摘 要： 提出了基于Android和智能传感技术的温室管理系统解决方案。该系统采用ZigBee技术构建底层WSN，利用移动通信网络和互联网实现信息远程传输，支持桌面版、Web版、移动终端版管理模式。实验表明，该系统可实时采集温室环境参数，根据预设作物生长周期需求自动调节环境参数，通过本地服务器、远程PC和智能手机3种方式进行操作管理。
关键词： 物联网；Android；WSN；ZigBee；Web Service
随着信息化逐步推进，计算机技术、通信技术、传感技术等信息技术在农业领域的应用日益增强。如何将先进的传感、通信和数据处理等物联网技术应用于农业领域，构建智能农业系统，通过感知技术获取更多的信息，通过网络的互联共享获得更多的网络实时服务，从而提高精细农业科学决策水平和作业实施水平[1-2]，是当前科技工作人员研究的重要课题。
本文针对农业领域需要控制管理系统低成本、低功耗、高智能化的特点，设计了一套基于Android平台和智能传感技术的温室管理系统。该系统将传感器与微处理器整合为智能传感节点，具有信息采集、处理、通信功能，同时将控制设备与微处理器整合为智能控制节点，利用ZigBee技术将多个智能传感节点、智能控制节点等构建底层无线传感网WSN（Wireless Sensor Network）[3-6]，开发了PC端桌面版管理软件、Web版管理软件和基于Android的移动终端管理软件，可以实现温室信息的无线采集与传输、信息保存与分析处理以及温室环境参数的自动控制。用户不必局限于在监控中心才能查看信息并进行操作管理，也可以远程通过智能手机或电脑登录系统进行操作管理。
1 系统设计
本文所设计的智能温室管理系统按位置布局可分为温室监控网络和远程监控管理中心两部分。温室监控网络包括智能传感节点、智能控制节点、协调器、GPRS模块。远程监控中心包括PC、信息管理系统软件、移动控制终端（智能手机及配套控制软件）。利用GPRS移动通信网络和互联网作为通信网络载体，为上层应用和底层设备进行信息交互提供远程传输通道。系统总体结构如图1所示。
2 系统实现
2.1 温室监控网络硬件设计
CC2530芯片内含一个单周期的高性能低功耗8051兼容内核和一个兼容2.4 GHz IEEE 802.15.4标准的无线收发器，具有极高的灵敏度和抗干扰性能，有多种运行模式，特别适合于超低功耗需求的系统应用。根据本系统低成本、低功耗、灵活布局的需求，确定CC2530作为温室监控网络ZigBee终端节点和协调器主控芯片。
智能传感节点由ZigBee终端节点与温度、湿度、光照等传感器相连，智能控制节点由ZigBee终端节点与风机、电磁阀、加热器、卷帘机等控制设备相连。协调器与GPRS模块通过串行接口相连，如图2所示。GPRS模块核心部件为Simcom公司的SIM300模块。SIM300具有低功耗设计，休眠模式下电流消耗只有2.5 mA；内部集成了TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IP AT指令，便于用户使用该模块开发数据传输应用。
2.2 温室监控网络软件设计
2.2.1 ZigBee无线组网流程
组建一个ZigBee网络包括网络初始化和节点加入网络两个步骤[4-5]。协调器组建网络、获得终端节点加入后，定时轮询智能传感节点，将采集到的温度、湿度、光照参数通过串口通信传递给GPRS模块，再经GPRS模块发送给远程监控中心。同时协调器通过串口获取GPRS模块收到的远程监控中心指令。
2.2.2 终端节点工作流程
本文设计传感器与控制设备分离，便于各组传感节点和控制节点灵活布局，增强系统可维护性。为了避免无线模块长时间脱离网络，设计了心跳包检测程序，测试异常则自动重启本节点并重新申请加入网络，如图3所示。
控制节点加入网络后，平时处于休眠状态，收到协调器发送的指令唤醒后，解析指令内容，确定对风机、电磁阀、加热器、卷帘机等控制设备的操作。
2.2.3 GPRS通信
GPRS模式负责底层设备与远程监控中心PC之间的信息交互。监控中心PC部署为服务器，具有公网IP，GPRS模块作为客户端，与监控中心服务器之间建立一个TCP/UDP连接，然后实现设备层与监控中心PC的TCP/UDP数据传输。
2.3 监控中心信息管理系统设计
监控中心智能温室信息管理系统软件结构如图4所示。
2.3.1 桌面版管理软件
桌面版管理软件通过数据收发模块与GPRS模块进行信息交互，将收到的信息分析处理后写入后台数据库，根据农业专家预设策略或操作人员指令生成控制指令发送给GPRS模块。为了协调Web版管理软件的数据收发，桌面版管理软件不直接与GPRS模块通信，而是利用多线程技术实现信息存储转发，避免硬件资源冲突。桌面版管理界面如图5所示。
2.3.2 Web版管理软件
Web版管理软件主要实现一个B/S方式的Web服务器[7]。Web版管理软件与基于Android平台的移动终端管理软件利用Webservice技术实现信息交互。Webservice是一种跨编程语言和跨操作系统平台的远程调用技术。移动终端要访问远程数据库，需向Web服务器提出请求，服务器根据请求生成访问数据库的SQI语句并执行，将结果封装成特定格式并返回给移动终端，移动终端得到响应后将结果展示在相应界面上，如图6所示。
服务器端Web版管理软件提供Web服务，部分核心代码如下：
using System.Web;
using System.Web.Services;
[WebService(Namespace = "http://119.35.171.107/")]
[WebServiceBinding(ConformsTo=WsiProfiles.BasicProfile1_1)]
public class agrwebservice：System.Web.Services.WebService {
……
#region//获取温度、湿度、光照等传感器数据
[WebMethod]
public string[] getthidata()
{ object[] objarr = bd.getthidata();
....... }
#endregion
#region//传送指令控制1号田块1号风机开启
[WebMethod]
public int fanmOpen()
{ ……
return BS.sendcommands("55B10111B4AA",
"风机开"); }
#endregion
......
}
2.3.3 基于Android的移动终端管理软件
Android被誉为“第一个完整、开放且免费的移动平台”，开发人员在开发应用程序时获得了前所未有的访问手机设备的权限[8]。Android 软件开发包SDK（Software Development Kit）提供了丰富的类库，便于开发人员在此基础上更高效地开发各种应用。不过在Android SDK 中并没有提供调用Web Services的库，为了实现在Android 平台上访问远程数据库，本系统在开发移动终端管理软件时加载了第三方类库ksoap2，获取部署在监控中心的Web服务器的Webservice调用。移动终端管理界面如图7所示。
3 系统运行测试
为了测试系统整体运行效果，选取农科院实验场地，配置3组无线传感节点采集温度、湿度、光照参数，配置2组无线控制节点驱动风机、喷水灌溉电磁阀、加热器、卷帘门，运行界面见图5～图7所示。在系统界面设置好各项参数上下限阈值后，选择进入自动模式，系统进入全自动运行状态，各设备运行良好。
农业信息化前沿技术的研发与应用对于发展现代农业，优化农业产业结构，提升农业整体素质，创新农业经营模式，都具有重大而积极的意义。本系统充分利用先进的通信技术与计算机技术，研发集数据采集、分析、决策于一体的智能温室管理系统。底层设备采用ZigBee无线组网，既节能低耗，又能够根据农田面积灵活增加节点模块，避免复杂布线，降低系统维护运营成本。上层管理系统提供桌面版、Web管理版、移动终端版管理模式，界面简单直观，便于用户随时随地查看信息操作管理。本系统可提高设施农业生产效率、降低劳动力投入，并具有易部署、易维护、成本低、通用性强等特点，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] International Telecommunication Union.Internet reports 2005：the Internet of Things[R].Geneva：ITU，2005.
[2] 赵丽.浅议物联网在农业领域的应用及关键技术要求[J].电信科学，2011(10A)：71-74.
[3] 石繁荣，黄玉清，任珍文.基于ZigBee的多传感器物联网无线监测系统[J].电子技术应用，2013，39(3)：96-99.
[4] 高键，方滨，尹金玉，等.ZigBee无线通信网络节点设计与组网实现[J].计算机测量与控制，2008，16(12)：1912-1914.
[5] DAI X，XIA F，WANG Z，et al.A survey of intelligent information processing in wireless sensor network[A].Mobile Ad-hoc and sensor networks[M].New York：Nova Science Publishers，Inc.2006.
[6] 张要伟，杨志义，沈沉，等.基于WSN温室智能测控系统网关设计与实现[J].计算机工程与科学，2008，30(6)：98-100，105.
[7] PAPAZOGLOU M P．Web服务原理和技术[M]．龚玲，张云涛，译．北京：机械工业出版社，2010.
[8] BURNETTE E.Hello，Android：introducing Google’s mobile development platform[M]．American：Pragmatic Bookshelf,2009．