基于Arduino/Android的养殖场环境监控系统设计

张炳权 田思庆　吴迪 曹宇 郑家风

摘要 针对当今畜牧业发展需求，以Arduino开源板和Android手机作为开发平台，设计了一套无线网络养殖场环境监控系统。通过传感器将养殖场内的环境信息以及设备运转状态采集到Arduino控制器中，再通过Zigbee模块将数据传送至网关模块，网关模块通过无线网络将数据传送至本地服务器，Android手机客户端通过无线网络将服务器的数据与手机内的APP进行交互，以完成对养殖场内环境的调控。该系统具有部署方便、成本低、可靠性高、扩展性强等优点，具有推广应用价值。

关键词 Arduino；Android；养殖场；环境监控；系统设计

中图分类号 S818.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）01-0209-03

Design of Environment Monitoring System in Pasture Based on Arduino/Android

ZHANG Bingquan1，TIAN Siqing1，2*，WU Di2 et al

（1.College of Mechanical Engineering，Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang 154007；2.College of Information Electronic Technology，Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang 154007）

Abstract According to the needs of the development of animal husbandry， using Arduino open source board and Android mobile phone as the development platform，we designed a wireless network environment monitoring system. Environmental information and equipment operating status were collected into the Arduino controller through the sensor，then transferred the data to the gateway module through the ZigBee module，the gateway module transferred the data to the local server through the wireless network， the Android mobile phone client could interact the data of the server with the APP in mobile phone through the wireless network， to complete the regulation of environment in the pasture. This system has the advantages of convenient deployment， low cost， high reliability and strong expansibility，which worth to be promoted and applicated.

Key words Arduino；Android；Pasture；Environmental monitoring；System design

畜牧業是我国农村经济的重要组成部分，在国家发展智能制造的大环境下，将畜牧业与智能生产制造相结合，能促进我国农业经济的生产与发展。在传统智能化畜牧业养殖系统中，主要以可编程逻辑控制器（PLC）与人机界面（HMI）作为控制系统的核心单元，对于大型的养殖场，表现出的缺点有：控制柜与各个传感器和执行部件之间的线缆过长，布线复杂，露出部分易被牲畜啃食造成系统瘫痪。鉴于此，笔者设计了一种新的养殖场环境监控系统，利用Arduino开源板与Android手机作为控制系统的核心单元，对养殖场内环境进行调控，同时还利用Zigbee无线通信模块和WiFi模块解决了繁杂的布线问题，使用户通过智能手机或平板设备对养殖场内的环境进行调控。

1 系统组成和总体设计

该系统主要由4个部分组成：控制系统终端层、中心网关层、服务器层以及用户手机管理层。控制系统终端层：主要包含传感器数据采集模块以及执行器逻辑模块。根据现场设备所控制的不同环境参数，设置相匹配的控制模块，可任意扩展；中心网关层：主要通过Zigbee模块与控制系统终端层的各个小的终端模块进行数据交互；服务器层：将中心网关发送和接收的数据统一存储于服务器的数据库中；用户手机管理层：使用应用程序（APP）通过无线网络访问服务器数据，完成对养殖场现场的环境监控，并且可在线多人员实时监控系统。其总体设计见图1。

2 系统硬件设计

2.1 中心网关设计

中心网关主要是将控制终端所采集和控制的数据发给服务器，并接收服务器所返回的指令，再将指令分送给各个终端设备，其设计结构见图2。中心网关的硬件设计包括控制单元、电源单元以及无线通信单元。处理控制单元Arduino 是一个基于Atmel集成器的以自动电压调节器（AVR）和ARM（Advanced RISC Machines）为控制器的开源软硬件平台[1]。该系统应用Arduino大家庭中pro mini版作为处理控制数据的核心器件。电源单元主要将220 V的交流电转化成5 V和3.3 V直流电以提供各个模块的工作电压。无线通信单元包括Zigbee模块和WiFi模块。Zigbee无线传感技术是一种双向通信技术[2]，将各个终端与中心网关所有设备接入蜂窝网络，互相建立通信。WiFi模块建立与路由器之间的通信，以访问固定地址的主机服务器，将数据存储至服务器中。中心网关在整个系统运转中起到桥梁作用，是服务器与底层设备间数据交互的纽带。

2.2 传感器数据采集模块设计

传感器数据采集模块可以采集环境参数，该系统采用温湿度终端模块，通过传感器将室内的温湿度环境数据指标采集至本终端的处理控制单元，再通过无线通信单元发送至中心网关，其终端的设计结构见图3。温湿度终端模块的硬件由5个单元构成：电源单元、处理控制单元、无线通信单元、温湿度采集单元以及报警单元。前3个单元的作用与中心网关相似，温湿度采集单元采用DHT11温湿度采集模块，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[3]，其测量范围：湿度为20%～90%RH，温度为0～50 ℃。报警单元以蜂鸣器作为报警器件，当温度、湿度超过或者低于设定值时发出报警，以提醒人员对设备进行查看。温湿度采集模块在控制系统中起着至关重要的作用，感知养殖场内环境的变化。

2.3 执行器逻辑模块设计

执行器逻辑模块主要实现自动补水、定时补料、定时通风的控制，其终端的设计结构见图4。执行器逻辑模块共包括5个单元：电源单元、处理控制单元、无线通信单元、输入单元和输出单元。输入单元包括手动控制按钮，可以现场通过按钮手动触发执行设备的启动和停止，液位开关反馈水位是否到达设定液位。输出单元连接补料出发控制器、补水电磁阀和通风扇等。

3 系统软件设计

3.1 各个模块软件设计

中心网关在整个系统中起到桥梁作用，其无线通信单元包含2种通信方式，Zigbee模式通信主要处理与终端控制器间的数据，WiFi模式通信主要处理与服务器间的数据交互。中心网关主要负责终端设备与服务器间数据相互传输，其程序设计流程见图5。温湿度采集模块首先驱动DHT11，使其获取室内的温度和湿度，然后按照Zigbee网络的数据格式1进行数据打包，发送给中心网关和Zigbee网络内的其他模块，其程序设计流程见图6。

执行器逻辑模块主要完成定时补料、实时补水和定时通风，其程序设计流程见图7。定时补料，根据牲畜的需求，按照事先设置好的时间段定时定量供料；实时补水，水槽内的水位始终保持恒定，保证牲畜的饮用水源不会中断；定时通风，养殖场内牲畜所排放出的气体会影响养殖场内的环境，定时通风，以保证养殖场内的空气新鲜。服务器的搭建主要是搭建本地的私人服务器、PHP调试环境、开发工具、开发手册等[4]。在PHPServer文件中包含用户的信息，主机地址，针对安卓客户端所编写的应用程序接口（API）等，服务器端的程序设计流程见图8。

3.2 Android客户端APP设计

为了保证系统人机界面人性化的需求，设计了一款与该系统相匹配运行的APP。Android是一種以 Linux为基础的开放源码操作系统，主要应用于移动设备[5]。Android采用Eclipse作开发环境，以Java作为开发语言。程序由用户界面（UI）层、服务层、保持层三大部分组成[6]。

4 系统运行

该系统在实验室环境下进行模拟测试，达到了预期效果。配置本地服务器，使其处在运行状态下，将中心网关、温湿度采集模块和执行器逻辑模块安装在试验台上，使其自动组网并连入服务器，当系统正常接入服务器后，服务器后台可以看到终端设备已经绑定，打开手机客户端的APP，使用注册的用户名和密码登录系统，登录后可以看到当前网关状态，显示网关正常运行中，表示手机客户端已经通过服务器与终端通信上了。此时可以查看当前的环境状态，并可以对系统的执行器实施远程控制。

5 结论

该系统以Arduino开源板和Android手机作为开发平台，设计了一套无线网络养殖场环境监控系统，提高了自动化养殖系统的控制手段，解决了传统饲养控制系统布线复杂、设备成本价值高、维护不方便等问题。Android平台的应用，开创了手机管理养殖场的新模式，在厂区或者住宅区，只要有WiFi覆盖的地方，Android用户通过无线网络将服务器的数据与手机内的APP进行交互，就可以完成对养殖场内环境的调控。该系统适合各类养殖场使用，具有研发成本低、扩展能力强和维护方便等优点，便于大范围推广。

参考文献

[1] 王家兵.利用Arduino及Android终端的图书馆机房远程监控系统研发[J].现代图书情报技术，2012（10）：89-92.

[2] 肖忠祥，戎腾学，范鹏召.基于ZigBee和Arduino开源平台智能网关的设计与实现[J].电脑知识与技术，2016，12（7）：252-254.

[3] 韩丹翱，王菲.DHT11数字式温湿度传感器的应用性研究[J].电子设计工程，2013，21（13）：83-85.

[4] 王宏元，高荣国.Moodle平台搭建与教学应用研究[J].江苏教育学院学报（自然科学），2013，29（3）：60-64.

[5] 汪震，杨小兰.基于Android和Arduino的智能家居系统设计[J].软件导刊，2014，13（12）：94-96.

[6] MCCORMACK L，MEENDERING J，SPECKER B，et al.Associations between sedentary time，physical activity and DXA measures of total body，Android and gynoid fat mass in children[J].Journal of clinical densitometry，2016，19（3）：368-374.