基于移動互聯的遠程溫室監控終端系統研究

毛 林， 王永紅， 劉雪蘭， 程 濤， 周 鵬， 沈茂梅

(江蘇農牧科技職業學院，江蘇泰州 225300)

農業物聯網綜合運用無線通信、無線射頻識別(radio frequency identification，簡稱RFID)、微電子、嵌入式、分布式系統等技術，通過電子、無線傳感等設備，按約定通信協議將物與物相連接進行信息互聯互通、交換和共享，突破了農業生產、經營、管理受制于環境、地理、氣候等因素的不利影響和限制，使傳統農業快速向現代設施農業方式轉變。溫室(群)環境監控系統是基于物聯網的設施農業自動化管理系統，在智慧農業發展中扮演著重要角色，可以對溫室(群)、連棟溫室生產環境進行精準識別、定位、感知、監測、控制等，提升農業生產信息化、自動化、智能化管理水平，實現管理效能和經濟效益最大化目標。

溫室(群)監控物聯網系統能夠支持以網站、Web瀏覽器、視頻等客戶端訪問方式提供近距離或遠程監測與控制管理。隨著3G/4G通信技術與裝備的快速發展與應用，運用移動互聯技術構建面向智能終端應用的遠程監控系統，可隨時隨地為用戶提供方便快捷的服務。本研究結合江蘇農牧科技職業學院園藝溫室(群)物聯網平臺——JYP平臺，進行移動終端業務流程分析及功能設計，重點研究服務數據交換、數據轉換、客戶端通信、數據解析等關鍵技術及實現方法，提出基于Android的遠程溫室監控智能終端解決方案，以期提升現代設施農業自動化、智能化管理水平、效率、服務質量等，具有示范效應和現實意義。

1 JYP平臺及工作原理

JYP平臺分本地系統(下位機)、遠程系統(上位機)、中間網絡，由底層硬件系統、無線傳感網絡(wireless sensor networks，簡稱WSN)、網關、遠程服務器、遠程客戶端、監控屏幕等構成(圖1)。底層(感知層)無線傳感網絡是平臺環境數據的主要來源，采用層次分簇異構增強型結構[1-2]，縱向與橫向上具有良好的伸縮性、可擴展性，適應感知對象、監測范圍、覆蓋密度、感知數據、通信距離等變化要求，滿足大規模復雜形態的服務質量需求[3]。JYP平臺包括數據采集、遠程監測、歷史數據查看、遠程控制、視頻監控、緊急報警等功能模塊，采用基于Java2平臺企業版(Java 2 platform enterprise edition，簡稱J2EE)的SSI(Struts 2.0+Spring 2.0+iBatis)開源框架部署、整合應用程序，實現總體業務聯動。JYP平臺業務流程包括數據采集與處理、遠程傳輸、統計分析、實時瀏覽、報警、視頻監控等(圖2)。通過平臺業務流程，完成現場實時環境數據的采集、轉換、壓縮、融合處理和遠程傳輸[2]，提供數據持久化存儲、統計分析處理。用戶可隨時隨地登錄平臺進行環境監控，瀏覽現場溫度、濕度、光照度、CO2濃度等變化，查看歷史數據、監測報警、瀏覽監控視頻，實現遠程控制。

2 系統設計

2.1 系統架構

智能終端系統架構為基于客戶端/服務端的3層結構：Android客戶端、服務端、3G/4G移動網絡(通信鏈路層)(圖3)。客戶端系統部署在智能終端設備(如智能手機、平板電腦、掌上電腦等)，提供無線通信接口、數據解析等中間層業務組件，為用戶查詢、控制等應用服務所調用。底層操作系統(Android系統)、硬件、移動網絡、軟件工具作為應用服務的支撐平臺。移動終端存儲空間和計算資源有限，本地數據存儲、處理要求不高時，可滿足輕量級應用需求，保證客戶端系統基本性能要求[4]。

服務端構建于JYP平臺服務器，平臺服務器搭建云計算平臺，包括基礎設施即服務(infrastructure as a service，簡稱IaaS)、平臺即服務(platform as a service，簡稱PaaS)、軟件即服務(software as a service，簡稱SaaS)等3層，提供多操作系統、虛擬化硬軟件資源，統一調度管理資源使用，承擔海量數據存儲、計算、復雜業務處理，快速提供用戶所需服務[5]。在JYP平臺開發服務端數據交換接口、數據轉換處理等業務組件，滿足客戶端數據訪問需求。

2.2 業務流程

平臺服務器為智能終端客戶端提供遠程訪問、查詢環境數據。客戶端登錄后進入軟件操作界面，發送監測、查詢、控制遠程訪問請求時，經互聯網服務提供商(internet service provider，簡稱ISP)移動通信網絡提交至服務器，首先訪問服務端接口，測試與平臺服務端建立連接。連接成功后，服務端與客戶端建立會話(Session)，服務端生成客戶端唯一的專屬標志(SessionID)，保存客戶端標志，在會話期間識別客戶端。服務端交換接口接受訪問請求信息，調用相關業務組件查詢數據庫，獲取所需信息內容，轉換為預定交換格式數據后返回給服務端接口，連同客戶端SessionID一并發送至客戶端。客戶端驗證來自服務端的SessionID后，接受數據并解析數據，通過操作系統將最終結果展示到客戶端用戶頁面[4]。系統的業務流程如圖4所示。

2.3 開發工具

Android為Google發布的主流開源智能終端操作系統，是基于Linux的開放式嵌入式系統。Android智能終端(如智能手機、平板電腦、掌上電腦等)使用廣，占據目前國內用戶市場80%以上的份額。因其版本更新快、功能強大、開發效率高等特點，深受業界歡迎。Android系統包括活動(activity)、服務(service)、組播接收器(broadcast receiver)、移動數據內容提供商(content provider)等4個組件，內置控件箱擁有豐富、美觀的用戶控件，支持輕量級數據庫SQLite數據存取，提供多媒體、網絡接口通信、全球定位功能和通用工具類服務[6]。

本研究的設計選用Google官方開源集成開發環境工具Android Studio開發客戶端系統。Android Studio集成了Android所有軟件開發工具包(包括ADT、第三方開源庫等)，開發環境更易于搭建，與Eclipse相比，僅須配置少數額外插件，功能、效率、便捷性較高[6]。服務端基于J2EE架構的視圖-模型-控制器(model-view-controller，簡稱MVC)設計模式[5]，部署SSI輕量級開源框架[7]，使之與JYP平臺相一致。Struts框架使Web服務交換層與控制層相互分離，iBatis充當數據訪問(data access object，簡稱DAO)層數據庫訪問組件，Spring框架組裝和管理全局應用程序，實現數據交換接口與數據庫的交互。SSI自適應、可擴展的半成品框架特性，使服務端應用開發與維護更加快捷、便利、高效。

3 系統實現

3.1 服務端實現

服務端部署于JYP平臺服務器，服務端應用程序工作區src的com.jyp.mobile包括以下分層(圖5)：Web服務交換(webservice)層、控制(action)層、業務(biz)層、數據訪問(dao)層、持久化(PO)層，各層僅含1個組件(組件內定義并實現業務方法)，避免組件過多引起服務端資源開銷過大問題，利用SSI框架簡化應用程序組裝，以即插即用的方式管理全局應用程序，降低軟件模塊耦合度，減少系統開銷、提高運行效率。

3.1.1 數據交換 Web服務接口實現服務端、客戶端之間的交互和數據交換。Web服務運用SOAP、WSDD、XML、UDDI在服務端應用程序上對外共享開放式網絡服務，提供客戶端遠程訪問服務端功能，運用消息或請求服務發現處理機制，接收網絡請求、做出響應[4]。互聯網應用中，超文本傳輸協議(hypertext transfer protocol，簡稱HTTP)是網絡通信的普適標準[8]，提供了Webservice交換接口規則描述，被網絡信息系統廣泛用于Internet網絡資源定位與交換服務。

基于Webservice及HTTP規則開發服務交換接口，開發過程：(1)設置Web服務交換地址，JYP平臺服務端應用程序包括6個服務接口，即用戶登錄(http：//localhost：8080/jmob/jmob_login.action)、實時監測(http：//localhost：8080/jmob/jmob_monitor.action)、遠程控制(http：//localhost：8080/jmob/jmob_control.action)、緊急報警(http：//localhost：8080/jmob/jmob_alarm.action)、歷史查詢(http：//localhost：8080/jmob/jmob_statistics.action)、基礎設置(http：//localhost：8080/jmob/jmob_setting.action)，按順序從1開始編號，分別與客戶端通信接口地址統一資源定位符(uniform resource locator，簡稱URL)對應。(2)設置接口交換規則。根據HTTP協議為交換接口定義交換規則，包括請求參數、HTTP請求方法、消息類型及處理方式、返回值等。這里以登錄請求接口為例描述接口規則(表1)，其他接口除請求參數種類、個數、功能不同外，其他規則類同。(3)配置和發布Web服務。在JYP平臺項目WebRoot/WEB-INF目錄deploy.wsdd文件中配置(配置代碼見圖6)，指示對外共享的Web服務類MobService；配置完成后，使用Apache axis2發布工具AdminClient發布Web服務，在服務端IE瀏覽器地址欄中輸入http：//localhost：8080/AxisWebService/servlet/AxisServlet進行測試，顯示發布成功信息。

交換接口通過業務組件與底層數據庫交互，服務端數據交換過程：(1)Spring容器監聽來自客戶端的通信請求，獲取請求訪問的服務端接口，傳遞給交換層組件MobileWebService；(2)struts.xml中配置MobileWebService調用action層組件mobileAction業務方法，如登錄(login)、監測(monitor)、歷史查詢(statistics)、控制(control)等，將請求參數打包成持久化對象PO或HashMap對象；(3)Spring框架定義action層、biz層、dao層組件調用，通過applicationContext.xml配置依賴注入(dependency injection，簡稱DI)和反轉控制(inversion of control，簡稱IoC)實現；mobileDao.ibatis.xml(ibatis框架)中注冊sqlMap標簽訪問數據庫，執行指定的結構化查詢語言(structured query language，簡稱SQL)查詢操作。

3.1.2 數據轉換 網絡上傳輸數據一般是XML、JSON數據格式的數據。數據交換接口接受客戶端HTTP請求做出響應，調用各層業務組件查詢數據庫，若讀取到了數據，則返回結果。包括3種類型數據：HashMap、持久化對象Vo、ArrayList(存儲持久化對象PO的順序列表)。服務端交換接口不能將這種數據直接通過網絡發送到客戶端，而須要預先進行數據轉換處理。JSON為輕量級交換格式數據，有效壓縮了數據容量，網絡寬帶占用小、傳輸效率高，可快速送達客戶端。與XML、PULL、SAX等解析方法相比，JSON數據大大降低或消除了Android解析的復雜性，客戶端讀取、解析簡單方便[9]。

表1 Web服務交換接口規則

本研究的設計是在action層的mobileAction組件中完成數據格式轉換的。服務端數據轉換過程：(1)在mobileAction中定義轉換方法parseDataToJson(data)，data為來自數據庫返回的數據，data包括HashMap、持久化對象Vo、ArrayList等3種類型。(2)parseDataToJson中依據data類型，將data轉換成JSON格式數據，JSON數據通過JSONObject或JSONArray實例對象來存儲(圖7)。(3)當data為HashMap或Vo時，以JSONObject保存JSON。HashMap使用get(key)取得鍵值對key-value(鍵值對可包括多個，key唯一)，Vo使用getXXX屬性方法獲得鍵值對。通過JSONObject實例的put(key，value)保存鍵值對到JSONObject中。(4)data為ArrayList時，利用get方法依次取出Vo，將Vo中的鍵值對保存到JSONObject，再使用put將JSONObject保存到JSONArray。

3.2 客戶端實現

客戶端系統包含用戶登錄、環境監測、控制、歷史查詢、報警等功能模塊。Android系統中，視圖與業務是相互分離的。客戶端包括登錄界面、主界面和若干功能界面，界面中安放Button按鈕、ListView列表、Spinner下拉框、DatePicker時間、ImageView圖片等控件，添加HelloCharts 圖表繪制工具，界面布局、控件樣式通過LinearLayout、RelativeLayout等布局方式設置，在res/layout工程目錄xml文件中進行定義和編輯。activity充當事件處理器，綁定視圖界面，接收事件對象或消息，進行業務處理，將處理結果展示到視圖界面。activity通過AndroidManifest.xml注冊生效。activity事件處理程序是用戶進入界面時，首先由onCreate保存當前的activity狀態，setContentView鎖定用戶界面；當用戶操作時，監聽器onClickListener監聽事件對象，觸發onClick事件對用戶操作執行1次業務處理。activity可通過Intent對象轉向另一個activity，實現在客戶端不同界面切換，響應速度快。客戶端功能實現中，接口通信、數據解析是activity事件業務處理的關鍵。

3.2.1 通信接口 通信接口負責與遠程服務器交互，包括測試連接服務端、發送遠程請求、與服務端建立會話、接收返回結果。本研究的設計采用自定義外部公共類ClientUtility，類中定義重載方法getJSONByInterface來創建客戶端通信接口。通信接口實現步驟：(1)在getJSONByInterface中為HttpURLConnection實例對象設置請求訪問的服務端交換地址URL、提交方式(GET/POST)、時延(Timeout)、協議頭類型(Content-Type)、是否允許緩存(UseCaches)等特性，設置參數由外部Activity調用時傳入；(2)通過JSONObject將請求參數包裝成支持網絡傳輸編碼格式HTTP.UTF-8的鍵值對，存入JSONArray；(3)JSONArray轉換成String字符串，再經getBytes轉換后寫入BufferedOutputStream(緩沖字節輸出流)，追加到URL，以POST方式提交，測試連接服務端；(4)通過getResponseCode獲取服務端響應碼，判斷連接狀態，響應碼為200時表示已建立連接；(5)連接成功后，獲取服務端響應數據，包裝成BufferedReader(緩沖字符流)，讀取BufferedReader保存為字符串responseData，再使用decodeUnicode解碼成UTF-8編碼格式的JSON數據；若是初次連接，還須通過HttpURLConnection的getHeaderFields獲取服務端分配的客戶端標志，存入客戶端Cookie中。

客戶端系統涉及登錄、實時監測、歷史查詢、遠程控制等多項操作，每項操作都須執行接口通信、數據處理。用戶操作時，綁定用戶界面的Activity作為主線程，Activity內部onCreate、onClick開啟子線程來調用通信接口，通信結束后，關閉子線程、返回主線程，確保主線程暢通，增強用戶體驗。客戶端通信過程為(1)初次登錄訪問時，Activity開啟子線程調用接口方法getJSONByInterface，傳遞登錄接口地址http：//localhost：8080/jmob/jmob_login.action及登錄帳號、密碼，提交至服務端；(2)與服務端連接成功后，服務端返回響應數據，讀取狀態碼驗證通過后，保存客戶端標識編號，返回主線程；(3)用戶點擊進入其他界面進行監測、查詢、控制等操作時，開啟子線程再次調用getJSONByInterface，傳入對應服務接口地址URL、客戶端SessionID等相關參數后提交服務端，服務端返回響應結果，讀取狀態碼有效且返回值不為空時，提取響應結果，經UTF-8解碼存儲JSON數據，進行后續解析處理。

3.2.2 數據解析 從服務端響應數據中提取JSON數據，不能直接用于視圖界面。數據解析的目標是，將JSON數據轉換為加載到可視化操作界面的顯示數據，包括數字、文本、符號、圖表等。JSON數據分2種類型(圖7)，一種是鍵/值對集合對象；另一種是鍵/值對集合的有序列表。對于前者，解析時通過JSONObject的getString(key)方法一一獲取所有鍵/值對，封裝成持久化對象Vo；對于后者，解析較復雜，須同時利用JSONArray和JSONObject將JSON數據轉換為持久化對象Vo的列表ArrayList。本研究的設計使用GSON方法解析JSON數據[10]，GSON開源庫由Google提供，利用GSON解析、處理復雜類型數據時，更加簡單高效。解析過程是(1)在ClientUtility類中自定義解析方法getDataFromJSON，通信接口子線程結束后，Activity主線程啟動子線程調用該方法，并傳遞JSON數據jsonResponse；(2)getDataFromJSON分析JSON類型，通過Gson實例方法fromJson直接轉換，若為JSONObject時，轉換為Vo對象，若是JSONArray則轉換為ArrayList；(3)對Vo 或ArrayList利用get等方法進行簡單處理，可獲得數字、文本等數據，綁定到視圖控件、圖表繪制工具上，呈現結果界面。完整代碼如圖8所示。

4 應用實例

本研究實例中，根據JYP平臺實際數據為樣本，測試智能手機客戶端系統，用戶登錄后進入功能主界面。通過實時監測模塊可查看各溫室的實時環境監測值，展示動態數值變化曲線，可通過手動方式滾動查看；選擇遠程控制模塊時，可根據當前環境狀態開啟/關閉執行機，調節溫度、濕度、光照度、CO2濃度等參數至合理區間；通過歷史查詢模塊可顯示某段時間內環境監測最高值、最低值、平均值等信息；進入緊急報警模塊后，通過開啟/關閉按鈕，可對監控溫室報警地點啟動或關閉報警；基礎設置模塊可設置溫度、濕度、光照度、CO2濃度等參數的上下限閾值(圖9)。通過系統測試，能夠達到智能手機遠程監控管理的目標。

5 結語

以溫室(群)遠程監控智能終端為研究對象，結合園藝溫室物聯網平臺JYP架構及業務，采用Android、SSI框架、Web服務、HTTP等技術，設計開發智能終端服務端與客戶端系統。重點研究服務接口交換、數據轉換、客戶端接口通信與數據解析技術方法，提出了面向Android的遠程溫室監控智能終端解決方案。通過系統測試，智能手機以快捷、便利方式，獲得來自現場環境感知數據，監控實時環境變化情況、查詢歷史數據，獲取報警信息、進行遠程控制，實現溫室自動化管理。該方案將移動互聯與農業物聯網應用相融合，提高了設施農業智能化、自動化管理服務效能。