田 博，嚴(yán)李強(qiáng)，宋 赫，肖 楊

（西藏大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，拉薩850000）

0 引言

由于我國(guó)部分地區(qū)環(huán)境惡劣，不適用于常見(jiàn)的大規(guī)模蔬果種植，許多引入的溫室大棚技術(shù)的地區(qū)，一定程度上緩解了冬季蔬果緊缺的問(wèn)題，同時(shí)也成功種植了反季蔬菜水果。20世紀(jì)70年代后期，山東大學(xué)開(kāi)始用蛭石栽培黃瓜、西紅柿等，并取得了成功；20世紀(jì)80年代中期，進(jìn)口的溫室及無(wú)土栽培設(shè)施相繼投產(chǎn)；20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著人們生活水平的提高，人們的飲食需求已經(jīng)從基本的吃飽吃好轉(zhuǎn)變?yōu)槌缘慕】?。設(shè)施農(nóng)業(yè)的涌現(xiàn)大力加快了農(nóng)業(yè)整體的發(fā)展，但需要投入大量的人力成本對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)施進(jìn)行測(cè)控管理，這無(wú)疑增加了成本和風(fēng)險(xiǎn)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的整體變革，隨著機(jī)械設(shè)備制造水平和傳感設(shè)備數(shù)據(jù)精度的提高，農(nóng)業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，在農(nóng)業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化管理方面取得了諸多成果，如浙江農(nóng)科院合作研發(fā)了利用了無(wú)線傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田溫室大棚部分環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)[1]的平臺(tái)。孟祥寶等[2]綜合采用傳感器制造、信息融合、工控組態(tài)、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)分類(lèi)和搜索引擎等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息監(jiān)控體系。陳陽(yáng)[3]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了“風(fēng)雨欲來(lái)窗自關(guān)”的功能等許多成果取得了很好的效果。合肥工業(yè)大學(xué)的王建平和王良帆[4]開(kāi)發(fā)了基于IOS平臺(tái)的溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)云管理系統(tǒng)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的管理，但只能兼容單一種類(lèi)的溫室控制系統(tǒng)。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)兼容多種傳輸模式、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)編碼方式的數(shù)據(jù)有效信息解析匹配算法，并應(yīng)用該算法實(shí)現(xiàn)了支持多種傳輸模式、多種編碼加密模式下的數(shù)據(jù)采集和指令發(fā)送功能的移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)一個(gè)終端兼容管理多種的農(nóng)業(yè)測(cè)控設(shè)備的效果。

1 終端整體邏輯設(shè)計(jì)

目前大部分農(nóng)業(yè)測(cè)控類(lèi)軟件的測(cè)控平臺(tái)都只能對(duì)部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控或者是指令下發(fā)，如土壤濕度、環(huán)境溫濕度、環(huán)境光照強(qiáng)度和環(huán)境氣體的檢測(cè)[5]。本文最終目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款兼容多種規(guī)格終端并可用于規(guī)?；N植使用的農(nóng)業(yè)測(cè)控系統(tǒng)管理終端，同時(shí)也可作為中小型的農(nóng)業(yè)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化控制的數(shù)據(jù)管理工具。此外，對(duì)于所有的操作，為方便溯源追蹤操作者等相關(guān)數(shù)據(jù)，將所有操作日志（包含操作內(nèi)容、操作人、操作時(shí)間等信息）儲(chǔ)存到服務(wù)器中提供查詢。根據(jù)2019年市場(chǎng)研究IDC發(fā)布的智能手機(jī)市場(chǎng)報(bào)告，Android操作系統(tǒng)的手機(jī)占據(jù)了87%的市場(chǎng)份額，故本文移動(dòng)端選擇基于Android操作系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，PC端基于windows系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。整體流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體邏輯

2 文本處理工具及對(duì)比

2.1 VIM文本編輯

VIM是一種文本編輯器，被認(rèn)為是類(lèi)VI文本編輯器中最好用的一個(gè)。VIM最大優(yōu)勢(shì)是在于其用命令都是簡(jiǎn)單的字符[6]。可以在Unix系統(tǒng)中執(zhí)行數(shù)據(jù)的模糊匹配任務(wù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的字符命令，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)容的模糊匹配，實(shí)現(xiàn)本文中所需的多種數(shù)據(jù)格式的解析需求。

但在本文中需要所用工具可以在多種編程語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)，多種操作系統(tǒng)中運(yùn)行，由于VIM支持系統(tǒng)的環(huán)境限制，以及VIM自身的語(yǔ)法過(guò)于復(fù)雜，存在很多不方便的問(wèn)題，VIM文本編輯難以實(shí)現(xiàn)需求。

2.2 正則表達(dá)式

正則表達(dá)式（Regular Expression），又稱正規(guī)表示法、常規(guī)表示法，在代碼中常簡(jiǎn)寫(xiě)為regex、regexp或RE。正則表達(dá)式是對(duì)字符串操作的一種邏輯公式，就是用事先定義好的一些特定字符及這些特定字符的組合，組成一個(gè)“規(guī)則字符串”，這個(gè)“規(guī)則字符串”用來(lái)表達(dá)對(duì)字符串的一種過(guò)濾邏輯[7]。

同時(shí)，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中所需用到的JAVA、Python等語(yǔ)言中大多含有都有正則表達(dá)式的支持庫(kù)，可以使用多種編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)正則表達(dá)式，在多種系統(tǒng)環(huán)境下執(zhí)行正則表達(dá)式進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的匹配，更能滿足相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)的需求。

2.3 文本處理工具對(duì)比

例 如：IP地 址 為xxx.xxx.xxx.xxx格 式，如120.26.174.204為位于杭州市阿里云的服務(wù)器的IP地址，目的是通過(guò)正則表達(dá)式，在一大段復(fù)雜的無(wú)規(guī)則文本中，提取出符合格式的IP地址。目標(biāo)是在軟件中利用這個(gè)IP地址進(jìn)行訪問(wèn)，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)交互，通過(guò)數(shù)據(jù)交互，得到如下的返回?cái)?shù)據(jù):{code:“0”,msg:“l(fā)ocalIP：120.26.174 .204:9999”}

下一步就是通過(guò)從這段文本中匹配到這一個(gè)IP地址包含端口120.26.174.204:9999。由于IP的格式是由5個(gè)整數(shù)型數(shù)值和5個(gè)符號(hào)構(gòu)成。若采用VIM進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，需要掌握復(fù)雜的VIM相關(guān)匹配符號(hào)的意義，嚴(yán)格控制每個(gè)數(shù)值的范圍進(jìn)行匹配，若最終需要匹配出符合條件的IP地址，最終需要用到表達(dá)式“<（[1-9]|[1-9][0-9]|1[0-9]{2}|2[01][0-9]|22[0-3]）>（.<（[0-9]|[0-9][0-9]|1[0-9]{2}|2[0-4][0-9]|25[0-5]）>）{2}.<（[1-9]|[0-9][0-9]|1[0-9]{2}|2[0-4][0-9]|25[0-4]）>”，然后通過(guò)執(zhí)行shell腳本得到的目標(biāo)文本。

正則表達(dá)式中“d+”可用取出一個(gè)整型數(shù)值，接下來(lái)就是中間的隔離符號(hào)，分別用“.”和“：”表示。最后將數(shù)值和符號(hào)按照文本的連接關(guān)系，依次羅列，最終通過(guò)“d+.d+.d+.d+:d+”這一正則表達(dá)式就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匹配，得到目標(biāo)文本如圖2所示。由圖可知，文本中的任意數(shù)據(jù)，只要根據(jù)文本需要數(shù)據(jù)的一些特定特征，就可以匹配出這一數(shù)據(jù)內(nèi)容。

圖2 正則表達(dá)式匹配IP代理

如表1所示，正則表達(dá)式更適合本文算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本文明確提到需要獲取一些節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如傳感器獲取到的環(huán)境數(shù)據(jù)、溫室內(nèi)設(shè)備的工作狀態(tài)等。選用正則表達(dá)式進(jìn)行數(shù)據(jù)的匹配更適合開(kāi)放式的工具進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，更方便兼容不同的數(shù)據(jù)格式以及在不同操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)功能。

表1 VIM文本編輯工具與正則表達(dá)式對(duì)比

3 數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)

3.1 正則表達(dá)式解析數(shù)據(jù)算法

3.1.1 算法設(shè)計(jì)

根據(jù)前文對(duì)VIM數(shù)據(jù)解析工具于正則表達(dá)式對(duì)比的結(jié)果，結(jié)合溫室環(huán)境所傳遞的數(shù)據(jù)，選用正則表達(dá)式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并設(shè)計(jì)出解析數(shù)據(jù)算法如下。

（1）讀取數(shù)據(jù)并預(yù)處理

根據(jù)預(yù)設(shè)的節(jié)點(diǎn)地址和請(qǐng)求方式，提交獲取數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并得到系統(tǒng)中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行前后去空等預(yù)處理，防止出現(xiàn)因文本異常出現(xiàn)影響后續(xù)解析的情況。

（2）數(shù)據(jù)解碼處理

數(shù)據(jù)在傳送過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)非法入侵者將信息截取的情況，通常傳送的是密文[8]，如URLcode、DES進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。在解析之前判斷是否預(yù)設(shè)了需要解碼，并將數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行解密，方便后續(xù)的解析和可視化顯示。

（3）讀取正則表達(dá)式、進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和結(jié)果讀取

獲得未加密的數(shù)據(jù)內(nèi)容后，要進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的正則表達(dá)式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到解析后的節(jié)點(diǎn)內(nèi)容，分別儲(chǔ)存在數(shù)組res[節(jié)點(diǎn)編號(hào)-1]這一變量中。

（4）判斷解析是否成功

此判斷依據(jù)為判斷解析后的數(shù)組成員數(shù)是否和預(yù)設(shè)的相等，如果不相等，則代表解析中出現(xiàn)問(wèn)題，可能是數(shù)據(jù)異常、正則表達(dá)式不正確或解析中受到未知原因的影響。如果解析錯(cuò)誤，則重新獲取一次數(shù)據(jù)并解析，同時(shí)發(fā)出錯(cuò)誤報(bào)告。

（5）對(duì)應(yīng)值判斷解析

以日光溫室農(nóng)業(yè)測(cè)控系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中存在諸多控制設(shè)備，如保溫被、遮陽(yáng)網(wǎng)等。在傳輸過(guò)程中為了降低數(shù)據(jù)大小，通常將“關(guān)閉”、“開(kāi)啟”等數(shù)據(jù)以“0”、“1”這樣的數(shù)值進(jìn)行傳輸。在可視化顯示之前，需要按對(duì)應(yīng)方式將“0”、“1”等數(shù)據(jù)替換為“關(guān)閉”、“開(kāi)啟”。

（6）進(jìn)行可視化顯示

將被判斷沒(méi)有問(wèn)題的解析數(shù)據(jù)執(zhí)行可視化顯示指令，將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示在軟件GUI的對(duì)應(yīng)標(biāo)簽中。

數(shù)據(jù)解析算法流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)解析算法流程

3.1.2 算法實(shí)現(xiàn)

該算法采用PyCharm2020.1版本作為IDE工具，以python3.8版本作為解釋器，調(diào)用wxpython支持庫(kù)制作形成相關(guān)的的GUI界面，調(diào)用正則表達(dá)式支持庫(kù)re輔助實(shí)現(xiàn)，相關(guān)代碼如下：

3.1.3 測(cè)試與結(jié)果分析

由于條件的限制，本文只測(cè)試了幾種模擬的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)的獲取方式為通過(guò)HTTP訪問(wèn)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 解析算法測(cè)試

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，本算法的數(shù)據(jù)解析能夠通過(guò)正則表達(dá)式使數(shù)據(jù)在通過(guò)一系列判斷與解析方法，將從地址獲取的原始數(shù)據(jù)解析成程序的可視化內(nèi)容。

3.2 正則表達(dá)式的簡(jiǎn)易生成算法

3.2.1 算法目的及原理

由于很多教程的講解起點(diǎn)很高，并沒(méi)有過(guò)多細(xì)節(jié)講解，概念上沒(méi)有注意先后順序，給讀者的理解帶來(lái)了困難[9]。為了便于用戶自己編寫(xiě)適應(yīng)自己的農(nóng)業(yè)測(cè)控管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解析正則表達(dá)式，需要設(shè)計(jì)一個(gè)算法降低編寫(xiě)農(nóng)業(yè)測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析正則表達(dá)式的難度。

本文采用尋找符合節(jié)點(diǎn)字段的節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)貪婪匹配符（*.?）替換數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析正則表達(dá)式的生成。

3.2.2 人機(jī)交互部分

本算法根據(jù)字符串檢索的方式，將“[^節(jié)點(diǎn)名]”替換要讀取的數(shù)據(jù)，如讀取到的數(shù)據(jù)為：{code:0,tempera?ture:25.2,air:35,soil:0.62,PH:6.32,light:2429,co2:0.62}。 算法中需要解析到的數(shù)據(jù)為“25.2”、“35”、“0.62”、“6.32”、“2429”、“0.62”，則只需將這6個(gè)數(shù)值用“[^]”進(jìn)行替換，即提交文本：{code:0,temperature:[^溫度],air:[^空氣],soil:[^土壤],PH:[^PH],light:[^光照],co2:[^二氧化碳]}。

3.2.3 算法流程

根據(jù)字符串特征判斷的方式，設(shè)計(jì)出正則表達(dá)式生成算法如圖5所示。

圖5 正則表達(dá)式的簡(jiǎn)易生成算法流程

為了簡(jiǎn)化算法，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)顯示，從GUI中讀取的數(shù)據(jù)類(lèi)型均為string字符串型。利用貪婪匹配符（*.?）進(jìn)行替換，正則表達(dá)式的執(zhí)行結(jié)果則為這一部分內(nèi)容的中間文本，并返回字符串，在后續(xù)使用中，如果是數(shù)值，則不考慮是否為整型變量，均進(jìn)行浮點(diǎn)型轉(zhuǎn)換進(jìn)行計(jì)算使用；如果是字符串變量，則可以直接進(jìn)行字符串的相關(guān)操作。該算法是根據(jù)字符判斷，尋找到特征值進(jìn)行替換的方式，避免了在生成表達(dá)式的同時(shí)用戶提交的信息與數(shù)據(jù)中的原有信息沖突，造成生成時(shí)將原有數(shù)據(jù)打亂的問(wèn)題。同時(shí)將對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的名稱儲(chǔ)存到name[節(jié)點(diǎn)編號(hào)-1]這一個(gè)變量中。例如，現(xiàn)有一個(gè)日光溫室的控制系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)格式（其中1533697871為格林威治時(shí)間戳，暫時(shí)不進(jìn)行讀取處理）為：

[^time:1533697871,temperature:25.2,air:32,soil:0.62,PH:6.32,light:1489]

如果直接采取[^?]的替換方式，則最終的返回結(jié)果為res=“（*.?）”：

name=[“time:1533697871,temperature:25.2,air:32,soil:0.62,PH:6.32,light:1489”]

這種方法的結(jié)果并不符合本文需要的結(jié)果。

而采取上述的算法，則可以避免這種問(wèn)題，最終的返回結(jié)果為：

res={code:0,temperature:（*.?）,air:（*.?）,soil:（*.?）,PH:（*.?）,light:（*.?）,co2:（*.?）}

name=[“溫度”,”空氣”,”土壤”,”P(pán)H”,”光照”,”二氧化碳”]

以上結(jié)果符合本文的需求。因此，本文不選用直接進(jìn)行關(guān)鍵字替換的方式。

3.2.4 算法實(shí)現(xiàn)

算法采用PyCharm2021.2版本作為IDE工具，以py?thon3.9版本作為解釋器，部分代碼如下：

3.2.5 測(cè)試與結(jié)果分析

測(cè)試中采取模擬數(shù)據(jù)格式的方式進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行了3次，不同的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均通過(guò)，部分測(cè)試結(jié)果如圖6所示。可見(jiàn)本算法通過(guò)正則表達(dá)式，將測(cè)試文本轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)名稱列表，能夠正確地將獲取到的數(shù)據(jù)以需求的數(shù)據(jù)格式，解析成所需的內(nèi)容；且對(duì)本算法進(jìn)行多次測(cè)試，算法的輸出穩(wěn)定，提取結(jié)果皆為正確。

圖6 正則表達(dá)式的簡(jiǎn)易生成算法測(cè)試結(jié)果

4 Android客戶端

該系統(tǒng)是在JDK1.9環(huán)境下使用Android Studio 4.0.1版本進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，主要解析農(nóng)業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中環(huán)境參數(shù)，并對(duì)各終端設(shè)備下發(fā)控制命令，查看記錄操作日志等功能。由于該終端需要在終端-數(shù)據(jù)庫(kù)，終端-硬件數(shù)據(jù)源之間反復(fù)傳遞的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)還要兼容多種終端數(shù)據(jù)格式的解析讀取，就需要一個(gè)高效可靠便于調(diào)整的數(shù)據(jù)傳輸方式。在JAVA中，JDBC和PHP+MySQL的數(shù)據(jù)傳輸方式均可以滿足需求。

JDBC管理器的作用是負(fù)責(zé)管理各種不同的程序、包括直接訪問(wèn)以Java實(shí)現(xiàn)的JDBC網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，以及與基于ODBC的驅(qū)動(dòng)程序的共同實(shí)現(xiàn)[10]。PHP幾乎覆蓋了Web應(yīng)用的各個(gè)方面，其中最有特色的是數(shù)據(jù)庫(kù)API，在對(duì)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的操作上，PHP一共有32個(gè)API可供使用，這些APl包括了MySQL應(yīng)用的各個(gè)方面，如操作MySQL[11]。對(duì)比傳輸安全性以及數(shù)據(jù)傳輸格式調(diào)整的便捷性，本文所涉及的軟件Android端在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用PHP+MySQL模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

Android手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)主要包括Android開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建、登錄界面設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)[12]。通過(guò)XML調(diào)用Android通過(guò)控件庫(kù)設(shè)計(jì)UI如圖7所示，并通過(guò)JAVA綁定界面控件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互換以及數(shù)據(jù)上傳下行等相關(guān)操作。

圖7 Android客戶端界面UI

本文中的通用農(nóng)業(yè)測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理工具，要求可以做到支持多種控制系統(tǒng)的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的解析，實(shí)現(xiàn)可視化顯示；編輯命令文本，實(shí)現(xiàn)溫室數(shù)據(jù)命令指令的發(fā)送。保存相關(guān)方案數(shù)據(jù)，同時(shí)可以記錄用戶的操作日志。為實(shí)現(xiàn)上述功能，選用An?droid studio進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比文本匹配工具對(duì)不同格式數(shù)據(jù)解析的效果，設(shè)計(jì)了支持解析多種監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)格式的算法，并通過(guò)Android系統(tǒng)應(yīng)用本算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控以及設(shè)備控制。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可以通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制的農(nóng)業(yè)測(cè)控終端，在某一數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差時(shí)實(shí)現(xiàn)顏色提醒（偏差越高，顯示的顏色越醒目，警報(bào)頻率越高），完成了數(shù)據(jù)的可視化顯示。通過(guò)系統(tǒng)中記錄每一條操作數(shù)據(jù)的管理人員、時(shí)間等信息，實(shí)現(xiàn)管理的追蹤與溯源，為大規(guī)模種植中多人員管理模式下的追責(zé)等問(wèn)題提供了證據(jù)支持。此外，數(shù)據(jù)日志可以用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在后期進(jìn)行可視化分析或數(shù)據(jù)挖掘等，為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展進(jìn)步提供了大數(shù)據(jù)支持。