CN102566558B - 基于Android平台的智能温室管理系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Android平台的智能温室管理系统及其方法，它包括多个移动管理终端、至少一个网关和与网关相应数量的WiFiDirect模块，各移动管理终端与WiFiDirect模块的上行通信端相连，WiFiDirect模块的下行通信端与对应的网关相连，网关与温室的摄像头、传感器以及被控温室设备双向连接。本发明能够实现使用手机、平板电脑或者ARM系统对温室环境和作物生长状况的图像及视频信息的远程实时采集，历史信息数据的曲线或表格显示，温室内外气象数据的比较和分析以及对温室内风机、移动喷灌、遮幕、天窗、灯光和加湿器等机构的远程控制，从而实现远程便携式的温室管理。

Description

基于Android平台的智能温室管理系统及其方法

技术领域

 本发明涉及移动通信和智能农业领域，具体地讲是一种基于Android平台的智能温室管理系统及其方法。

背景技术

目前，随着检测技术、现代通信技术与计算机技术的不断进步，现代农业朝自动化、网络化、智能化方向发展的趋势不可逆转，已经有一些将无线传感器网络和因特网等现代科技融合于一体的远程监测系统用于智能农业领域的研究。但是，由于其信息类型和通讯的复杂性，导致多数系统比较庞大，维护和管理较为复杂，且远程监测系统采用传统的计算机作为人机交互终端，对于缺乏专业技能的人有一定的难度，这些系统中远程监测都离不开因特网的覆盖，对于一些没有因特网覆盖的地区，铺设网络需要昂贵的投入，这些因素都制约了其适用范围；此外，还有一些嵌入式移动终端应用需要一台庞大的服务器，作为信息管理和网络中转的平台，而服务器本身造价昂贵，且维护复杂；另外，在现有的嵌入式管理系统的应用中，需要采用无线路由器等以太网接入设备作为网络基础设施，基于以上几点不足，本系统提出一种基于Android平台的智能温室管理系统。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出一种基于Android平台的智能温室管理系统及其方法；能够实现使用手机、平板电脑或者ARM系统对温室环境和作物生长状况的图像及视频信息的远程实时采集，历史信息数据的曲线或表格显示，温室内外气象数据的比较和分析以及对温室内风机、移动喷灌、遮幕、天窗、灯光和加湿器等机构的远程控制，从而实现远程便携式的温室管理。

本发明的技术方案是：

一种基于Android平台的智能温室管理系统，它包括多个移动管理终端、至少一个网关和与网关相应数量的WiFi Direct模块，所述的各移动管理终端均包括终端ARM处理器、终端WiFi Direct模块和基于SQLite机制的数据库，所述的网关包括终端ARM处理器和终端WiFi Direct模块，各移动管理终端作为智能温室管理系统的控制器通过终端WiFi Direct模块与WiFi Direct模块的上行通信信号端相连，WiFi Direct模块的下行通信信号端与对应的网关WiFi Direct模块相连，网关WiFi Direct模块通过PCI转USB的接口与网关ARM模块相连，网关与温室的摄像头、传感器以及被控温室设备双向连接。（WiFi Direct模块采用BCM43142，它是一款支持WiFi Direct技术的模块，该模块采用PCI接口，本系统需要对其接口类型转换成USB接口，才能在终端上使用。Wi-Fi Direct标准是指允许无线网络中的设备无需通过无线路由器即可相互连接。与蓝牙技术类似，这种标准允许无线设备以点对点形式互连，不过在传输速度与传输距离方面则比蓝牙有大幅提升。）

本发明的传感器包括光照传感器、CO₂传感器、空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器和土壤水分传感器中的任意多个。

本发明的被控温室设备包括风机、移动喷灌器、遮幕、天窗、灯光和加湿器中的任意多个。

本发明的管理系统还包括无线路由器，所述的移动管理终端还包括3G模块、WiFi 模块和蓝牙模块，所述的各移动管理终端通过3G模块与基站的上行通信信号端无线连接，基站的下行通信信号端通过英特网与对应网关相连，网关与温室的摄像头、传感器以及被控温室设备双向连接；所述的各移动管理终端通过WiFi 模块与无线路由器的上行通信信号端无线连接，无线路由器的下行通信信号端通过英特网与对应网关相连，网关与温室的摄像头、传感器以及被控温室设备双向连接；所述的各移动管理终端通过终端蓝牙模块与蓝牙模块的上行通信信号端相连，蓝牙模块的下行通信信号端与对应的网关蓝牙模块无线相连，网关与温室的摄像头、传感器以及被控温室设备双向连接。

一种基于Android平台的智能温室管理方法，应用基于Android平台的智能温室管理系统，它包括以下步骤：

（a）、用户采用移动管理终端通过WiFi、3G、蓝牙或者WiFi Direct的方式与网关进行通信，开启各传感器和摄像头；

（b）、传感器采集温室环境参数，包括温室内外的温度、湿度、露点、光照度、二氧化碳的相关信息，并通过摄像头采集温室的实时图像和视频；

（c）、温室的摄像头、传感器传输环境参数至网关，网关通过WiFi、3G、蓝牙或者WiFi Direct的方式与移动管理终端进行通信，接收来自终端的命令，网关对命令进行解析，进而控制温室内的被控温室设备，包括风机、移动喷灌器、遮幕、天窗、灯光和加湿器设备，调控温室环境状态。

本发明的方法具体包括以下步骤：

（a）、首先网关和移动管理终端分别进行程序的初始化，包括程序启动和与数据库的连接的操作，其中，网关运行TCP/IP协议的Server程序，移动终端运行Client程序，然后网关进入命令等待状态，此时，终端以socket client的方式向网关请求socket通信连接，当网关接收到连接请求后判断网络状态正常后向终端返回允许连接的应答信号，与此同时，返回所有温室可控机构的设备状态，而终端程序及时更新所有机构的状态，进而等待用户操作；

（b）、根据持有移动管理终端的用户选择的温室信息查询，室外气象信息查询或者实时图像视频信息查询的请求采用相应的策略：

对于温室信息查询和室外气象信息查询采用相应的命令头，并附加命令校验位发送至网关；

对于实时图像或视频请求采用如下策略：首先以socket client请求与socket server端建立基于UDP/IP协议的连接，等待网关的反馈，在正常情况接收到网关的允许连接应答之后发送图像或视频请求命令，等待实时视频流，网关对视频流进行压缩，并传输至终端，终端按照相应的方式解压显示图像或视频；

（c）、用户根据步骤b接收的信息进行相应的操作调整被控温室设备，采用移动管理终端发送控制命令至网关，网关对命令进行解析，进而控制温室内的被控温室设备，包括风机、移动喷灌器、遮幕、天窗、灯光和加湿器设备，调控温室环境状态。

本发明的管理过程中，移动管理终端通过心跳方式周期性的检查网络状态，如果发现网络异常，马上修复或请求网络重新连接。

本发明的有益效果：

（1）本发明可以使用手机或者平板电脑作为智能温室移动管理终端，也可以使用基于ARM内核的Android平台，相对于传统的计算机的远程监测和管理，更加便捷，将监测和控制融于一个终端，提高了温室管理的智能化、便携化水平。

（2）在近距离情况下，采用WiFi Direct技术或者蓝牙，在没有传统网络设备如无线路由器的情况下依然能够通过无线方式管理温室，在传统网络出现故障的时候依然可以正常使用系统。

（3）本发明的多种网络制式的同时支持保障了智能温室移动管理终端的广泛适用性和稳定性，比如在某些没有覆盖因特网的地区，可以采用3G网络作为补充。

（4）本发明使用TCP/IP协议作为命令和数据的传输通道，UDP/IP协议作为图像和视频的传输通道。TCP/IP是一种面向连接的传输控制协议，它以传输速率为代价保证了命令和数据的传输质量，适用于数据和命令的传输；而UDP/IP不保证数据的可靠传输，但是它保证了数据传输额实时性，因此适用于图像和视频传输。两种传输协议互补，达到了网络负载和质量的平衡。

（5）本发明带校验的命令设计能够保证命令的高容错性，对于一些对温室环境因子较为敏感的作物，如果采用了不恰当的控制方式，会造成很大的损失，那么命令校验就能避免因网络不稳定或其它原因造成的命令出错。

（6）本发明中，将温室内部环境和外部环境进行分类对比，有助于用户决策的科学化，比如在某个时段，室外气温是30摄氏度，而室内气温是28摄氏度，而作物生长的适宜温度是25摄氏度，那么显然此时打开天窗的控制是不科学的，此时比较科学的方法是打开风机降温。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的流程图。

图3是本发明的移动管理终端的原理框图。

图4是本发明的网关的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种一种基于Android平台的智能温室管理系统，它包括多个移动管理终端（可以使用手机或者平板电脑作为智能温室移动管理终端，也可以使用基于ARM内核的Android平台）、至少一个网关和与网关相应数量的WiFi Direct模块，所述的各移动管理终端均包括终端ARM处理器、终端WiFi Direct模块和基于SQLite机制的数据库，所述的网关包括终端ARM处理器和终端WiFi Direct模块，各移动管理终端作为智能温室管理系统的控制器通过终端WiFi Direct模块与WiFi Direct模块的上行通信信号端相连，WiFi Direct模块的下行通信信号端与对应的网关WiFi Direct模块相连，网关WiFi Direct模块通过PCI转USB的接口与网关ARM模块相连，网关与温室的摄像头、传感器以及被控温室设备双向连接。（WiFi Direct模块采用BCM43142，它是一款支持WiFi Direct技术的模块，该模块采用PCI接口，本系统需要对其接口类型转换成USB接口，才能在终端上使用。Wi-Fi Direct标准是指允许无线网络中的设备无需通过无线路由器即可相互连接。与蓝牙技术类似，这种标准允许无线设备以点对点形式互连，不过在传输速度与传输距离方面则比蓝牙有大幅提升。）

一种基于Android平台的智能温室管理方法，应用基于Android平台的智能温室管理系统：

在3G和WiFi网络模式下，网关运行基于socket server的程序，等待客户端连接，终端运行socket client的程序，此时网关会向终端返回所有可控机构的状态，等待终端用户操作。此时终端可以有以下几种操作：一，查询某个温室的温度、湿度、露点、光照强度、二氧化碳浓度等信息，并录入数据库，进而显示给用户；二，读取某个温室的实时图像和视频并显示，此时终端自动切换通信协议至UDP/IP，以保障数据的快速传输；三，读取室外气象信息，并自动录入；四，将温室内和室外的气象信息进行分类对比并显示给用户；五，根据温室内和室外的气象状况做出控制决策，发送至服务器，并等待控制反馈信息；六，查询温室的历史数据，便于观察近期的作物生长环境参数。根据终端用户的上述操作，网关需要进行命令头和命令的解析并进行校验，进而采用相应的数据反馈、视频传输或者命令执行机制。

在蓝牙模式下，终端开启蓝牙模式，通过蓝牙运行程序与网关建立连接，连接正常后可以进行数据查询和发送控制指令。

在WiFi Direct模式中，网关等待，终端需运行Android 4.0以上的软件包android.net.wifi.p2p里面的网络初始化函数，然后可以采用基于C/S模式的网络连接方式。

如图2所示的流程图中，首先网关和终端分别进行程序的初始化，包括程序启动和与数据库的连接等操作，其中，网关运行TCP/IP协议的Server程序，移动终端运行Client程序，然后网关进入命令等待状态，此时，终端以socket client的方式向网关请求socket通信连接，当网关接收到连接请求后判断网络状态正常后向终端返回允许连接的应答信号，与此同时，返回所有温室可控机构的设备状态，而终端程序及时更新所有机构的状态，进而等待用户操作，根据终端用户选择的温室信息查询，室外气象信息查询或者实时图像视频信息查询等请求采用不同的策略，比如，对于温室信息查询和室外气象信息查询采用不同的命令头，并附加命令校验位发送至服务器，而对于实时图像或视频请求则采用如下的策略：首先以socket client请求与socket server端建立基于UDP/IP协议的连接，等待网关的反馈，在正常情况接收到网关的允许连接应答之后发送图像或视频请求命令，等待实时视频流，网关采用H.264方式对视频流进行压缩，并传输至终端，终端按照相应的方式显示图像或视频。此外，在程序运行中，终端程序需要通过心跳方式周期性的检查网络状态，如果发现网络异常，马上修复或请求网络重新连接，以保证数据交换的准确性。

系统功能说明：

（1）温室环境信息查询功能。当用户选择了3，Client端程序2向Server端1发送获取温室内环境信息的命令，Server端1收到此命令后，将进行命令校验，确认命令传输正确后启动传感器簇9，将获取的数据以温室内环境信息的数据类别发送给终端2，终端2进而将信息显示出来。

（2）历史数据查询。当用户选择了功能4，Client端程序2会连接数据库，将预录的温室环境信息以表格或者曲线的形式分类显示出来。

（3）图像信息及视频信息。当用户选择了功能5，Cleint程序2会向Server端1发送切换连接至UDP/IP的请求，若Server端1确认UDP/IP可用，将向Client端2返回准许连接的应答信号，这样，UDP/IP通道已经打通，进而Client端2会向Server端1发送请求图像或者视频信息的命令，Server端1收到此命令后会对命令进行校验，确认命令正确后启动摄像头10，然后对图片进行直接转发，对于视频流将进行基于H.264算法的压缩，进而以反向链路向Client端2返回视频流，Client端2收到视频流后对视频做预处理后显示。

（4）室外气象站与室内环境信息的同时获取。当用户选择了功能6，Client端2会向Server端1发送同时请求室外和室内环境信息的命令，然后Server端1接收到命令之后会对命令进行校验，确认无误后将同时启动室外气象站8和室内传感器簇9，将信息分类之后以对应的数据类型返回至终端2，Client端2接收到此信息后会对信息进行分类并显示出来。

（5）控制功能的实现。当用户选择了功能7，Client端2会按照设备编号表和逻辑控制状态向Server端1发送相应设备的控制指令，进入等待控制结果的任务队列中，Server端1在收到控制指令后会对命令进行校验确认无误后对命令进行解析，具体是查询设备编号表和按照逻辑控制状态，控制相应的设备，然后Server端1会向Client端2返回控制结果。

（6）网络制式的选择。当用户选择了WiFi Direct连接，首先Server端1的控制器会通过PCI转USB的接口驱动与BCM43142图中13通信，进而驱动BCM43142正常工作，然后等待点对点的WiFi Direct连接，Client端2会通过WiFi Direct协议请求直接连接至Server端，Server端收到点对点WiFi Direct连接请求后回请求验证信息，在客户端发送了正确的验证码后会收到Server端的允许连接的应答，伴随有Server端返回的自己的身份信息，在身份信息确认无误后会与Server端连接起来，进而进行通信。如果采用了除WiFi Direct方式之外的其它制式进行网络连接，则需要通过路由器等网络设备互相连接。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种基于Android平台的智能温室管理方法，其特征是它包括以下步骤：

（a）、用户采用移动管理终端通过WiFi、3G、蓝牙或者WiFi Direct的方式与网关进行通信，开启各传感器和摄像头；

首先网关和移动管理终端分别进行程序的初始化，包括程序启动和与数据库的连接的操作，其中，网关运行TCP/IP协议的Server程序，移动终端运行Client程序，然后网关进入命令等待状态，此时，终端以socket client的方式向网关请求socket通信连接，当网关接收到连接请求后判断网络状态正常后向终端返回允许连接的应答信号，与此同时，返回所有温室可控机构的设备状态，而终端程序及时更新所有机构的状态，进而等待用户操作；

（b）、传感器采集温室环境参数，包括温室内外的温度、湿度、露点、光照度、二氧化碳的相关信息，并通过摄像头采集温室的实时图像和视频；

根据持有移动管理终端的用户选择的温室信息查询，室外气象信息查询或者实时图像视频信息查询的请求采用相应的策略：

对于温室信息查询和室外气象信息查询采用相应的命令头，并附加命令校验位发送至网关；

对于实时图像或视频请求采用如下策略：首先以socket client请求与socket server端建立基于UDP/IP协议的连接，等待网关的反馈，在正常情况接收到网关的允许连接应答之后发送图像或视频请求命令，等待实时视频流，网关对视频流进行压缩，并传输至移动管理终端，移动管理终端按照相应的方式解压显示图像或视频；

（c）、温室的摄像头、传感器传输环境参数至网关，网关通过WiFi、3G、蓝牙或者WiFi Direct的方式与移动管理终端进行通信，接收来自终端的命令，网关对命令进行解析，进而控制温室内的被控温室设备，包括风机、移动喷灌器、遮幕、天窗、灯光和加湿器设备，调控温室环境状态；

用户根据步骤b接收的信息进行相应的操作调整被控温室设备，采用移动管理终端发送控制命令至网关，网关对命令进行解析，进而控制温室内的被控温室设备，包括风机、移动喷灌器、遮幕、天窗、灯光和加湿器设备，调控温室环境状态。

2.根据权利要求1所述的基于Android平台的智能温室管理方法，其特征是在管理过程中，移动管理终端通过心跳方式周期性的检查网络状态，如果发现网络异常，马上修复或请求网络重新连接。

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