張寶雯，王春光，宗哲英，趙曉東

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)及終端智能硬件的快速發(fā)展已經(jīng)帶動(dòng)了各行各業(yè)的智能化發(fā)展，也為我國(guó)發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)提供了有利條件[1]。日光溫室作為我國(guó)特有的設(shè)施農(nóng)業(yè)形式，因其在提高資源利用效率、提升農(nóng)作物品質(zhì)及增加農(nóng)民收入等方面的突出優(yōu)勢(shì)成為了我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)研究對(duì)象[2]。目前，我國(guó)在智能化農(nóng)業(yè)管理方面發(fā)展迅速，已有較為突出的研究成果，如使用傳感器采集各項(xiàng)重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響因素的數(shù)據(jù)、利用單片機(jī)技術(shù)控制各項(xiàng)農(nóng)業(yè)設(shè)備自動(dòng)調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、基于Windows開(kāi)發(fā)的農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)，以及利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件等新興農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)都是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的。近年來(lái)，智能手機(jī)及平板電腦等智能可移動(dòng)終端的發(fā)展及普遍應(yīng)用也使得各行業(yè)逐漸步入了遠(yuǎn)程遙控的發(fā)展新階段[3]，將該技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合不僅可以大大降低生產(chǎn)過(guò)程中的人力及時(shí)間成本，也提高了農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，改善了農(nóng)作物的品質(zhì)[4]。因此，開(kāi)發(fā)一套用于智能可移動(dòng)終端的日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就成為了我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的迫切需要[5]。

為改善現(xiàn)有的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率、實(shí)用性及用戶(hù)體驗(yàn)，本設(shè)計(jì)需要針對(duì)環(huán)溫、環(huán)濕、土溫、土濕、CO2濃度，以及光照強(qiáng)度進(jìn)行管理控制，主要實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)功能：

1)開(kāi)發(fā)可用于智能移動(dòng)終端的日光溫室監(jiān)控管理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器及人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)操作簡(jiǎn)單、界面簡(jiǎn)潔友好的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

2)根據(jù)環(huán)溫、環(huán)濕、土溫、土濕等環(huán)境參數(shù)類(lèi)型及其特點(diǎn)，提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)的建議最佳范圍，幫助用戶(hù)制定合理的溫室管理方案。

3)當(dāng)環(huán)溫、環(huán)濕、土溫、土濕等環(huán)境參數(shù)不符合管理方案時(shí)，用戶(hù)可以通過(guò)對(duì)卷簾機(jī)、熱風(fēng)機(jī)、卷膜機(jī)及濕簾風(fēng)機(jī)等設(shè)備的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的及時(shí)調(diào)控。

1 功能設(shè)計(jì)與總體結(jié)構(gòu)

1.1 功能設(shè)計(jì)

日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控APP主要對(duì)以下環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)：環(huán)溫、環(huán)濕、土溫、土濕、CO2濃度，以及光照強(qiáng)度。首先，用戶(hù)可以根據(jù)日光溫室中種植的不同農(nóng)作物及其當(dāng)前生長(zhǎng)階段在APP中制定作物的生產(chǎn)管理方案，可根據(jù)用戶(hù)意愿手動(dòng)制定或選擇使用系統(tǒng)推薦的農(nóng)作物最適宜生長(zhǎng)環(huán)境條件來(lái)智能設(shè)置合理的生產(chǎn)管理方案，對(duì)每個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行最佳范圍的詳細(xì)規(guī)劃。

在制定好管理方案之后，APP實(shí)現(xiàn)自動(dòng)按照管理方案定時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一個(gè)或幾個(gè)環(huán)境參數(shù)不符合預(yù)定的最佳范圍時(shí)發(fā)送警報(bào)到用戶(hù)的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

使用定時(shí)監(jiān)測(cè)，避免了出現(xiàn)當(dāng)有環(huán)境參數(shù)不符合要求時(shí)由于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)致的重復(fù)報(bào)警現(xiàn)象，最大限度地保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，改善了用戶(hù)體驗(yàn)。

APP對(duì)溫室中農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的調(diào)控主要通過(guò)對(duì)以下幾個(gè)設(shè)備的開(kāi)關(guān)及時(shí)間控制來(lái)實(shí)現(xiàn)：卷膜機(jī)、卷簾機(jī)、熱風(fēng)機(jī)、濕簾風(fēng)機(jī)、灌溉設(shè)備、噴霧裝置、CO2發(fā)生器和補(bǔ)光燈。當(dāng)某項(xiàng)環(huán)境參數(shù)需要調(diào)控時(shí)，用戶(hù)可以結(jié)合當(dāng)前情況及對(duì)該項(xiàng)環(huán)境參數(shù)查詢(xún)到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮之后確定需求，并根據(jù)需求控制設(shè)備以達(dá)到及時(shí)調(diào)控作物生長(zhǎng)環(huán)境的效果。當(dāng)用戶(hù)打開(kāi)某個(gè)設(shè)備時(shí)，可以選擇根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置設(shè)備的自動(dòng)關(guān)閉時(shí)間或者視情況選擇手動(dòng)關(guān)閉。

使用時(shí)間作為設(shè)備開(kāi)關(guān)的控制量，避免了出現(xiàn)環(huán)境參數(shù)在臨界值附近徘徊導(dǎo)致的設(shè)備反復(fù)開(kāi)關(guān)等情況，極大地保證了農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的可控性，使環(huán)境參數(shù)得到更好的控制。總體功能設(shè)計(jì)的框圖如圖1所示。

圖1 功能設(shè)計(jì)框圖

1.2 總體結(jié)構(gòu)

日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控APP主要包括客戶(hù)端、數(shù)據(jù)庫(kù)及服務(wù)器3部分。

1)客戶(hù)端。該部分的設(shè)計(jì)主要從以下幾點(diǎn)考慮：

(1)考慮到所要開(kāi)發(fā)APP的可持續(xù)性發(fā)展并延長(zhǎng)該系統(tǒng)的生命周期，選擇了使用Google公司大力推廣的新興產(chǎn)品—Android Studio軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)[6]。

(2)為適應(yīng)多個(gè)智能可移動(dòng)終端的同時(shí)支持，提高所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的適用性，需分別對(duì)不同分辨率的設(shè)備進(jìn)行頁(yè)面設(shè)計(jì)及多版本的代碼編寫(xiě)、測(cè)試及改良[7]。

(3)為提高軟件的運(yùn)行速度、改善用戶(hù)體驗(yàn)，采用了碎片技術(shù)來(lái)進(jìn)行代碼的編寫(xiě)[8]。該技術(shù)的使用最大限度地降低了代碼的重復(fù)率，提高了軟件的運(yùn)行效率[9]。

2)數(shù)據(jù)庫(kù)。該部分的設(shè)計(jì)主要從以下幾點(diǎn)考慮：

(1)目前較為常見(jiàn)的幾款數(shù)據(jù)庫(kù)有MySQL、SQLite、SQL Server等[10]。在對(duì)這幾款常用的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較之后，為了保證軟件運(yùn)行的流暢，最終選擇了開(kāi)發(fā)難度較高的輕型數(shù)據(jù)庫(kù)—SQLite[11]。

(2)根據(jù)軟件需實(shí)現(xiàn)的功能，完成了對(duì)以下幾個(gè)表的設(shè)計(jì)：用戶(hù)表、溫室表、歷史數(shù)據(jù)表、管理方案表、專(zhuān)家系統(tǒng)表、管理員表及請(qǐng)求信息表。

3)服務(wù)器。該部分的設(shè)計(jì)主要從以下幾點(diǎn)考慮：

(1)因Tomcat服務(wù)器具有技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定且擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)而廣受歡迎，本軟件也同樣使用了Servlet搭配Tomcat的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)[12]。

(2)HTTP是應(yīng)用最廣的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在使用Servlet搭配Tomcat搭建服務(wù)器端的同時(shí)也需要使用HTTP協(xié)議來(lái)應(yīng)答客戶(hù)端的請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端與客戶(hù)端之間的通訊[13]。

2 APP功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 登錄界面的實(shí)現(xiàn)

登錄界面主要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的用戶(hù)名及密碼的驗(yàn)證功能，在用戶(hù)及管理員登錄時(shí)可以自動(dòng)識(shí)別并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)頁(yè)面。

2.2 溫室詳情界面的實(shí)現(xiàn)

溫室詳情界面主要包括以下幾個(gè)功能：實(shí)時(shí)顯示溫室中各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)、對(duì)溫室中各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)和對(duì)溫室中設(shè)備的及時(shí)調(diào)控。

首先，用戶(hù)可以直觀地看到各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括6部分：空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、土壤溫度和土壤濕度；之后，用戶(hù)可以根據(jù)自身需求查詢(xún)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行綜合考慮，及時(shí)地控制卷簾機(jī)、補(bǔ)光燈、濕簾風(fēng)機(jī)等設(shè)備達(dá)到對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境及時(shí)調(diào)控的功能。溫室詳情界面效果如圖2所示。

2.3 溫室設(shè)備控制界面的實(shí)現(xiàn)

溫室設(shè)備控制界面主要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)通過(guò)對(duì)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及所查詢(xún)的歷史數(shù)據(jù)的綜合考慮確定農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的調(diào)控需求，并根據(jù)需求對(duì)溫室中各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行控制。當(dāng)用戶(hù)打開(kāi)某個(gè)設(shè)備時(shí)，如卷簾機(jī)、補(bǔ)光燈、濕簾風(fēng)機(jī)等，APP自動(dòng)彈出提示框讓用戶(hù)設(shè)定該項(xiàng)設(shè)備自動(dòng)關(guān)閉時(shí)間，或者用戶(hù)可以選擇手動(dòng)關(guān)閉。溫室設(shè)備控制界面效果如圖3所示。

2.4 溫室管理方案界面的實(shí)現(xiàn)

溫室管理方案界面主要實(shí)現(xiàn)幫助用戶(hù)合理制定溫室環(huán)境管理方案的功能。用戶(hù)可以根據(jù)溫室中種植的不同農(nóng)作物及其當(dāng)前生長(zhǎng)階段按照自己的想法手動(dòng)設(shè)置每項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的最佳范圍，或者當(dāng)用戶(hù)并不了解該作物的適宜生長(zhǎng)環(huán)境時(shí)也可以在APP中進(jìn)行查詢(xún)，并根據(jù)系統(tǒng)推薦的最佳范圍選擇一鍵智能設(shè)置溫室環(huán)境管理方案；之后，系統(tǒng)就可以根據(jù)用戶(hù)設(shè)定好的農(nóng)作物生產(chǎn)管理方案定時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，當(dāng)某項(xiàng)數(shù)據(jù)不符合預(yù)定的最佳范圍時(shí)可以及時(shí)發(fā)送警報(bào)到用戶(hù)的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)報(bào)警功能。手動(dòng)設(shè)置溫室管理方案界面效果如圖4所示。

圖2 溫室詳情界面圖

圖3 設(shè)備控制圖

APP可以根據(jù)用戶(hù)查詢(xún)的農(nóng)作物類(lèi)型及其生長(zhǎng)階段從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出該項(xiàng)作物的最適宜生長(zhǎng)環(huán)境內(nèi)容并反饋給用戶(hù)，用戶(hù)可根據(jù)查詢(xún)到的數(shù)據(jù)一鍵智能設(shè)置生產(chǎn)管理方案。智能設(shè)置溫室管理方案界面效果如圖5所示。

圖4 溫室管理方案界面圖

圖5 智能設(shè)置管理方案圖

2.5 平板溫室詳情界面的實(shí)現(xiàn)

平板電腦溫室詳情界面與手機(jī)端的溫室詳情界面相似，其功能也與手機(jī)端的溫室詳情界面相同；但由于平板電腦的分辨率與智能手機(jī)有很大差別，因此需要針對(duì)平板電腦單獨(dú)進(jìn)行界面的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。該界面使用了碎片技術(shù)將屏幕劃分為左右兩部分，左側(cè)為用戶(hù)管理的溫室列表，右側(cè)則為選中的溫室的詳情頁(yè)面；用戶(hù)可以在屏幕的左側(cè)選擇自己想要控制的溫室，并在右側(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。平板電腦溫室詳情界面效果如圖6所示。

3 軟件調(diào)試

用戶(hù)通過(guò)對(duì)參數(shù)類(lèi)型，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等選項(xiàng)的選擇，以及所要查詢(xún)時(shí)間段的設(shè)置得到了該項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)。由于溫室中各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)較為龐雜，人力分析較為困難，因此APP使用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)對(duì)用戶(hù)查詢(xún)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并最終以折線(xiàn)圖的形式展現(xiàn)給用戶(hù)。歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)功能測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖6 平板溫室詳情界面圖

圖7 歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)圖

4 結(jié)論

日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控APP將Android技術(shù)、JAVA技術(shù)、智能可移動(dòng)終端與農(nóng)業(yè)很好地結(jié)合起來(lái)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)日光溫室環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，還可以根據(jù)溫室中種植的不同作物及時(shí)為用戶(hù)提供專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，降低了病蟲(chóng)害的概率，提高了農(nóng)作物的品質(zhì)與產(chǎn)量，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加的科學(xué)。其增加了幫助用戶(hù)科學(xué)規(guī)劃溫室管理方案的功能，軟件可以根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的管理方案自動(dòng)管理溫室中的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，極大地降低了人力成本與時(shí)間成本，提高了農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。