一种阳台农业智能控制组的设计

解 朦，李明辉，徐 伟



一种阳台农业智能控制组的设计

解 朦，李明辉，徐 伟

(黑龙江农业工程职业学院，黑龙江哈尔滨 150088)

本文设计了一种用于阳台农业的智能控制组，包括嵌入式网关控制端和移动控制端。嵌入式网关采用S3C2416芯片搭载WinCE操作系统，该系统能够充分发挥ARM9芯片的数据处理能力，性能高、运行稳定；移动控制端则是基于Android操作系统开发的APP，该系统开源、系统精简且用户量大，具有较强的应用价值。本控制组的设计不仅实现了阳台农业的无线远程控制功能，而且提高了阳台农业的精细化程度。

阳台农业；物联网；S3C2416；WinCE；Android

0 引言

随着我国城市化脚步的不断推进，食品安全成为了当今社会急需解决的一个问题。随着生活水平的提高，人们更追求自然、崇尚健康。阳台农业就是利用城市内有效的空间，以高科技手段种植农产品的新型农业形式。由于阳台农业具有操作简单、环境友好、颐养身心等优点，正在被更多的市民所接受。

物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。[1]近年来，随着智能农业、精准农业的发展，智能感知芯片、移动嵌入式系统等物联网技术在现代农业中的应用也在逐步拓宽。[2]针对城市居民不断增长的需求，发展基于物联网技术的阳台农业具有很重要的意义。

1 物联网阳台农业概述

1.1 阳台农业

阳台农业从字面上理解就是在阳台上高农业生产，但其实质是在城市建筑物的内部和外部进行的农业生产活动。美国阳台农业开发面积占屋顶面积30%，生产的农产品产值占美国农产品产值的1/3以上；1982年，德国政府通过立法强制推行屋顶绿化，2003年德国屋顶绿化的覆盖率超过14%，屋顶绿化种植总面积超过1350万平方米[3-4]。

我国的阳台农业技术较之发达国家还是起步较晚，不够成熟，大部分居民利用阳台种植依然局限于传统单一的有土种植形式，作物的产量和质量始终不能令人满意。本文提出了物联网+阳台农业的模式。该模式利用物联网技对术农业生产的各要素实行数字化设计、智能化控制、精准化运行和科学化管理，从而实现对各项作物生长参数的“全面感知、可靠传输和智能处理”[5]，兼顾了观赏、美化和收获。

1.2 设计概述

本文设计的阳台农业模型如图1所示。

图1 阳台农业模型

该系统是结合了物联网技术的智慧农业系统，系统工作过程如下：首先由采集模块（传感器）收集作物生长的环境信息（温度、湿度、CO2浓度等）并将数据传递给嵌入式网关（现场控制模块）和用户终端（手机），用户可以在这两个设备上实时查看各项参数，并且可以通过继电器控制执行模块（空调、加湿器、CO2发生器等）进行有效的环境调节，以此为作物的生长创造最有利的环境条件。

针对物联网+阳台农业系统的网关设计需要完成两部分的工作：1. 现场控制模块，即嵌入式网关的设计和制作；2. 远程控制模块，即用户手机终端的软件开发。

2 硬件设计

由于本设计中用户终端是Android系统手机，所以硬件部分工作即嵌入式网关和控制模块及外围电路的设计制作。

2.1 嵌入式网关硬件设计

网关的硬件框图如图2所示。

图2 硬件框图

①主处理器

本研究选用的S3C2416芯片是一款三星生产的基于ARM926EJ内核的32位RISC微处理器，65 nm工艺制程，具有低功耗、高性能和低成本的特性[6]。

②USB和RS232

本设计在USB方面提供了一路USB Device 接口，用于支持ActiveSync和PC机同步通信和联调应用程序；三路USB Host接口，用于支持键鼠、U盘等设备。串口方面，四路带隔离的3线RS-232串口，其中二路可以作为RS-485总线接口。

③人机交互设备

该部分包含一块8.0(英寸)，800*600，64 K色的显示屏和一块4线电阻式触摸屏，由于S3C2416芯片集成了触摸屏控制器，所以可以直接连接。

④以太网控制器

由于系统选用的微处理器本身没有以太网接口，所以本设计中选用了DM9000 E以太网控制芯片与处理器相连接，构成一路100 M的以太网络接口，并通过无线路由器实现与手持终端的通信。[7]

2.2 网关外围硬件设计

本研究中网关的外围硬件以及提供的支撑功能如下：220 V主电源空气开关，用于给交流设备供电；12 V高频开关电源，用以获得12 V直流电；混合I/O数据采集模块，用于将芯片输出的数字量转换成模拟电压；中间继电器，用于控制220 V用电器的电源通/断；接线端子，用于接入传感器发送的数字信号；无线路由器，用于和用户终端的通信。

3 软件设计

3.1 嵌入式网关软件设计

嵌入式网关是基于WinCE5.0系统开发的软件，WinCE 5.0是微软公司公司开发的一种嵌入式操作系统，它是一种模块化的、易剪裁、定制移植方便的、实时抢占式多任务嵌入式操作系统。它能支持多种硬件平台(包括X86、ARM、MIPS等)，能满足测控系统对实时性、稳定性的要求。

本设计采用Platform Builder工具进行操作系统的定制，用以支持OAL层、Boot Loader和驱动程序的开发。Boot Loader以U-boot为基础进行修改，驱动程序方面主要是对采集模块所需的具体传感器进行驱动程序开发，详细代码不再赘述。

应用程序开发部分主要包含采集单元、网络单元、控制单元、历史数据查询、终端参数设置、系统运行监控和图形界面7个部分组成。其结构如图3所示。

图3 阳台农业网关软件设计

其中采集单元主要是传感器端的A/D转换；网络单元采用TCP/IP协议，一方面实现传感器单片机向上位机的数据发送，另一方面实现网关与手持终端的数据互通；控制单元主要是根据PID算法，用C语言编写的控制子程序；历史数据查询是将测量到的数据写入SDRAM中，当写入的数据达到Flash一页的大小时，再将数据写入Flash；终端参数设置是系统提供给用户的设置功能模块，主要功能是网络参数设置和修改；系统运行监控是系统提供给维护人员的接口，可用于监测整个系统的运行状态；图形界面使用GWES软件实现。

3.2 移动端软件设计

本设计选用Android系统作为移动端的APP平台，使用Java开发，选用MyEclipse工具进行应用层软件开发，该工具具有开放性好、开发效率高等优点[8]。

本文设计的APP包含两个功能模块：环境监测和远程控制，如图4所示。

其中，环境监测模块可以显示出现场传感器通过网络传递来的空气、土壤相关参数，并进行存储；远程控制模块则可以通过按键控制的形式，远程控制执行器（加湿器等）的动作，并且提供IP地址、TCP端口等网络参数的设置和修改功能。[9]

本文设计的软件以远程监测和控制为目的，工作流程图如图5所示：

图4 功能模块图

图5 工作流程图

·软件初始化，网络模块将采集器收集到的数据传递给主程序

·用户可以通过监测界面显示环境参数（温度、湿度等）；

·用户可以通过控制界面向执行器下达指令（ON/OFF）；

·用户可以在监测和控制界面间相互切换，实时观测和控制。

4 系统测试

本设计着重在于嵌入式网关和用户端的设计，所以数据采集和环境控制仅针对实验室环境，配备了实验级传感器和民用级电器，实验设备和测试结果如图6所示。

(a) 网关外围硬件 (b) 手机监测界面 (c) 手机控制界面 (d) 监测模块 (e) 控制模块

经过测试，系统中硬件和软件均运转正常，功能方面可以达到设计预期，可以较好地反映环境参数，并能够对相关执行模块进行有效的控制。[10]

5 总结

本文设计了一种应用于阳台农业系统的控制组，包含嵌入式网关和移动终端两部分，其中第一部分采用了S3C2416+WinCE的组合，搭建了能够实时采集作物生长环境信息并能够主动控制的智能控制台；第二部分采用手机+Android的组合，将第一部分的功能扩展到了移动端，更加方便了用户的使用。本设计对促进阳台农业的推广具有促进意义。

[1] 王占松, 田凌. 基于功能的三维模型检索系统[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2013, (12): 1877-1885.

[2] 郎波, 刘旭东, 王怀民, 谢冰, 毛晓光. 一种软件可信分级模型[J]. 计算机科学与探索, 2010, (03): 231-239.

[3] 杨宝祝. 城市阳台上的伊甸园-阳台农业[J]. 北京农业. 2013(6): 46-49.

[4] 郭迪. 我国阳台农业概况及发展前景[J]. 浙江农业科学. 2013(3): 239-241.

[5] 文黎明, 龙亚兰. 物联网在农业上的应用[J]. 现代农业科技, 2010(15): 54-54.

[6] 陈宁宁, 齐世清. 基于嵌入式Linux的蓄电池组智能监控系统[J]. 新型工业化, 2014(5): 20-26.

[7] 于浩, 宿浩, 杨雪, 田春鹏, 唐功友. 基于引导角的轮式移动机器人轨迹跟踪控制[J]. 控制与决策, 2015, (04): 635-639.

[8] 石旭东. 基于Android平台的NFC技术的研究与实现[J]. 软件, 2013(1): 64-68.

[9] 李菁. 高校实验室综合管理系统的设计与实现[D]. 东南大学, 2016.

[10] 武永强. 基于人因工程学的双椭圆机设计方法研究[D]. 武汉理工大学, 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

本文著录格式：解朦，李明辉，徐伟. 一种阳台农业智能控制组的设计[J]. 软件，2017，38（4）：150-153