一種陽臺農業智能控制組的設計

解 朦，李明輝，徐 偉

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一種陽臺農業智能控制組的設計

解 朦，李明輝，徐 偉

(黑龍江農業工程職業學院，黑龍江哈爾濱 150088)

本文設計了一種用于陽臺農業的智能控制組，包括嵌入式網關控制端和移動控制端。嵌入式網關采用S3C2416芯片搭載WinCE操作系統，該系統能夠充分發揮ARM9芯片的數據處理能力，性能高、運行穩定；移動控制端則是基于Android操作系統開發的APP，該系統開源、系統精簡且用戶量大，具有較強的應用價值。本控制組的設計不僅實現了陽臺農業的無線遠程控制功能，而且提高了陽臺農業的精細化程度。

陽臺農業；物聯網；S3C2416；WinCE；Android

0 引言

隨著我國城市化腳步的不斷推進，食品安全成為了當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。陽臺農業就是利用城市內有效的空間，以高科技手段種植農產品的新型農業形式。由于陽臺農業具有操作簡單、環境友好、頤養身心等優點，正在被更多的市民所接受。

物聯網是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業第三次浪潮。[1]近年來，隨著智能農業、精準農業的發展，智能感知芯片、移動嵌入式系統等物聯網技術在現代農業中的應用也在逐步拓寬。[2]針對城市居民不斷增長的需求，發展基于物聯網技術的陽臺農業具有很重要的意義。

1 物聯網陽臺農業概述

1.1 陽臺農業

陽臺農業從字面上理解就是在陽臺上高農業生產，但其實質是在城市建筑物的內部和外部進行的農業生產活動。美國陽臺農業開發面積占屋頂面積30%，生產的農產品產值占美國農產品產值的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]。

我國的陽臺農業技術較之發達國家還是起步較晚，不夠成熟，大部分居民利用陽臺種植依然局限于傳統單一的有土種植形式，作物的產量和質量始終不能令人滿意。本文提出了物聯網+陽臺農業的模式。該模式利用物聯網技對術農業生產的各要素實行數字化設計、智能化控制、精準化運行和科學化管理，從而實現對各項作物生長參數的“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 設計概述

本文設計的陽臺農業模型如圖1所示。

圖1 陽臺農業模型

該系統是結合了物聯網技術的智慧農業系統，系統工作過程如下：首先由采集模塊（傳感器）收集作物生長的環境信息（溫度、濕度、CO2濃度等）并將數據傳遞給嵌入式網關（現場控制模塊）和用戶終端（手機），用戶可以在這兩個設備上實時查看各項參數，并且可以通過繼電器控制執行模塊（空調、加濕器、CO2發生器等）進行有效的環境調節，以此為作物的生長創造最有利的環境條件。

針對物聯網+陽臺農業系統的網關設計需要完成兩部分的工作：1. 現場控制模塊，即嵌入式網關的設計和制作；2. 遠程控制模塊，即用戶手機終端的軟件開發。

2 硬件設計

由于本設計中用戶終端是Android系統手機，所以硬件部分工作即嵌入式網關和控制模塊及外圍電路的設計制作。

2.1 嵌入式網關硬件設計

網關的硬件框圖如圖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的基于ARM926EJ內核的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機同步通信和聯調應用程序；三路USB Host接口，用于支持鍵鼠、U盤等設備。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以太網控制器

由于系統選用的微處理器本身沒有以太網接口，所以本設計中選用了DM9000 E以太網控制芯片與處理器相連接，構成一路100 M的以太網絡接口，并通過無線路由器實現與手持終端的通信。[7]

2.2 網關外圍硬件設計

本研究中網關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，用于給交流設備供電；12 V高頻開關電源，用以獲得12 V直流電；混合I/O數據采集模塊，用于將芯片輸出的數字量轉換成模擬電壓；中間繼電器，用于控制220 V用電器的電源通/斷；接線端子，用于接入傳感器發送的數字信號；無線路由器，用于和用戶終端的通信。

3 軟件設計

3.1 嵌入式網關軟件設計

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

本設計采用Platform Builder工具進行操作系統的定制，用以支持OAL層、Boot Loader和驅動程序的開發。Boot Loader以U-boot為基礎進行修改，驅動程序方面主要是對采集模塊所需的具體傳感器進行驅動程序開發，詳細代碼不再贅述。

應用程序開發部分主要包含采集單元、網絡單元、控制單元、歷史數據查詢、終端參數設置、系統運行監控和圖形界面7個部分組成。其結構如圖3所示。

圖3 陽臺農業網關軟件設計

其中采集單元主要是傳感器端的A/D轉換；網絡單元采用TCP/IP協議，一方面實現傳感器單片機向上位機的數據發送，另一方面實現網關與手持終端的數據互通；控制單元主要是根據PID算法，用C語言編寫的控制子程序；歷史數據查詢是將測量到的數據寫入SDRAM中，當寫入的數據達到Flash一頁的大小時，再將數據寫入Flash；終端參數設置是系統提供給用戶的設置功能模塊，主要功能是網絡參數設置和修改；系統運行監控是系統提供給維護人員的接口，可用于監測整個系統的運行狀態；圖形界面使用GWES軟件實現。

3.2 移動端軟件設計

本設計選用Android系統作為移動端的APP平臺，使用Java開發，選用MyEclipse工具進行應用層軟件開發，該工具具有開放性好、開發效率高等優點[8]。

本文設計的APP包含兩個功能模塊：環境監測和遠程控制，如圖4所示。

其中，環境監測模塊可以顯示出現場傳感器通過網絡傳遞來的空氣、土壤相關參數，并進行存儲；遠程控制模塊則可以通過按鍵控制的形式，遠程控制執行器（加濕器等）的動作，并且提供IP地址、TCP端口等網絡參數的設置和修改功能。[9]

本文設計的軟件以遠程監測和控制為目的，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，網絡模塊將采集器收集到的數據傳遞給主程序

·用戶可以通過監測界面顯示環境參數（溫度、濕度等）；

·用戶可以通過控制界面向執行器下達指令（ON/OFF）；

·用戶可以在監測和控制界面間相互切換，實時觀測和控制。

4 系統測試

本設計著重在于嵌入式網關和用戶端的設計，所以數據采集和環境控制僅針對實驗室環境，配備了實驗級傳感器和民用級電器，實驗設備和測試結果如圖6所示。

(a) 網關外圍硬件 (b) 手機監測界面 (c) 手機控制界面 (d) 監測模塊 (e) 控制模塊

經過測試，系統中硬件和軟件均運轉正常，功能方面可以達到設計預期，可以較好地反映環境參數，并能夠對相關執行模塊進行有效的控制。[10]

5 總結

本文設計了一種應用于陽臺農業系統的控制組，包含嵌入式網關和移動終端兩部分，其中第一部分采用了S3C2416+WinCE的組合，搭建了能夠實時采集作物生長環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展到了移動端，更加方便了用戶的使用。本設計對促進陽臺農業的推廣具有促進意義。

[1] 王占松, 田凌. 基于功能的三維模型檢索系統[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 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]. 計算機科學與探索, 2010, (03): 231-239.

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

[4] 郭迪. 我國陽臺農業概況及發展前景[J]. 浙江農業科學. 2013(3): 239-241.

[5] 文黎明, 龍亞蘭. 物聯網在農業上的應用[J]. 現代農業科技, 2010(15): 54-54.

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

[7] 于浩, 宿浩, 楊雪, 田春鵬, 唐功友. 基于引導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技術的研究與實現[J]. 軟件, 2013(1): 64-68.

[9] 李菁. 高校實驗室綜合管理系統的設計與實現[D]. 東南大學, 2016.

[10] 武永強. 基于人因工程學的雙橢圓機設計方法研究[D]. 武漢理工大學, 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. 一種陽臺農業智能控制組的設計[J]. 軟件，2017，38（4）：150-153