基于Android手機(jī)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與補(bǔ)光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

杜彥芳　李鳳菊　王建春　李揚(yáng)　張雪飛　徐義鑫

摘要：為實(shí)現(xiàn)冬春茬溫室作物的自動(dòng)、智能補(bǔ)光，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了一套基于Android手機(jī)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與補(bǔ)光控制系統(tǒng)，用戶通過(guò)手機(jī)APP不僅能夠?qū)崟r(shí)獲取溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，還能夠遠(yuǎn)程控制補(bǔ)光燈的開(kāi)啟、關(guān)閉。并以“京藏香”草莓為試材，通過(guò)4個(gè)試驗(yàn)重復(fù)對(duì)比了應(yīng)用該系統(tǒng)補(bǔ)光對(duì)冬春茬溫室草莓的影響。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸、展示和分析以及補(bǔ)光燈的手動(dòng)和自動(dòng)控制，具有性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、使用方便、節(jié)省人力等特點(diǎn)，而且應(yīng)用該系統(tǒng)補(bǔ)光可促進(jìn)草莓增產(chǎn)和早上市，提高收益。

關(guān)鍵詞：溫室環(huán)境監(jiān)測(cè);補(bǔ)光控制;Android;Zigbee;傳感器;ARM

中圖分類號(hào)：S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2019）10-0152-06

Design， Implementation and Application of Greenhouse Environment

Monitoring and Light Supplement Control System Based on Android Mobile Phone

Du Yanfang， Li Fengju， Wang Jianchun， Li Yang， Zhang Xuefei， Xu Yixin

（Institute of Information， Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300192， China）

Abstract In order to realize automatic and intelligent light supplement for winter and spring greenhouse crops， a greenhouse environment monitoring and light supplement control system based on Android mobile phone was designed and developed. Users could not only acquire real-time environmental data in greenhouse through mobile APP， but also control the opening and closing of supplementary lights remotely. Taking Jingzangxiang strawberry as test material， the effects of light supplementation and control on strawberry in winter and spring greenhouse were compared through four repetitions. The results showed that the system could effectively complete data acquisition， transmission， display and analysis， as well as manual and automatic control of supplementary lights. It had the characteristics of stable performance， good real-time performance， convenient use and saving manpower. At the same time， the experimental data also showed that the application of this system to supplement light could promote strawberry production and early in the market.

Keywords Greenhouse environment monitoring; Light supplement control; Android; Zigbee; Sensor; ARM

太陽(yáng)光照條件的好壞直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，然而，自然界中太陽(yáng)的光照度隨地理緯度、季節(jié)和天氣狀況的不同而變化。溫室由于受覆蓋材料、灰塵以及結(jié)構(gòu)遮光等因素的影響，室內(nèi)光照狀況更差，一般僅為露地的30%～70%。尤其是在我國(guó)北方地區(qū)，冬春季節(jié)光照時(shí)間短、強(qiáng)度弱，常常不能滿足溫室作物正常生長(zhǎng)對(duì)光照的需求，如果再遇到連續(xù)陰天、雨天、雪天或霧天，就會(huì)造成溫室作物嚴(yán)重光照不足，對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育更為不利，可導(dǎo)致苗情差、病害多、果實(shí)發(fā)育緩慢、減產(chǎn)甚至絕收，嚴(yán)重影響農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)收益。因此，增加溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度是提高作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的必要措施[1，2]。

通過(guò)人工補(bǔ)光的方式來(lái)延長(zhǎng)光照時(shí)間，可以加快作物的生長(zhǎng)速度，增強(qiáng)光合作用，提高產(chǎn)量，最大限度地克服溫室弱光寡照的障礙。但是，如果不考慮外界光照條件、環(huán)境溫度等因素的變化以及作物不同生長(zhǎng)階段需光量的差異性，很容易造成補(bǔ)光不足或過(guò)度。補(bǔ)光過(guò)度不僅對(duì)作物生長(zhǎng)沒(méi)有好處，還會(huì)帶來(lái)額外的開(kāi)銷;補(bǔ)光不足又起不到應(yīng)有的作用，所以要多方面考慮，以期實(shí)現(xiàn)作物的精準(zhǔn)補(bǔ)光[3]。

以單片機(jī)為核心的控制模塊加上電源模塊、人機(jī)交互模塊、檢測(cè)模塊和補(bǔ)光模塊等，可以根據(jù)光照的實(shí)時(shí)變化，依據(jù)一定的規(guī)則實(shí)現(xiàn)溫室的自動(dòng)補(bǔ)光[4，5]，但存在操作環(huán)境差、操作不方便、出現(xiàn)問(wèn)題不能及時(shí)報(bào)警、存儲(chǔ)容量小不利于歷史數(shù)據(jù)分析等問(wèn)題。ZigBee、GSM、GPRS等技術(shù)的發(fā)展，雖說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)短信、彩信報(bào)警和遠(yuǎn)程控制，但依然無(wú)法解決操作不方便、存儲(chǔ)容量小等問(wèn)題[6，7]。現(xiàn)如今，網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越發(fā)達(dá)，智能手機(jī)越來(lái)越普及，如何利用服務(wù)器海量的存儲(chǔ)與強(qiáng)大的分析功能以及手機(jī)的便攜性和實(shí)時(shí)性來(lái)實(shí)現(xiàn)溫室補(bǔ)光的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，使農(nóng)戶可以隨時(shí)隨地了解溫室的狀態(tài)，必然會(huì)成為未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)和方向[8-10]。基于此，建立一套基于Android手機(jī)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與補(bǔ)光控制系統(tǒng)具有重要的意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[11-15]，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析和顯示，進(jìn)而根據(jù)溫室實(shí)時(shí)環(huán)境信息來(lái)控制補(bǔ)光燈的開(kāi)啟關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)時(shí)性、便捷性要求，提高溫室管理的高效性、智能化和信息化水平。該系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要分為環(huán)境信息采集模塊、補(bǔ)光燈控制模塊、ARM智能決策模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、遠(yuǎn)程服務(wù)器模塊和Android手機(jī)端模塊。

系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎昧藷o(wú)線局域網(wǎng)Zigbee與無(wú)線廣域網(wǎng)GPRS的多種網(wǎng)絡(luò)融合方式，其大致工作流程是：環(huán)境信息采集模塊通過(guò)Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)獲取各類傳感器采集的溫室小氣候環(huán)境信息。ARM智能決策模塊接收到來(lái)自環(huán)境信息采集模塊的數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，之后通過(guò)GPRS技術(shù)將其存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中[16，17]。遠(yuǎn)程服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù)，溫室管理人員只需通過(guò)手機(jī)App連接遠(yuǎn)程服務(wù)器就可以準(zhǔn)確及時(shí)地觀測(cè)到遠(yuǎn)程嵌入式終端設(shè)備采集到的當(dāng)前各類環(huán)境因子數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括溫室的光照、空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，并以圖表的方式直觀展出。若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，手機(jī)還可以自動(dòng)告警，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理。溫室管理人員可以通過(guò)手機(jī)App查詢溫室的歷史環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合農(nóng)作物生長(zhǎng)情況以及溫室補(bǔ)光等操作信息，分析總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，找出不足，為今后的種植和研究提供幫助。

溫室管理人員可以通過(guò)手機(jī)App進(jìn)行智能補(bǔ)光設(shè)定，通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器將其保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。ARM智能決策模塊從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取該補(bǔ)光設(shè)定，結(jié)合溫室的實(shí)時(shí)環(huán)境信息，當(dāng)滿足補(bǔ)光條件時(shí)自動(dòng)控制補(bǔ)光燈開(kāi)啟補(bǔ)光，補(bǔ)光過(guò)程中不滿足條件時(shí)則自動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)光燈結(jié)束補(bǔ)光。另外，也可以根據(jù)需要，手動(dòng)控制補(bǔ)光燈的開(kāi)啟和關(guān)閉。

2 系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 環(huán)境信息采集模塊

環(huán)境信息采集模塊主要負(fù)責(zé)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，由Zigbee功能擴(kuò)展板、傳感器、無(wú)線收發(fā)模塊、電源管理模塊等硬件組成，如圖2所示。由于溫室不同部位的環(huán)境信息有所差異，為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，避免用局部數(shù)據(jù)代表整個(gè)溫室的情況，可以在溫室中安裝多個(gè)環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝多個(gè)不同類型的傳感器[18]。因此，該環(huán)境信息采集模塊可根據(jù)溫室環(huán)境需要?jiǎng)討B(tài)地增加傳感器的數(shù)量，每個(gè)傳感器通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置唯一的IP地址。Zigbee通過(guò)定時(shí)發(fā)指令的方式獲取各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并通過(guò)其無(wú)線收發(fā)模塊將傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線發(fā)送。

2.2 補(bǔ)光燈控制模塊

補(bǔ)光燈控制模塊主要用來(lái)接收ARM智能決策模塊發(fā)來(lái)的控制命令并執(zhí)行命令，以控制補(bǔ)光燈的開(kāi)啟與關(guān)閉。控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)控制固態(tài)繼電器來(lái)控制交流接觸器，最終控制補(bǔ)光燈的開(kāi)啟與關(guān)閉。補(bǔ)光燈狀態(tài)信息通過(guò)繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)采集，觸點(diǎn)閉合表明補(bǔ)光燈開(kāi)啟，觸點(diǎn)斷開(kāi)表明補(bǔ)光燈關(guān)閉。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.3 ARM智能決策模塊

ARM智能決策模塊[19，20]一方面通過(guò)串口與Zigbee協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，接收環(huán)境信息采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析處理后通過(guò)GPRS模塊保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中;另一方面通過(guò)GPRS模塊獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中補(bǔ)光條件的設(shè)置，計(jì)算后通過(guò)Zigbee協(xié)調(diào)器下發(fā)指令，控制補(bǔ)光燈的開(kāi)閉，如圖4所示。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL將數(shù)據(jù)保存到不同的表中，提高了訪問(wèn)速度和靈活性，設(shè)計(jì)上遵循一致性、完整性、安全性和可擴(kuò)充性的原則。根據(jù)該系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，以溫室為核心設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)表，包括溫室內(nèi)部采集控制器、采集器所連接傳感器、傳感器所采集的數(shù)據(jù)記錄、補(bǔ)光條件、補(bǔ)光歷史信息等，各表之間的關(guān)系如圖5所示。這樣設(shè)計(jì)的一個(gè)好處是：當(dāng)增加新的溫室、采集控制器、傳感器類型、傳感器數(shù)量時(shí)，已有的數(shù)據(jù)庫(kù)表格都無(wú)需變動(dòng)，擴(kuò)展性好。

2.5 遠(yuǎn)程服務(wù)器模塊

遠(yuǎn)程服務(wù)器模塊以MyEclipse為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用Java語(yǔ)言，運(yùn)用J2EE中的SSH（Struts+Spring+Hibernate）框架編寫(xiě)而成。通過(guò)將其部署到Apache開(kāi)源軟件基金會(huì)旗下的Tomcat服務(wù)器上，一方面與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互;另一方面響應(yīng)手機(jī)客戶端的請(qǐng)求，為其提供服務(wù)。

2.6 Android手機(jī)端模塊

Android手機(jī)端以Android Studio為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用開(kāi)源框架Android-async-http與服務(wù)器進(jìn)行通信，通信格式為JSON數(shù)據(jù)。其主要功能如圖6所示，包括溫室管理、溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、傳感器閾值設(shè)定與報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢顯示、智能補(bǔ)光設(shè)定等。圖7是溫室實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的手機(jī)頁(yè)面。

3 應(yīng)用效果

2018年9月至2019年5月，在天津市北辰區(qū)雨農(nóng)蔬菜種植專業(yè)合作社3號(hào)草莓溫室進(jìn)行了該系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)。該溫室長(zhǎng)70 m，室內(nèi)跨度9.8 m，后墻高2.2 m，脊高3.6 m，通道寬1.2 m，壟寬0.4 m，壟間距0.5 m，共種植草莓73壟，每壟2行，每行46株，行距0.3 m，株距0.18 m;于2018年9月17日定植，2019年5月7日拉秧，品種為京藏香。補(bǔ)光試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖8所示，每3壟為一組保護(hù)行，每5壟為一組補(bǔ)光區(qū)域，每5壟為一組對(duì)照區(qū)域（CK），補(bǔ)光和CK之間以保護(hù)行作為分割，共分為四個(gè)試驗(yàn)重復(fù)。

每組補(bǔ)光區(qū)域包含3排從主線引出的電線，一根位于該區(qū)域的中間位置，在其兩側(cè)1.4 m的位置各有一根，如圖9所示。在每排電線上安裝4盞補(bǔ)光燈，補(bǔ)光燈之間的距離是2 m，安裝高度距離草莓上方1.1 m。補(bǔ)光燈使用的是上海合鳴照明電器有限公司的50W LED生長(zhǎng)燈，于2018年10月20日安裝，補(bǔ)光現(xiàn)場(chǎng)照片如圖10所示。

應(yīng)用該系統(tǒng)，根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)采集的環(huán)境信息，設(shè)定智能補(bǔ)光策略：從2018年11月14日到2019年4月5日，在每天6時(shí)到9時(shí)、16時(shí)到19時(shí)兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，當(dāng)光照傳感器采集的光照度低于10 000 lx時(shí)開(kāi)啟補(bǔ)光燈，當(dāng)光照傳感器采集的20 min內(nèi)光照度持續(xù)高于20 000 lx時(shí)關(guān)閉補(bǔ)光燈[21-24]。結(jié)果（表1）顯示，與CK相比，補(bǔ)光處理能夠提高草莓產(chǎn)量，增幅達(dá)到10%，經(jīng)t測(cè)驗(yàn)，差異達(dá)顯著水平。

表2列出了前4次采摘的草莓個(gè)數(shù)和質(zhì)量，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)光較CK有促使草莓提前上市的效果。

4 結(jié)論

本研究以滿足溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)時(shí)性、便捷性需求為目標(biāo)，借鑒國(guó)內(nèi)外在環(huán)境監(jiān)控方面的研究經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，完成了基于Android手機(jī)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與補(bǔ)光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。并在天津市北辰區(qū)雨農(nóng)蔬菜種植專業(yè)合作社3號(hào)草莓溫室進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，以“京藏香”草莓為試材，通過(guò)4個(gè)試驗(yàn)重復(fù)對(duì)比了應(yīng)用該系統(tǒng)補(bǔ)光與對(duì)照對(duì)冬春茬溫室草莓的影響。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效完成溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸、展示和分析以及補(bǔ)光燈的手動(dòng)和自動(dòng)控制，具有性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、使用方便、節(jié)省人力等特點(diǎn);而且應(yīng)用該系統(tǒng)補(bǔ)光可促進(jìn)草莓增產(chǎn)和早上市，增加經(jīng)濟(jì)收益。今后將進(jìn)一步熟化該系統(tǒng)的應(yīng)用研究，將其擴(kuò)大應(yīng)用到不同的溫室作物，另外也可根據(jù)溫室當(dāng)前的環(huán)境信息，增加對(duì)水肥一體化設(shè)備、增溫設(shè)備、卷簾機(jī)、卷膜機(jī)等的自動(dòng)智能控制，進(jìn)一步加大溫室的自動(dòng)化、智能化程度，降低人工成本[25，26]。

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收稿日期：2019-07-10

基金項(xiàng)目：天津市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化和推廣項(xiàng)目（201601220，201801040）;天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)基金項(xiàng)目（17006）

作者簡(jiǎn)介：杜彥芳（1981—），女，河北深澤人，助理研究員，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究工作。E-mail：duyanfang1981@126.com

通訊作者：王建春（1977—），男，碩士，副研究員。主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：89284883@qq.com