解 朦，李明輝，徐 偉

?

一種陽臺農(nóng)業(yè)智能控制組的設(shè)計

解 朦，李明輝，徐 偉

(黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150088)

本文設(shè)計了一種用于陽臺農(nóng)業(yè)的智能控制組，包括嵌入式網(wǎng)關(guān)控制端和移動控制端。嵌入式網(wǎng)關(guān)采用S3C2416芯片搭載WinCE操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮ARM9芯片的數(shù)據(jù)處理能力，性能高、運行穩(wěn)定；移動控制端則是基于Android操作系統(tǒng)開發(fā)的APP，該系統(tǒng)開源、系統(tǒng)精簡且用戶量大，具有較強的應(yīng)用價值。本控制組的設(shè)計不僅實現(xiàn)了陽臺農(nóng)業(yè)的無線遠(yuǎn)程控制功能，而且提高了陽臺農(nóng)業(yè)的精細(xì)化程度。

陽臺農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；S3C2416；WinCE；Android

0 引言

隨著我國城市化腳步的不斷推進(jìn)，食品安全成為了當(dāng)今社會急需解決的一個問題。隨著生活水平的提高，人們更追求自然、崇尚健康。陽臺農(nóng)業(yè)就是利用城市內(nèi)有效的空間，以高科技手段種植農(nóng)產(chǎn)品的新型農(nóng)業(yè)形式。由于陽臺農(nóng)業(yè)具有操作簡單、環(huán)境友好、頤養(yǎng)身心等優(yōu)點，正在被更多的市民所接受。

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮。[1]近年來，隨著智能農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，智能感知芯片、移動嵌入式系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也在逐步拓寬。[2]針對城市居民不斷增長的需求，發(fā)展基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的陽臺農(nóng)業(yè)具有很重要的意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)陽臺農(nóng)業(yè)概述

1.1 陽臺農(nóng)業(yè)

陽臺農(nóng)業(yè)從字面上理解就是在陽臺上高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但其實質(zhì)是在城市建筑物的內(nèi)部和外部進(jìn)行的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。美國陽臺農(nóng)業(yè)開發(fā)面積占屋頂面積30%，生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)值占美國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)值的1/3以上；1982年，德國政府通過立法強制推行屋頂綠化，2003年德國屋頂綠化的覆蓋率超過14%，屋頂綠化種植總面積超過1350萬平方米[3-4]。

我國的陽臺農(nóng)業(yè)技術(shù)較之發(fā)達(dá)國家還是起步較晚，不夠成熟，大部分居民利用陽臺種植依然局限于傳統(tǒng)單一的有土種植形式，作物的產(chǎn)量和質(zhì)量始終不能令人滿意。本文提出了物聯(lián)網(wǎng)+陽臺農(nóng)業(yè)的模式。該模式利用物聯(lián)網(wǎng)技對術(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各要素實行數(shù)字化設(shè)計、智能化控制、精準(zhǔn)化運行和科學(xué)化管理，從而實現(xiàn)對各項作物生長參數(shù)的“全面感知、可靠傳輸和智能處理”[5]，兼顧了觀賞、美化和收獲。

1.2 設(shè)計概述

本文設(shè)計的陽臺農(nóng)業(yè)模型如圖1所示。

圖1 陽臺農(nóng)業(yè)模型

該系統(tǒng)是結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，系統(tǒng)工作過程如下：首先由采集模塊（傳感器）收集作物生長的環(huán)境信息（溫度、濕度、CO2濃度等）并將數(shù)據(jù)傳遞給嵌入式網(wǎng)關(guān)（現(xiàn)場控制模塊）和用戶終端（手機），用戶可以在這兩個設(shè)備上實時查看各項參數(shù)，并且可以通過繼電器控制執(zhí)行模塊（空調(diào)、加濕器、CO2發(fā)生器等）進(jìn)行有效的環(huán)境調(diào)節(jié)，以此為作物的生長創(chuàng)造最有利的環(huán)境條件。

針對物聯(lián)網(wǎng)+陽臺農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計需要完成兩部分的工作：1. 現(xiàn)場控制模塊，即嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計和制作；2. 遠(yuǎn)程控制模塊，即用戶手機終端的軟件開發(fā)。

2 硬件設(shè)計

由于本設(shè)計中用戶終端是Android系統(tǒng)手機，所以硬件部分工作即嵌入式網(wǎng)關(guān)和控制模塊及外圍電路的設(shè)計制作。

2.1 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 硬件框圖

①主處理器

本研究選用的S3C2416芯片是一款三星生產(chǎn)的基于ARM926EJ內(nèi)核的32位RISC微處理器，65 nm工藝制程，具有低功耗、高性能和低成本的特性[6]。

②USB和RS232

本設(shè)計在USB方面提供了一路USB Device 接口，用于支持ActiveSync和PC機同步通信和聯(lián)調(diào)應(yīng)用程序；三路USB Host接口，用于支持鍵鼠、U盤等設(shè)備。串口方面，四路帶隔離的3線RS-232串口，其中二路可以作為RS-485總線接口。

③人機交互設(shè)備

該部分包含一塊8.0(英寸)，800*600，64 K色的顯示屏和一塊4線電阻式觸摸屏，由于S3C2416芯片集成了觸摸屏控制器，所以可以直接連接。

④以太網(wǎng)控制器

由于系統(tǒng)選用的微處理器本身沒有以太網(wǎng)接口，所以本設(shè)計中選用了DM9000 E以太網(wǎng)控制芯片與處理器相連接，構(gòu)成一路100 M的以太網(wǎng)絡(luò)接口，并通過無線路由器實現(xiàn)與手持終端的通信。[7]

2.2 網(wǎng)關(guān)外圍硬件設(shè)計

本研究中網(wǎng)關(guān)的外圍硬件以及提供的支撐功能如下：220 V主電源空氣開關(guān)，用于給交流設(shè)備供電；12 V高頻開關(guān)電源，用以獲得12 V直流電；混合I/O數(shù)據(jù)采集模塊，用于將芯片輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓；中間繼電器，用于控制220 V用電器的電源通/斷；接線端子，用于接入傳感器發(fā)送的數(shù)字信號；無線路由器，用于和用戶終端的通信。

3 軟件設(shè)計

3.1 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

嵌入式網(wǎng)關(guān)是基于WinCE5.0系統(tǒng)開發(fā)的軟件，WinCE 5.0是微軟公司公司開發(fā)的一種嵌入式操作系統(tǒng)，它是一種模塊化的、易剪裁、定制移植方便的、實時搶占式多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)。它能支持多種硬件平臺(包括X86、ARM、MIPS等)，能滿足測控系統(tǒng)對實時性、穩(wěn)定性的要求。

本設(shè)計采用Platform Builder工具進(jìn)行操作系統(tǒng)的定制，用以支持OAL層、Boot Loader和驅(qū)動程序的開發(fā)。Boot Loader以U-boot為基礎(chǔ)進(jìn)行修改，驅(qū)動程序方面主要是對采集模塊所需的具體傳感器進(jìn)行驅(qū)動程序開發(fā)，詳細(xì)代碼不再贅述。

應(yīng)用程序開發(fā)部分主要包含采集單元、網(wǎng)絡(luò)單元、控制單元、歷史數(shù)據(jù)查詢、終端參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)運行監(jiān)控和圖形界面7個部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 陽臺農(nóng)業(yè)網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

其中采集單元主要是傳感器端的A/D轉(zhuǎn)換；網(wǎng)絡(luò)單元采用TCP/IP協(xié)議，一方面實現(xiàn)傳感器單片機向上位機的數(shù)據(jù)發(fā)送，另一方面實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與手持終端的數(shù)據(jù)互通；控制單元主要是根據(jù)PID算法，用C語言編寫的控制子程序；歷史數(shù)據(jù)查詢是將測量到的數(shù)據(jù)寫入SDRAM中，當(dāng)寫入的數(shù)據(jù)達(dá)到Flash一頁的大小時，再將數(shù)據(jù)寫入Flash；終端參數(shù)設(shè)置是系統(tǒng)提供給用戶的設(shè)置功能模塊，主要功能是網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置和修改；系統(tǒng)運行監(jiān)控是系統(tǒng)提供給維護(hù)人員的接口，可用于監(jiān)測整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)；圖形界面使用GWES軟件實現(xiàn)。

3.2 移動端軟件設(shè)計

本設(shè)計選用Android系統(tǒng)作為移動端的APP平臺，使用Java開發(fā)，選用MyEclipse工具進(jìn)行應(yīng)用層軟件開發(fā)，該工具具有開放性好、開發(fā)效率高等優(yōu)點[8]。

本文設(shè)計的APP包含兩個功能模塊：環(huán)境監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，如圖4所示。

其中，環(huán)境監(jiān)測模塊可以顯示出現(xiàn)場傳感器通過網(wǎng)絡(luò)傳遞來的空氣、土壤相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行存儲；遠(yuǎn)程控制模塊則可以通過按鍵控制的形式，遠(yuǎn)程控制執(zhí)行器（加濕器等）的動作，并且提供IP地址、TCP端口等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置和修改功能。[9]

本文設(shè)計的軟件以遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制為目的，工作流程圖如圖5所示：

圖4 功能模塊圖

圖5 工作流程圖

·軟件初始化，網(wǎng)絡(luò)模塊將采集器收集到的數(shù)據(jù)傳遞給主程序

·用戶可以通過監(jiān)測界面顯示環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度等）；

·用戶可以通過控制界面向執(zhí)行器下達(dá)指令（ON/OFF）；

·用戶可以在監(jiān)測和控制界面間相互切換，實時觀測和控制。

4 系統(tǒng)測試

本設(shè)計著重在于嵌入式網(wǎng)關(guān)和用戶端的設(shè)計，所以數(shù)據(jù)采集和環(huán)境控制僅針對實驗室環(huán)境，配備了實驗級傳感器和民用級電器，實驗設(shè)備和測試結(jié)果如圖6所示。

(a) 網(wǎng)關(guān)外圍硬件 (b) 手機監(jiān)測界面 (c) 手機控制界面 (d) 監(jiān)測模塊 (e) 控制模塊

經(jīng)過測試，系統(tǒng)中硬件和軟件均運轉(zhuǎn)正常，功能方面可以達(dá)到設(shè)計預(yù)期，可以較好地反映環(huán)境參數(shù)，并能夠?qū)ο嚓P(guān)執(zhí)行模塊進(jìn)行有效的控制。[10]

5 總結(jié)

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于陽臺農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的控制組，包含嵌入式網(wǎng)關(guān)和移動終端兩部分，其中第一部分采用了S3C2416+WinCE的組合，搭建了能夠?qū)崟r采集作物生長環(huán)境信息并能夠主動控制的智能控制臺；第二部分采用手機+Android的組合，將第一部分的功能擴(kuò)展到了移動端，更加方便了用戶的使用。本設(shè)計對促進(jìn)陽臺農(nóng)業(yè)的推廣具有促進(jìn)意義。

[1] 王占松, 田凌. 基于功能的三維模型檢索系統(tǒng)[J]. 計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報, 2013, (12): 1877-1885.

[2] 郎波, 劉旭東, 王懷民, 謝冰, 毛曉光. 一種軟件可信分級模型[J]. 計算機科學(xué)與探索, 2010, (03): 231-239.

[3] 楊寶祝. 城市陽臺上的伊甸園-陽臺農(nóng)業(yè)[J]. 北京農(nóng)業(yè). 2013(6): 46-49.

[4] 郭迪. 我國陽臺農(nóng)業(yè)概況及發(fā)展前景[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué). 2013(3): 239-241.

[5] 文黎明, 龍亞蘭. 物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2010(15): 54-54.

[6] 陳寧寧, 齊世清. 基于嵌入式Linux的蓄電池組智能監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 新型工業(yè)化, 2014(5): 20-26.

[7] 于浩, 宿浩, 楊雪, 田春鵬, 唐功友. 基于引導(dǎo)角的輪式移動機器人軌跡跟蹤控制[J]. 控制與決策, 2015, (04): 635-639.

[8] 石旭東. 基于Android平臺的NFC技術(shù)的研究與實現(xiàn)[J]. 軟件, 2013(1): 64-68.

[9] 李菁. 高校實驗室綜合管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 東南大學(xué), 2016.

[10] 武永強. 基于人因工程學(xué)的雙橢圓機設(shè)計方法研究[D]. 武漢理工大學(xué), 2006.

A Design of Balcony Agricultural Intelligent Control Group

XIE Meng, LI Ming-hui, XU Wei

(Heilongjiang Agricultural Engineering Vocational College)

This paper designs an intelligent control group for the balcony agriculture, including the embedded gateway control terminal and the mobile control terminal. Embedded gateway S3C2416 chip equipped with WinCE operating system, the system can give full play to the ARM9 chip data processing capabilities, high performance, stable operation; mobile control terminal is an APP developed based on the Android operating system, the system open source, the system streamlined and user Large, with a strong application value. The design of the control group not only realizes the wireless remote control function of the balcony agriculture, but also improves the refinement degree of the balcony agriculture.

Balcony agriculture; Internet of things; S3C2416; WinCE; Android

TP212.6

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.04.029

本文著錄格式：解朦，李明輝，徐偉. 一種陽臺農(nóng)業(yè)智能控制組的設(shè)計[J]. 軟件，2017，38（4）：150-153