基于BLE與Android的牧場溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常 敏，梅曉敏，崔永進(jìn)，王業(yè)生

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引 言

畜牧業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，在我國國民經(jīng)濟(jì)中占很大比重。在畜牧產(chǎn)業(yè)中，牧場的溫濕度對(duì)牧場中動(dòng)物的生產(chǎn)能力及牧場產(chǎn)品的質(zhì)量影響極其重要。因此，保證飼養(yǎng)環(huán)境的溫濕度達(dá)到最佳標(biāo)準(zhǔn)顯得極其重要。

目前在畜牧業(yè)中，牧場環(huán)境溫濕度的監(jiān)測(cè)與控制主要采用以下幾種方法：（1）依靠人工溫濕度監(jiān)測(cè)控制。通過人工定期的監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度高于或者低于標(biāo)準(zhǔn)范圍則分別采用降溫或者加熱措施。同樣，當(dāng)發(fā)現(xiàn)濕度高于或者低于標(biāo)準(zhǔn)范圍則分別采用干燥或者加濕措施來處理。這種方式人工成本相對(duì)較高，監(jiān)測(cè)與控制也不能保證非常準(zhǔn)確。（2）pc端遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測(cè)控制。隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了一些半智能牧場的解決方案。當(dāng)溫濕度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)通過控制一些設(shè)備來重新使溫濕度滿足要求［1］。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是降低了牧場的人工成本，實(shí)現(xiàn)了半智能化的牧場溫濕度管理。缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)溫濕度的監(jiān)測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，而且依賴pc機(jī)，靈活性差。（3）客戶端短消息溫濕度監(jiān)測(cè)。利用GSM網(wǎng)絡(luò)將傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)以短信息的形式發(fā)送到手機(jī)客戶端［2］。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的監(jiān)控。缺點(diǎn)是手機(jī)客戶端只是接收信息，無法實(shí)現(xiàn)客戶端遠(yuǎn)程對(duì)環(huán)境溫濕度的控制，智能化程度低。以上方式均可完成溫濕度的監(jiān)測(cè)，但還存在不少缺點(diǎn)，如何能夠在降低人工成本、提高智能化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制牧場中環(huán)境的溫濕度是本文設(shè)計(jì)的目的。

本文提出了一種基于藍(lán)牙4.0BLE技術(shù)與Android客戶端的牧場溫濕度實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，應(yīng)用溫濕度傳感器采集牧場環(huán)境溫濕度，利用嵌入式系統(tǒng)對(duì)采集的溫濕度數(shù)據(jù)處理并與標(biāo)準(zhǔn)值判斷，將溫濕度值通過網(wǎng)絡(luò)在手機(jī)客戶端軟件實(shí)時(shí)顯示。手機(jī)客戶端同時(shí)也可以發(fā)出控制環(huán)境溫濕度設(shè)備的命令，通過網(wǎng)絡(luò)將命令傳輸給對(duì)應(yīng)設(shè)備。該系統(tǒng)功耗低，可方便快捷地實(shí)現(xiàn)24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，智能化程度高，并大量減少人力成本的支出。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)主要由溫濕度監(jiān)測(cè)終端與手機(jī)客戶端組成。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主體是溫濕度傳感器，加熱降溫設(shè)備和加濕干燥設(shè)備。將這些主體設(shè)備固定在每個(gè)需要監(jiān)測(cè)與控制的牧場中。

綜合考慮傳輸信號(hào)抗干擾性與低功耗，這里采用BLE實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。低功耗和抗干擾性強(qiáng)是BLE最大的特點(diǎn)。監(jiān)測(cè)控制終端采用ARM－M0平臺(tái)，終端不斷讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，獲取實(shí)時(shí)的溫濕度信息，并根據(jù)事先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值范圍，判斷牧場溫濕度值是否超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。如果溫濕度超出設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍，自動(dòng)控制加熱降溫與加濕干燥設(shè)備的運(yùn)行對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。溫濕度傳感器獲得的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，然后再通過以太網(wǎng)將信息傳輸?shù)椒?wù)器端，供手機(jī)客戶端訪問，使用戶能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制牧場溫濕度。同時(shí)，用戶還可以通過手機(jī)客戶端直接控制加熱降溫以及加濕干燥設(shè)備的運(yùn)行與關(guān)閉，修改設(shè)定的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)范圍，達(dá)到真正的智能化遠(yuǎn)程控制。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由4大部分組成，分別為監(jiān)測(cè)與控制模塊、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)模塊、服務(wù)器模塊和客戶端模塊［3］。監(jiān)測(cè)與控制模塊采用nordic公司帶有BLE模塊的nRF51822作為主控芯片。溫度傳感器采用Scnsirion公司的SHT11。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)模塊中采用Samsung公司的S5N8947作為微處理器。其中藍(lán)牙模塊采用CSR公司的CSRB5341，以太網(wǎng)模塊采用Micrel公司的KS8737芯片。服務(wù)器采用Windows server 2008操作系統(tǒng)。手機(jī)客戶端采用安卓操作系統(tǒng)，客戶端硬件需要配置藍(lán)牙4.0。硬件實(shí)現(xiàn)的原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件原理框圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分采用nordic公司的BLE芯片nRF51822作為主控芯片，其內(nèi)嵌了藍(lán)牙協(xié)議棧，可輕松實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)要求［4，5］，省去了大部分BLE電路設(shè)計(jì)。Cortex－M0處理器帶有256K flash和16 K的RAM，工作電壓為1.8 V～3.6 V。因?qū)貪穸葌鞲衅骶纫蟛桓撸捎肧cnsirion公司的SHT11，溫度測(cè)量范圍為－40℃～＋123.8℃，測(cè)量精度為±0.4℃。濕度測(cè)量范圍為0～100%RH，測(cè)量精度為±3%RH。加熱降溫分別使用加熱燈和風(fēng)扇，加濕干燥分別采用噴淋裝置和除濕器。為了使檢測(cè)控制模塊能夠與手機(jī)客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，需要通過網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙信號(hào)與互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，在檢測(cè)控制模塊與手機(jī)客戶端之間搭起一座橋梁［6－8］。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)模塊中采用Samsung公司的S5N8947作為微處理器，工作電壓為2.5 V（±0.2 V）。其中藍(lán)牙模塊采用CSR公司的CSRB5341，以太網(wǎng)模塊采用Micrel公司的KS8737芯片。存儲(chǔ)器包括一片32MByte的Nand Flash和兩片32MByte的SDRAM。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為三部分，溫濕度檢測(cè)模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和客戶端模塊。如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制是本文的關(guān)鍵技術(shù)之一。即客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，控制模塊快速響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求，提供相應(yīng)的查詢或控制服務(wù)。軟件工作流程如圖2所示。

圖2 軟件工作流程圖

3.1 溫濕度檢測(cè)模塊

SHT11雖然使用的是數(shù)字接口，但是并非是I2C接口，所以需要I／O口模擬命令和數(shù)據(jù)接收的時(shí)序。程序初始化時(shí)，通過一組時(shí)序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟缓蟀l(fā)送測(cè)試指令，最后控制權(quán)回到SHT11。

SHT11測(cè)量溫濕度的時(shí)間根據(jù)測(cè)量的精度而定，溫度測(cè)量部分最高精度為14 bit，濕度最高測(cè)量精度為12 bit。因此，主控芯片最少需要在此時(shí)間基礎(chǔ)讀取一次測(cè)量數(shù)據(jù)。開始測(cè)量后，SHT11傳輸2 byte的測(cè)量數(shù)據(jù)和1 byte的CRC奇偶校驗(yàn)。主控芯片通過下拉DATA為低電平確認(rèn)測(cè)量數(shù)據(jù)，最后通過CRC校驗(yàn)位終止通信。主控芯片讀取到數(shù)據(jù)后完成非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。

考慮到環(huán)境溫濕度變換速度緩慢，在本系統(tǒng)中，設(shè)置每隔15 min SHT11讀取一次環(huán)境溫濕度值。由于能隙材料具有極好的線性，溫度轉(zhuǎn)換公式［9］Temperature＝－40＋0.01SOT，其中SOT為溫度測(cè)量值。濕度轉(zhuǎn)換公式 RH＝－4＋0.0405SORH－2.8×10－6SORH，其中SORH為濕度測(cè)量值。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

藍(lán)牙主從節(jié)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)建立在藍(lán)牙協(xié)議棧基礎(chǔ)之上［10］。藍(lán)牙協(xié)議棧提供了豐富的接口函數(shù)，如通用屬性接口函數(shù)（GATT）、通用訪問接口協(xié)議函數(shù)（GAP）等。本文使用nordic公司推出的低功耗藍(lán)牙芯片nRF51822作為主控芯片，軟件上采用S110 nRF51822 SoftDevice低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧及2.4 GHz協(xié)議堆棧（包括Gazell）進(jìn)行主從節(jié)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)。

主從節(jié)點(diǎn)間的通信是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起的。主節(jié)點(diǎn)發(fā)起鏈接的過程中，動(dòng)作有：設(shè)備查詢、鏈路建立、加密匹配。從節(jié)點(diǎn)上電后便處于廣播模式，監(jiān)聽主設(shè)備的鏈接請(qǐng)求。主從節(jié)點(diǎn)鏈路確定是由通用訪問接口協(xié)議函數(shù)負(fù)責(zé)完成的。通用訪問接口協(xié)議函數(shù)主要使用藍(lán)牙初始化、設(shè)備掃描函數(shù)、鏈路建立函數(shù)、終止鏈路函數(shù)等。

在數(shù)據(jù)交換方面，藍(lán)牙主從機(jī)是基于通用屬性接口函數(shù)的。從該層面上考慮，可以將主從機(jī)分別視為客戶端和服務(wù)器端。客戶端對(duì)服務(wù)器端進(jìn)行讀寫操作。服務(wù)器端響應(yīng)客戶端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。在S110協(xié)議棧中，通用屬性接口函數(shù)層定義了許多屬性，用于訪問客戶端與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求和數(shù)據(jù)交換。主要有查詢標(biāo)示符（UUID）、讀寫屬性值函數(shù)、讀寫屬性描述等。

在主從機(jī)軟件設(shè)計(jì)方面，從節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括藍(lán)牙設(shè)備的初始化配置、消息的處理等。藍(lán)牙設(shè)備的初始化包括硬件驅(qū)動(dòng)初始化、存儲(chǔ)器初始化。需要調(diào)用藍(lán)牙協(xié)議棧API函數(shù)，進(jìn)行從設(shè)備模式配置、參數(shù)配置、注冊(cè)用戶屬性表等操作。初始化完后，進(jìn)入廣播模式，等待鏈接請(qǐng)求。主節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括藍(lán)牙設(shè)備初始化、主模式配置、循環(huán)消息處理等。主設(shè)備不斷查詢從設(shè)備，一旦發(fā)現(xiàn)便建立鏈接，實(shí)現(xiàn)與從設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸。主從機(jī)通信流程如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙主從機(jī)通信流程圖

3.3 客戶端模塊

手機(jī)客戶端包含溫濕度信息的顯示與控制的目錄，歷史溫濕度曲線繪制功能［11］。界面如圖4所示。

圖4 Android客戶端界面

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

試驗(yàn)中使用1組監(jiān)測(cè)控制模塊，將它們固定安裝在房間的中央，距離地面高度約為2.5 m。調(diào)節(jié)模塊初始的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)范圍：溫度范圍調(diào)節(jié)為16.0℃～18.0℃，濕度范圍調(diào)節(jié)為65%～70%。通過Android客戶端遠(yuǎn)程接收設(shè)備檢測(cè)的溫濕度數(shù)據(jù)。

圖5 房間24 h溫度變化曲線圖

圖6 房間24 h濕度變化曲線圖

圖5為房間24 h溫度變化曲線圖。測(cè)試時(shí)間為10月份，當(dāng)天最高溫度為21.3℃，最低溫度13.5℃，由圖可以看出，溫度變化成功控制在16.0℃～18.0℃，在0時(shí)至6時(shí)和19時(shí)至21時(shí)，環(huán)境溫度低于16.0℃，測(cè)試房間溫度均為16.0℃左右。在11時(shí)至14時(shí)，環(huán)境溫度高于21.0℃，測(cè)試房間溫度均為20.0℃左右。溫度自動(dòng)控制較為準(zhǔn)確。圖6為房間24 h房間濕度曲線圖。10月份，上海多為晴天，空氣相對(duì)干燥，空氣濕度低于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的65%，通過系統(tǒng)的自動(dòng)控制后，房間濕度保持在65%附近。

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)各硬件模塊工作正常，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍自動(dòng)控制房間溫濕度和手動(dòng)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)溫濕度范圍準(zhǔn)確度高，表明該系統(tǒng)滿足遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制的要求。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于藍(lán)牙4.0BLE的智能牧場遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)牧場環(huán)境溫濕度值并根據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，Android客戶端可以進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制環(huán)境溫濕度的調(diào)節(jié)。由于硬件平臺(tái)處理速度與傳感器相應(yīng)速度的限制，客戶端顯示的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性一般，存在一定誤差，準(zhǔn)確度不高，但是系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)控溫濕度及時(shí)。下一步的工作是進(jìn)一步改善硬件平臺(tái)，增加監(jiān)控模塊，優(yōu)化軟件，使之更加智能化，實(shí)用化。

［1］ 劉繼忠，邱于兵，黃 翔.基于ARM的遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012，（8）：90－92.

［2］ 張 磷，陶 琳，袁江南.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及實(shí)現(xiàn) ［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（6）：93－96.

［3］ 汪 剛，張福斌，陳宇航，等.一種遠(yuǎn)程智能家電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械與電子，2010，（11）：51－53.

［4］ Wang A，Huang Y T，Lee C T，etal.EcoBT：Miniature，versatile mote platform based on Bluetooth Low Energy Technology［C］.Proceedings of the IEEE International Conference on Green Computing and Communications，Taipei，Taiwan，2014.

［5］ 歐陽俊，陳子龍，黃寧淋.藍(lán)牙4.0BLE開發(fā)完全手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［6］ 王雅志，王紹源.基于藍(lán)牙的家居網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，（3）：711－714.

［7］ 馮棟棟.嵌入式藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：江蘇大學(xué)，2007.

［8］ 孫 睿，付志紅.基于嵌入式Linux的藍(lán)牙以太網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006，26（12Z）：27－29.

［9］ 王武禮，楊 華.基于SHT11的糧倉溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器.2010，（9）：50－51.

［10］徐加偉.基于低功耗藍(lán)牙無線通信技術(shù)的交通數(shù)據(jù)檢測(cè)發(fā)放研究［D］.沈陽：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

［11］Meier R，佘建偉，趙 凱.Android 4高級(jí)編程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.