等連接到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上。登陸后，首先輸入已經(jīng)申請(qǐng)的用戶名和密碼，然后啟動(dòng)接收相應(yīng)生長柜的環(huán)境參數(shù)的后臺(tái)運(yùn)行SerialService類，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的Android端實(shí)時(shí)監(jiān)控和與服務(wù)器端數(shù)據(jù)交互，物聯(lián)網(wǎng)智能植物生長柜測控端的具體實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

測控端Android應(yīng)用程序主要包含了45個(gè)Java文件和10個(gè)XML腳本文件，每一個(gè)文件的屬性和權(quán)限要在全局的配置文件manifest.xml中定義。通信模塊采用的是Wifi無線通信方式，同時(shí)為了提高系統(tǒng)整體的通信效率，本系統(tǒng)將傳感器數(shù)據(jù)采集和互聯(lián)網(wǎng)通信部分放在了后臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的線程Thread中執(zhí)行，可以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和快速反應(yīng)性能。

Android完全支持JDK本身的TCP、UDP網(wǎng)絡(luò)通信API，同時(shí)也支持JDK提供的URL、URLConnection等網(wǎng)絡(luò)通信API。本系統(tǒng)中由于用到互聯(lián)網(wǎng)通信，采用了URLConnection的一個(gè)子類HttpURLConnection，其可用于向指定網(wǎng)站發(fā)送GET請(qǐng)求、POST請(qǐng)求。Android端互聯(lián)網(wǎng)通信部分核心代碼如下：

URL url = new URL（“http：//219.243.13.12：80/test/UploadServlet”）；//創(chuàng)建URL對(duì)象

HttpURLConnection httpURLConnection = （HttpURLConnection） url.openConnection（）；//調(diào)用URL對(duì)象openConnection（）方法來創(chuàng)建HttpURLConnection對(duì)象

httpURLConnection.setRequestMethod（\"POST\"）；//設(shè)置POST方式的請(qǐng)求

DataOutputStream dos = new DataOutputStream（httpURLConnection.getOutputStream（））；//獲得OutputStream對(duì)象輸出流，準(zhǔn)備上傳文件至服務(wù)器

dos.writeBytes（s1）；//調(diào)用writeBytes上傳

InputStream is = httpURLConnection.getInputStream（）；

InputStreamReader isr = new InputStreamReader（is，\"utf-8\"）；

BufferedReader br = new BufferedReader（isr）；

String result = br.readLine（）；//獲得InputStream對(duì)象輸入流，讀取從服務(wù)端傳過來的信息

啟動(dòng)Android端應(yīng)用程序，登錄到物聯(lián)網(wǎng)智能植物生長柜測控系統(tǒng)，與此同時(shí)啟動(dòng)后臺(tái)程序采集生長柜中植物生長環(huán)境的參數(shù)和向服務(wù)器端的參數(shù)上傳。測控端向服務(wù)器發(fā)送POST方式的請(qǐng)求，連接服務(wù)器端。獲得OutputStream對(duì)象輸出流，準(zhǔn)備上傳文件至服務(wù)器，通過調(diào)用WriteBytes實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。上傳成功后，服務(wù)器端向底層Android端發(fā)送反饋信息，底層數(shù)據(jù)中心獲得InputStream對(duì)象輸入流，讀取從服務(wù)端傳過來的信息。Android端測控中心的網(wǎng)絡(luò)通信程序流程如圖4所示。

2.3 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器是Web服務(wù)的一種，Web服務(wù)基于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)用約定，無關(guān)操作系統(tǒng)或編程語言，僅通過相同的調(diào)用命令來遠(yuǎn)程執(zhí)行程序并返回結(jié)果。本項(xiàng)目使用Myeclipse+tomcat+MVC模式來設(shè)計(jì)開發(fā)。Web服務(wù)發(fā)布成功后，通過在瀏覽器地址欄輸入調(diào)用地址或網(wǎng)址進(jìn)行簡單的調(diào)用，也可以通過Web服務(wù)組合技術(shù)將相關(guān)服務(wù)分為一組，按組進(jìn)行服務(wù)的批量調(diào)用。

物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器接收端的軟件設(shè)計(jì)步驟如下：

1）通過item.getInputStream（）獲得上傳的輸入流；

2）將上傳的生長柜中環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)通過pp.split（“b|a”）進(jìn)行分割；

3）接收程序用一個(gè)后臺(tái)運(yùn)行的servlet，保證在服務(wù)器打開的情況下實(shí)時(shí)接收下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并插入數(shù)據(jù)庫sql1=\"insert into car_new（carnumber， carcolor， identifydate， identifyplace， path） values （？，？，？，？，？）\"；

4）調(diào)用PreparedStatement進(jìn)行逐次插入。

3 實(shí)際應(yīng)用

智能植物生長柜實(shí)物圖如圖5所示，Android端測控中心生長柜中溫度現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果如圖6所示，數(shù)據(jù)5 s更新一次。同時(shí)采用Wifi無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將環(huán)境參數(shù)傳至互聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)器端測試數(shù)據(jù)如圖7所示。

4 小結(jié)

基于Android平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)智能植物生長柜測控系統(tǒng)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)現(xiàn)場與遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)傳感器監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而達(dá)到為作物提供最佳生長環(huán)境的目的。該設(shè)計(jì)具有硬件成本低、操作界面人性化、控制方便、實(shí)時(shí)性好、遠(yuǎn)程控制靈敏度高等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。

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