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科学技术论文

基于物联网的马铃薯贮藏环境智能监控系统

时间:2019年05月16日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

摘要:为了便于用户实时掌握和控制马铃薯贮藏的环境信息,解决窖内环境检测不方便及环境调控不及时等问题,课题组设计了一套基于物联网的马铃薯贮藏环境远程调控系统。该系统主要监控环境因素为马铃薯内的空气温度、湿度和CO2浓度,主要控制设备为马铃薯窖内

  摘要:为了便于用户实时掌握和控制马铃薯贮藏的环境信息,解决窖内环境检测不方便及环境调控不及时等问题,课题组设计了一套基于物联网的马铃薯贮藏环境远程调控系统。该系统主要监控环境因素为马铃薯内的空气温度、湿度和CO2浓度,主要控制设备为马铃薯窖内的风机、加热器等设备。系统分为受控终端、网络通信和用户终端3个部分,其中受控终端为马铃薯窖内的控制系统和相关设备,网络通信通过GPRS实现,用户终端为PC和Android操作系统。该系统研究和实现了一套基于物联网的贮藏环境远程智能监控,以期达到实时掌握和控制马铃薯窖内温度、湿度和CO2浓度。

  关键词:物联网;Android平台;智能监控

实验技术与管理

  马铃薯营养丰富,口味独特,是我国及世界许多国家及地区人民喜爱的一种食物可鲜食,可进行深加工制成淀粉,成为重要的化工原料,市场需求量巨大。近年来,随着马铃薯市场的不断发展,马铃薯贮藏数量逐渐增加,贮藏时间进一步延长,对贮藏环境的要求越来越高。而在我国北方地区,一般是采用地下式的贮藏窖。通风和降温大多依靠自然条件,有少许的贮藏窖设有风机等设备,但是也由于人工使用不及时,马铃薯在贮藏期间经常出现失水、长芽、腐烂等现象[1]。

  一般马铃薯贮藏的损失率达15%~25%,严重时可达40%以上[2]。为了改变这种状况,需要使用科学有效的贮藏方法,要遵循马铃薯的时期变化和环境变化的规律,采用相应的调控措施以便提高马铃薯的贮藏质量。

  马铃薯是宁夏自治区重要经济农作物,也是西海固地区的主要经济来源,随着宁夏优势特色马铃薯产业专家组针对宁夏地区马铃薯种植的研究和推广,马铃薯得以在部分地区种植且产量不断提高。现针对宁夏回族自治区马铃薯贮存情况,设计生产了一套基于物联网的马铃薯储藏环境监控系统,可以实时监测和控制马铃薯窖内的温度、湿度和CO2浓度,通过Android手机APP或下位机控制箱控制窖内风机、加热器等设备。

  1系统总体设计

  该设计监测和控制马铃薯窖内的温湿度、CO2浓度,需要实时掌握窖内的环境因素,温度过低或者湿度过低都将造成不可挽回的损失,因为冻伤和缺水是不可逆的,同时CO2影响马铃薯的糖分存储。可操作性对于实际操作者来说非常重要,因操作者大多不常接触这方面的设备,所以系统的操作应尽量简单方便且安全。

  因市面上Android手机占有率相当高,所以该系统手机终端采用安卓系统。针对没有Android手机的用户,可以通过电脑端进行登录和控制。该系统旨在实时监测和控制马铃薯窖内的环境信息从而避免不必要的损失,可通过下位机TFTVisual屏控制,也可在手机端或者电脑端控制。该系统由用户终端设备、网络通信、受控终端构成,研究马铃薯窖内的各种环境因素。

  其中设备的受控端在马铃薯窖内,其中包括下位机、温湿度传感器、CO2传感器、加热器、风机等设备。基于单片机的环境信息采集模块均匀分布放置在各个位置来收集不同位置的环境信息。TFTVisual彩屏有显示和触控功能,可在手动模式下控制外设设备。客户端程序支持多终端运行,下位机通过TFTVisual彩屏控制。Web端和Android手机端通过浏览器输入网址,然后输入账号和密码即可实时监测和控制马铃薯窖内环境信息。

  环境信息采集模块、网络服务器、Web、Android系统和控制模板之间的联系。下位机主控与信息采集模块和控制面板通过485总线方式连接,与上位机通过GPRS通信。

  2系统硬件设计

  该系统硬件主要在下位机方面,其中主要包括下位机主控、信息采集模块、温湿度传感、CO2传感器、GPRS等。

  2.1下位机主控制

  下位机主控芯片采用STM32F103RCT6。信号电压转换方面,信号电压3.3V转5V采用MAX3232收发器,差分信号电压采用TTL转RS-485模块。电源电压转换方面,电源电压5V转3.3V采用AMS1117稳压器,电源电压24V转5V采用DM02模块,电源电压220VAC转24V采用AC-DC电源模块。

  EL817光耦电阻控制24~220V继电器。下位机主控制器放在马铃薯窖控制柜内,是整个系统信息的中转站,可以与实现和FTFVis-ual彩屏信息交互,同信息采集模块使用485总线方式通信,同时上位机通过GPRS通信,通过24~220V继电器控制风机、加热器等马铃薯窖内外设设备。

  2.2信息采集模块

  信息采集模块采用STC12C5A60S2主控芯片,通信方面,经过TTL转RS-485模块和其它设备通信。信息采集模块同过485总线与下位机主控通信,通过TTL转RS-485模块与温湿度传感器和二氧化碳传感器通信。

  2.3GPRS

  GPRS是网络服务器和下位机信息交互的桥梁,GPRS将从信息模块收到的马铃薯窖内环境信息传输基于STM32单片机的下位机,下位机将数据分析处理,经过封装后发至网络服务中,这样Web和手机APP客户端可访问服务器来了解马铃薯窖内环境信息。同时,客户端也可通过GPRS发送数据给下位机单片机,从而控制风机、加热器等设备。

  发送数据过程:WG-8010GPRSDTU与下位机单片机进行数据交互,对从单片机中读取的数据进行封装,然后加至终端的TCP/IP协议栈中,通过GSMMODEM和GPRS网络实现与In-ternet网络通信。网络服务器解析这数据并保存以便用户读取。接收数据的过程,WG-8010GPRSDTU将Internet网络解析,读取指令数据发给下位机单片机。

  3系统软件设计

  系统软程序分上位机、GPRS和下位机主控3个部分,其中上位机为Android系统程序设计,下位机包括主程序设计、信息采集模块程序设计、控制面板程序设计、彩屏程序设计。

  3.1Android设计

  该系统中远程服务中心主要向客户端提供数据服务,并且接受和发送控制指令,虽然不具有控制功能,但是具有监测、传递和管理功能,在系统属于聚集数据最多,传输数据最密集的服务中心。一切数据和信息,以及控制指令都需要经过远程服务中心的处理和管理。

  所以其相当于一个简单的Web服务器,主要由Java编写的Web服务程序和一个MySQL数据库组成,并通过Tomcat服务器进行发布。Web服务器程序使用Java语言编写,在MyEclipse环境下开发。采用B/S3层架构体系设计,主要包括浏览器、Web服务器、MySQL数据库[3]。

  服务器使用Tomcat,部署简单、易操作,扩展性好,且Tomcat服务器已经开源,在网上可以找到很多可供使用的版本。数据库选用MySQL,这种数据控灵活性高,是关联数据库,且也已经开放源代码。服务器使用Tomcat,部署简单、易操作,扩展性好,且Tomcat服务器已经开源,网上可以找到很多可供使用的版本。

  服务器性能优越且占用系统资源少,操作相对容易,运行时把程序放到webapp里,打开startup即可自动检测到文件,但由于第一次的转化问题,运行会比较慢,但之后速度会大大增加并且稳定。Tomcat本身就是一个性能强劲的服务器,开源更使其受到了更多研究者的认可[4]。

  由于马铃薯窖内环境信息传感器较多,很多数据都需要进行专家判定,所以需要把信息采集模块的环境信息上传至网络服务中心。该系统使用MySQL,可以通过sql语言对JDBC和ODBC数据库进行操作,ODBC的语言环境为C语言移植性较差,而JDBC本身就是由Java编写而成无需将ODBC转化,所以采用JDBC驱动程序管理器通过JDBC驱动程序与数据库进行连接[5]。

  MySQL的数据库为关系型,数据放在不同的表中,速率较快,MySQL已经可以开源获取。Android在Linux操作系统架下主要由操作系统(OS)、库(Libraries)和应用程序(APP)3个部分构成。其中操作系统有显示驱动(DisplayDriver)、Flash内存驱动(FlashMemoryDriver)、照相机驱动(CameraDriver)、音频驱动(AudioDriver)、Wifi驱动(CameraDriver)、键盘驱动(KeyBoardDriver)等。

  库(Libraries)使用C++语言编写。应用程序(APP)用JAVA语言编写。该系统将Android平台设置为监控模块、控制模块、报警模块。该系统手机端使用Android4.0。Src是该系统的源文件目录放置业务逻辑代码和相应的UI代码,使用Java语言编写,包括各种activity的实现。Gen目录下的文件全都是ADT自动生成的,定义了一个R.java文件,该文件相当于项目的字典,项目中用户界面、字符串、图片等资源都会在该类中创建一个唯一的ID,当该项目中使用到这些资源时,会通过ID得到相应资源的引用。

  Android4.0这个目录中存放的是该项目支持的jar包,同时还包含项目打包时需要的META-INF目录。Bin目录放置二进制文件,包括class、资源文件、dex、apk等。Res目录用于存放应用程序中经常使用的资源文件,其中包括图片、声音、布局文件以及参数描述文件等。

  3.2下位机主控

  下位机主控使用STM32F103RCT6单片机,开发工具使用keil4,编程语言使用C语言,程序烧录软件使用FlyMcu。在获得温湿度和CO2浓度上,当芯片内外设初始化以后,发送获取温湿度和CO2指令给传感器,得到传感器响应以后,校验传感器数据,校验成功以后保存和标记数据有效。如果得不到传感器响应,则再次发指令给传感器。

  多次得不到传感器响应,则标记当前传感器不存在,转而去查询其它编号的传感器。如果数据超过100%或者低于0,则认为不符合要求,温湿度超限,数据不被标记为有效。在数据的末尾,还加上CRC校验。CRC循环冗余校验是可靠的数据流校验方法之一。

  如果CRC16-CCITT校验失败,数据同样不会被标记为有效。在节点间通信方面,响应通信请求是通过UART中断方式实现的,所以在芯片初始化后的任何时刻,都可以进行通信响应,这个过程会打断其它事件。但无法打断其它中断,因为初始化中断优先级设置采用了默认设置,即所有中断同属于同一优先级。

  通信时,UART必须将一次性传输完,因为主控芯片STM32接收数据时,采用了流控方式,即数据是完整一帧作处理的,否则出现数据无效,需要重传的情况。同时,通信时,要求子节点在10s内响应父节点,避免父节点在没有及时收到数据时,再次发送重传指令。同样的,看门狗可能会使系统产生复位重启。

  4结论

  该研究开发的基于物联网Android平台的马铃薯贮藏环境远程调控系统,在Android手机上实现了远程无线监测与控制,而且一个用户名可以监控多个马铃薯窖,硬件成本较低,具有很高的性价比,在宁夏固原、海源、西吉等马铃薯窖内试验期间系统运行良好。该系统操作界面简单,控制方便,实时性好,远程控制反应灵敏,稳定性高,可以大大降低马铃薯贮藏期间因贮藏环境不良而造成的经济损失。

  参考文献

  [1]朱伟华,周文姝.基于4G技术的智能农业小气候检测系统[J].实验技术与管理,2016(4):15-17.

  [2]农业部办公厅农业部办公厅关于印发全国农业机械化专项发展规划的通知全国设施农业发展“十二五”规划(2011-2015年)[G].2011.

  [3]钟新平.基于单片机的温室大棚环境参数自动控制系统[D].南宁:广西大学,2011.

  [4]奚阳.Java程序运行时保护与监控技术研究[D].南京:南京大学,2008.

  [5]侯金彪,郭长友.基于Java的远程屏幕监控系统的设计研究[J].计算机工程与科学,2010,31(2):45-48.

  实验类刊物推荐:《实验技术与管理》是面向全国各级各类高等学校实验室的学术技术性期刊,1963年创刊,教育部主管,清华大学主办,月刊,每月20日出刊。是中国科技核心期刊、《CAJ-CD规范》执行优秀期刊、国内外公开发行、是高校实验室工作研究会会刊。收录我刊的国内媒体:国家科技部《中国科技论文统计源期刊》(中国科技核心期刊)、《中国学术期刊》(光盘版)、中国核心期刊(遴选)数据库、《万方数据资源系统数字化期刊群》、《中国期刊网》、《中国学术期刊综合评价数据库》、《中国期刊全文数据库》、《中文科技期刊数据库》、《中文电子期刊服务》、《中国学术期刊文摘》(中文版)。收录我刊的国外媒体:美国《剑桥科学文摘:材料信息》(CSA:MI,工程技术)、美国《化学文摘》(CA)。