摘要：為了便于用戶實(shí)時(shí)掌握和控制馬鈴薯貯藏的環(huán)境信息，解決窖內(nèi)環(huán)境檢測(cè)不方便及環(huán)境調(diào)控不及時(shí)等問題，課題組設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的馬鈴薯貯藏環(huán)境遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要監(jiān)控環(huán)境因素為馬鈴薯內(nèi)的空氣溫度、濕度和CO2濃度，主要控制設(shè)備為馬鈴薯窖內(nèi)的風(fēng)機(jī)、加熱器等設(shè)備。系統(tǒng)分為受控終端、網(wǎng)絡(luò)通信和用戶終端3個(gè)部分，其中受控終端為馬鈴薯窖內(nèi)的控制系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)通信通過GPRS實(shí)現(xiàn)，用戶終端為PC和Android操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)研究和實(shí)現(xiàn)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的貯藏環(huán)境遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，以期達(dá)到實(shí)時(shí)掌握和控制馬鈴薯窖內(nèi)溫度、濕度和CO2濃度。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);Android平臺(tái);智能監(jiān)控

　　馬鈴薯營養(yǎng)豐富，口味獨(dú)特，是我國及世界許多國家及地區(qū)人民喜愛的一種食物可鮮食，可進(jìn)行深加工制成淀粉，成為重要的化工原料，市場(chǎng)需求量巨大。近年來，隨著馬鈴薯市場(chǎng)的不斷發(fā)展，馬鈴薯貯藏?cái)?shù)量逐漸增加，貯藏時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，對(duì)貯藏環(huán)境的要求越來越高。而在我國北方地區(qū)，一般是采用地下式的貯藏窖。通風(fēng)和降溫大多依靠自然條件，有少許的貯藏窖設(shè)有風(fēng)機(jī)等設(shè)備，但是也由于人工使用不及時(shí)，馬鈴薯在貯藏期間經(jīng)常出現(xiàn)失水、長(zhǎng)芽、腐爛等現(xiàn)象[1]。

　　一般馬鈴薯貯藏的損失率達(dá)15%～25%，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)40%以上[2]。為了改變這種狀況，需要使用科學(xué)有效的貯藏方法，要遵循馬鈴薯的時(shí)期變化和環(huán)境變化的規(guī)律，采用相應(yīng)的調(diào)控措施以便提高馬鈴薯的貯藏質(zhì)量。

　　馬鈴薯是寧夏自治區(qū)重要經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物，也是西海固地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)來源，隨著寧夏優(yōu)勢(shì)特色馬鈴薯產(chǎn)業(yè)專家組針對(duì)寧夏地區(qū)馬鈴薯種植的研究和推廣，馬鈴薯得以在部分地區(qū)種植且產(chǎn)量不斷提高。現(xiàn)針對(duì)寧夏回族自治區(qū)馬鈴薯貯存情況，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的馬鈴薯儲(chǔ)藏環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制馬鈴薯窖內(nèi)的溫度、濕度和CO2濃度，通過Android手機(jī)APP或下位機(jī)控制箱控制窖內(nèi)風(fēng)機(jī)、加熱器等設(shè)備。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　該設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)和控制馬鈴薯窖內(nèi)的溫濕度、CO2濃度，需要實(shí)時(shí)掌握窖內(nèi)的環(huán)境因素，溫度過低或者濕度過低都將造成不可挽回的損失，因?yàn)閮鰝�和缺水是不可逆的，同時(shí)CO2影響馬鈴薯的糖分存儲(chǔ)。可操作性對(duì)于實(shí)際操作者來說非常重要，因操作者大多不常接觸這方面的設(shè)備，所以系統(tǒng)的操作應(yīng)盡量簡(jiǎn)單方便且安全。

　　因市面上Android手機(jī)占有率相當(dāng)高，所以該系統(tǒng)手機(jī)終端采用安卓系統(tǒng)。針對(duì)沒有Android手機(jī)的用戶，可以通過電腦端進(jìn)行登錄和控制。該系統(tǒng)旨在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制馬鈴薯窖內(nèi)的環(huán)境信息從而避免不必要的損失，可通過下位機(jī)TFTVisual屏控制，也可在手機(jī)端或者電腦端控制。該系統(tǒng)由用戶終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、受控終端構(gòu)成，研究馬鈴薯窖內(nèi)的各種環(huán)境因素。

　　其中設(shè)備的受控端在馬鈴薯窖內(nèi)，其中包括下位機(jī)、溫濕度傳感器、CO2傳感器、加熱器、風(fēng)機(jī)等設(shè)備。基于單片機(jī)的環(huán)境信息采集模塊均勻分布放置在各個(gè)位置來收集不同位置的環(huán)境信息。TFTVisual彩屏有顯示和觸控功能，可在手動(dòng)模式下控制外設(shè)設(shè)備。客戶端程序支持多終端運(yùn)行，下位機(jī)通過TFTVisual彩屏控制。Web端和Android手機(jī)端通過瀏覽器輸入網(wǎng)址，然后輸入賬號(hào)和密碼即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制馬鈴薯窖內(nèi)環(huán)境信息。

　　環(huán)境信息采集模塊、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、Web、Android系統(tǒng)和控制模板之間的聯(lián)系。下位機(jī)主控與信息采集模塊和控制面板通過485總線方式連接，與上位機(jī)通過GPRS通信。

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)硬件主要在下位機(jī)方面，其中主要包括下位機(jī)主控、信息采集模塊、溫濕度傳感、CO2傳感器、GPRS等。

　　2.1下位機(jī)主控制

　　下位機(jī)主控芯片采用STM32F103RCT6。信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換方面，信號(hào)電壓3.3V轉(zhuǎn)5V采用MAX3232收發(fā)器，差分信號(hào)電壓采用TTL轉(zhuǎn)RS-485模塊。電源電壓轉(zhuǎn)換方面，電源電壓5V轉(zhuǎn)3.3V采用AMS1117穩(wěn)壓器，電源電壓24V轉(zhuǎn)5V采用DM02模塊，電源電壓220VAC轉(zhuǎn)24V采用AC-DC電源模塊。

　　EL817光耦電阻控制24～220V繼電器。下位機(jī)主控制器放在馬鈴薯窖控制柜內(nèi)，是整個(gè)系統(tǒng)信息的中轉(zhuǎn)站，可以與實(shí)現(xiàn)和FTFVis-ual彩屏信息交互，同信息采集模塊使用485總線方式通信，同時(shí)上位機(jī)通過GPRS通信，通過24～220V繼電器控制風(fēng)機(jī)、加熱器等馬鈴薯窖內(nèi)外設(shè)設(shè)備。

　　2.2信息采集模塊

　　信息采集模塊采用STC12C5A60S2主控芯片，通信方面，經(jīng)過TTL轉(zhuǎn)RS-485模塊和其它設(shè)備通信。信息采集模塊同過485總線與下位機(jī)主控通信，通過TTL轉(zhuǎn)RS-485模塊與溫濕度傳感器和二氧化碳傳感器通信。

　　2.3GPRS

　　GPRS是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和下位機(jī)信息交互的橋梁，GPRS將從信息模塊收到的馬鈴薯窖內(nèi)環(huán)境信息傳輸基于STM32單片機(jī)的下位機(jī)，下位機(jī)將數(shù)據(jù)分析處理，經(jīng)過封裝后發(fā)至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中，這樣Web和手機(jī)APP客戶端可訪問服務(wù)器來了解馬鈴薯窖內(nèi)環(huán)境信息。同時(shí)，客戶端也可通過GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)給下位機(jī)單片機(jī)，從而控制風(fēng)機(jī)、加熱器等設(shè)備。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)過程：WG-8010GPRSDTU與下位機(jī)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對(duì)從單片機(jī)中讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后加至終端的TCP/IP協(xié)議棧中，通過GSMMODEM和GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與In-ternet網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器解析這數(shù)據(jù)并保存以便用戶讀取。接收數(shù)據(jù)的過程，WG-8010GPRSDTU將Internet網(wǎng)絡(luò)解析，讀取指令數(shù)據(jù)發(fā)給下位機(jī)單片機(jī)。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟程序分上位機(jī)、GPRS和下位機(jī)主控3個(gè)部分，其中上位機(jī)為Android系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，下位機(jī)包括主程序設(shè)計(jì)、信息采集模塊程序設(shè)計(jì)、控制面板程序設(shè)計(jì)、彩屏程序設(shè)計(jì)。

　　3.1Android設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)中遠(yuǎn)程服務(wù)中心主要向客戶端提供數(shù)據(jù)服務(wù)，并且接受和發(fā)送控制指令，雖然不具有控制功能，但是具有監(jiān)測(cè)、傳遞和管理功能，在系統(tǒng)屬于聚集數(shù)據(jù)最多，傳輸數(shù)據(jù)最密集的服務(wù)中心。一切數(shù)據(jù)和信息，以及控制指令都需要經(jīng)過遠(yuǎn)程服務(wù)中心的處理和管理。

　　所以其相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)單的Web服務(wù)器，主要由Java編寫的Web服務(wù)程序和一個(gè)MySQL數(shù)據(jù)庫組成，并通過Tomcat服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布。Web服務(wù)器程序使用Java語言編寫，在MyEclipse環(huán)境下開發(fā)。采用B/S3層架構(gòu)體系設(shè)計(jì)，主要包括瀏覽器、Web服務(wù)器、MySQL數(shù)據(jù)庫[3]。

　　服務(wù)器使用Tomcat，部署簡(jiǎn)單、易操作，擴(kuò)展性好，且Tomcat服務(wù)器已經(jīng)開源，在網(wǎng)上可以找到很多可供使用的版本。數(shù)據(jù)庫選用MySQL，這種數(shù)據(jù)控靈活性高，是關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，且也已經(jīng)開放源代碼。服務(wù)器使用Tomcat，部署簡(jiǎn)單、易操作，擴(kuò)展性好，且Tomcat服務(wù)器已經(jīng)開源，網(wǎng)上可以找到很多可供使用的版本。

　　服務(wù)器性能優(yōu)越且占用系統(tǒng)資源少，操作相對(duì)容易，運(yùn)行時(shí)把程序放到webapp里，打開startup即可自動(dòng)檢測(cè)到文件，但由于第一次的轉(zhuǎn)化問題，運(yùn)行會(huì)比較慢，但之后速度會(huì)大大增加并且穩(wěn)定。Tomcat本身就是一個(gè)性能強(qiáng)勁的服務(wù)器，開源更使其受到了更多研究者的認(rèn)可[4]。

　　由于馬鈴薯窖內(nèi)環(huán)境信息傳感器較多，很多數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行專家判定，所以需要把信息采集模塊的環(huán)境信息上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心。該系統(tǒng)使用MySQL，可以通過sql語言對(duì)JDBC和ODBC數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，ODBC的語言環(huán)境為C語言移植性較差，而JDBC本身就是由Java編寫而成無需將ODBC轉(zhuǎn)化，所以采用JDBC驅(qū)動(dòng)程序管理器通過JDBC驅(qū)動(dòng)程序與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接[5]。

　　MySQL的數(shù)據(jù)庫為關(guān)系型，數(shù)據(jù)放在不同的表中，速率較快，MySQL已經(jīng)可以開源獲取。Android在Linux操作系統(tǒng)架下主要由操作系統(tǒng)(OS)、庫(Libraries)和應(yīng)用程序(APP)3個(gè)部分構(gòu)成。其中操作系統(tǒng)有顯示驅(qū)動(dòng)(DisplayDriver)、Flash內(nèi)存驅(qū)動(dòng)(FlashMemoryDriver)、照相機(jī)驅(qū)動(dòng)(CameraDriver)、音頻驅(qū)動(dòng)(AudioDriver)、Wifi驅(qū)動(dòng)(CameraDriver)、鍵盤驅(qū)動(dòng)(KeyBoardDriver)等。

　　庫(Libraries)使用C++語言編寫。應(yīng)用程序(APP)用JAVA語言編寫。該系統(tǒng)將Android平臺(tái)設(shè)置為監(jiān)控模塊、控制模塊、報(bào)警模塊。該系統(tǒng)手機(jī)端使用Android4.0。Src是該系統(tǒng)的源文件目錄放置業(yè)務(wù)邏輯代碼和相應(yīng)的UI代碼，使用Java語言編寫，包括各種activity的實(shí)現(xiàn)。Gen目錄下的文件全都是ADT自動(dòng)生成的，定義了一個(gè)R.java文件，該文件相當(dāng)于項(xiàng)目的字典，項(xiàng)目中用戶界面、字符串、圖片等資源都會(huì)在該類中創(chuàng)建一個(gè)唯一的ID，當(dāng)該項(xiàng)目中使用到這些資源時(shí)，會(huì)通過ID得到相應(yīng)資源的引用。

　　Android4.0這個(gè)目錄中存放的是該項(xiàng)目支持的jar包，同時(shí)還包含項(xiàng)目打包時(shí)需要的META-INF目錄。Bin目錄放置二進(jìn)制文件，包括class、資源文件、dex、apk等。Res目錄用于存放應(yīng)用程序中經(jīng)常使用的資源文件，其中包括圖片、聲音、布局文件以及參數(shù)描述文件等。

　　3.2下位機(jī)主控

　　下位機(jī)主控使用STM32F103RCT6單片機(jī)，開發(fā)工具使用keil4，編程語言使用C語言，程序燒錄軟件使用FlyMcu。在獲得溫濕度和CO2濃度上，當(dāng)芯片內(nèi)外設(shè)初始化以后，發(fā)送獲取溫濕度和CO2指令給傳感器，得到傳感器響應(yīng)以后，校驗(yàn)傳感器數(shù)據(jù)，校驗(yàn)成功以后保存和標(biāo)記數(shù)據(jù)有效。如果得不到傳感器響應(yīng)，則再次發(fā)指令給傳感器。

　　多次得不到傳感器響應(yīng)，則標(biāo)記當(dāng)前傳感器不存在，轉(zhuǎn)而去查詢其它編號(hào)的傳感器。如果數(shù)據(jù)超過100%或者低于0，則認(rèn)為不符合要求，溫濕度超限，數(shù)據(jù)不被標(biāo)記為有效。在數(shù)據(jù)的末尾，還加上CRC校驗(yàn)。CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)是可靠的數(shù)據(jù)流校驗(yàn)方法之一。

　　如果CRC16-CCITT校驗(yàn)失敗，數(shù)據(jù)同樣不會(huì)被標(biāo)記為有效。在節(jié)點(diǎn)間通信方面，響應(yīng)通信請(qǐng)求是通過UART中斷方式實(shí)現(xiàn)的，所以在芯片初始化后的任何時(shí)刻，都可以進(jìn)行通信響應(yīng)，這個(gè)過程會(huì)打斷其它事件。但無法打斷其它中斷，因?yàn)槌跏蓟�中斷�?yōu)先級(jí)設(shè)置采用了默認(rèn)設(shè)置，即所有中斷同屬于同一優(yōu)先級(jí)。

　　通信時(shí)，UART必須將一次性傳輸完，因?yàn)橹骺匦酒琒TM32接收數(shù)據(jù)時(shí)，采用了流控方式，即數(shù)據(jù)是完整一幀作處理的，否則出現(xiàn)數(shù)據(jù)無效，需要重傳的情況。同時(shí)，通信時(shí)，要求子節(jié)點(diǎn)在10s內(nèi)響應(yīng)父節(jié)點(diǎn)，避免父節(jié)點(diǎn)在沒有及時(shí)收到數(shù)據(jù)時(shí)，再次發(fā)送重傳指令。同樣的，看門狗可能會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位重啟。

　　4結(jié)論

　　該研究開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺(tái)的馬鈴薯貯藏環(huán)境遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)，在Android手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)與控制，而且一個(gè)用戶名可以監(jiān)控多個(gè)馬鈴薯窖，硬件成本較低，具有很高的性價(jià)比，在寧夏固原、海源、西吉等馬鈴薯窖內(nèi)試驗(yàn)期間系統(tǒng)運(yùn)行良好。該系統(tǒng)操作界面簡(jiǎn)單，控制方便，實(shí)時(shí)性好，遠(yuǎn)程控制反應(yīng)靈敏，穩(wěn)定性高，可以大大降低馬鈴薯貯藏期間因貯藏環(huán)境不良而造成的經(jīng)濟(jì)損失。

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