基于Android的温室环境无线监控系统的设计与实现第3章.docx

基于Android的温室环境无线监控系统的设计与实现第3章.docx

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基于Android的温室环境无线监控系统的设计与实现第3章

第3章温室环境无线监控系统总体设计

上一章对温室监控系统进行了全面分析，提出了基于Android温室环境无线监控系统设计方案。

本章首先对该系统方案进行功能需求分析，然后给出系统的总体架构设计，最后对系统的监控终端和远程服务端进行详细设计。

3.1系统需求分析

3.1.1系统功能需求

系统主要目的是监控温室环境，通过温室内设备节点获取环境参数，分析数据，控制温室环境，实现温室的统一管理。

系统的功能需求分析如表3.1所示。

表3.1系统整体功能需求分析

功能需求

描述

数据采集端

ZigBee数据采集

采集温室环境信息，通过ZigBee网络发送到协调器

监控终端

数据处理

支持对串口传输来的温室环境数据进行读取、解析、封装

异常预警功能

具有数据分析能力，判断温室环境参数是否异常，针对不同情况监控终端采取不同调节措施，同时支持短信预警

数据上传

支持温室环境参数的上传

控制设备命令

支持接收远程服务端命令，通过监控终端发送命令控制设备

辅助功能

绘制曲线、显示数据、修改环境范围和控制设备状态

远程服务端

数据处理

接收监控终端的温室环境数据，并对数据进行存储

显示功能

支持温室数据的数据显示和曲线显示

存储和查询功能

支持对不同温室环境数据的存储，支持对各个温室数据查询功能

系统管理

支持传感器、温室调节设备基本信息的添加和删除功能，支持系统数据管理功能

根据上面系统的功能需求分析，在对系统进行设计时，系统需要实现以下功能：

1.数据采集端完成温室内的环境数据的采集。

2.监控终端支持数据的分析和处理，并分析温室的环境变化情况，当发现温室环境参数超过最高上限值或低于最低下限值时，监控终端启动对应的温室调节设备来调节温室环境，并实现数据的上传与预警功能。

3.远程服务端支持查看温室数据、查询历史数据、温室远程控制、温室信息管理功能。

3.1.2系统性能需求

在对系统进行设计时，除了要满足上述的功能，还要考虑到系统的实用性、可扩展性、可靠性等指标。

下面将详细介绍系统所要满足的各项指标。

1.实用性：

系统在设计时，需要对整个系统进行调试，设计需要符合实际要求，系统的设备安装也要具有方便性，因此系统的实用性是比较重要的。

2.实时性：

温室监控的主要目的是实时的监控温室内的环境变化，因此要求系统具有高效的实时性，预警信息能够及时的发送到监控人员手中，监控终端能及时的处理环境数据，并在温室环境异常时及时采取调节措施。

3.可靠性：

监控终端需要正确地接收数据、处理数据和发送预警信息，并能够可靠地上传数据。

4.可扩展性：

温室监控技术还在发展，为了满足系统能够添加新模块和子系统需求，在对温室监控系统进行设计的过程中，要充分考虑到系统的扩展性，满足不同需求。

5.系统易维护性：

系统在工作当中的维护应简单，在对系统进行维护时，无需过多维护工具。

3.2系统总体架构设计

3.2.1总体架构设计

上节对系统功能和性能的需求进行简要介绍，下面将详细介绍系统实施情况。

1.应用环境：

群环境温室种植基地。

2.主要目的：

监控温室内环境及农作物生长信息，管理温室信息。

3.主要任务和方式：

ZigBee节点采集温室环境数据，通过ZigBee网络传输到协调器[29]；监控终端通过串口接收ZigBee协调器传来的数据，对数据进行分析、处理、上传和执行相关操作；远程服务端负责温室数据的接收和相关温室信息的管理；远程监控设备（手机、电脑等）可以通过网络查看温室环境和实现温室管理，从而达到远程监控的效果。

4.主要使用技术：

ZigBee技术、无线通信技术、嵌入式开发技术、Web开发技术。

综合上述分析，系统的监控终端实现数据的采集、分析、处理、上传以及设备的控制功能，远程服务端实现温室信息的管理。

基于Android的温室环境无线监控系统的总体架构如图3.1所示。

图3.1温室环境无线监控系统总体架构图

如图3.1所示，系统主要由3个部分构成：

数据采集端、监控终端、远程服务端。

1.数据采集端：

温室内的传感器采集温室数据，通过ZigBee芯片转换数据格式，然后通过ZigBee无线传感器网络传输到ZigBee协调器[30]，同时实现温室内设备的控制。

2.监控终端：

主要实现与ZigBee协调器之间的通信，获取ZigBee节点传来的数据，通过比较对应的环境参数范围判断当前环境是否符合作物生长环境，并把数据上传到远程服务端。

当发现温室环境参数超出允许的范围，发送预警信息给监控人员，如果监控模式是离线状态时，发送控制指令给温室环境调节设备，从而控制相应设备调节温室环境。

3.远程服务端：

温室监控系统的数据中心和温室管理中心，主要实现温室信息的管理，包括数据接收、系统查询、系统管理。

移动设备可以通过网络查看温室信息。

3.2.2系统优势分析

在温室监控系统中，数据采集端采用ZigBee组成的无线传感器网络来实现数据采集。

使用ZigBee有以下优势：

1.技术优势：

ZigBee技术在低功耗方面具有无可比拟的优势，在低功耗模式下，普通的5号电池大约可以使用5-24个月甚至更长。

2.网状网络优势：

ZigBee有大规模的组网能力，每个网络节点能有60000个节点，而蓝牙组网能力差，每个网络最多有8个节点。

在传统的温室监控方案中，监控方式是不灵活的，监控人员需要时刻守在值班室。

当温室出现紧急情况时，如图3.2所示，当监控人员不在值班室期间，如果温室出现紧急情况而无人对温室内环境做出及时的控制和改变时，将会造成严重的损失。

图3.2传统温室监控方案缺点

由上述分析可知传统的温室监控系统是有缺陷的，不能满足随时随地监控温室需求。

针对传统温室监控系统的缺陷，本文提出的基于Android的温室无线监控系统方案可以通过手机、电脑、平板等设备随时随地监控温室环境，展示了该系统的移动性和便携性，该系统的数据采集端采用ZigBee无线组网方式把温室环境数据传输到监控终端，监控终端对数据分析和处理后，通过无线方式把数据上传到远程服务终端，避免了布线繁琐、维护代价大等缺陷。

监控人员可以不在监控中心也能查看温室内环境数据，同时能对温室紧急情况做及时处理。

远程服务端能够对温室信息进行统一的管理。

在开发难度方面，体现在温室环境数据采集方面，主要由ZigBee硬件来完成，其余均是常见的嵌入式开发和PC程序开发，系统稳定，开发难度适中。

3.3数据采集端设计

数据采集端是整个系统比较重要的部分，是由ZigBee节点组成的无线传感器网络，是一个子系统，负责对温室环境数据的采集[31]。

数据采集端的性能直接影响到整个系统的准确性和稳定性。

该部分包括传感器模块、ZigBee传输节点和ZigBee协调器，温室环境调节设备的控制器部分也在该子系统中，其数据采集端网络拓扑结构图如图3.3所示。

图3.3数据采集端网络拓扑结构图

在一个ZigBee网络中，通常需要一个ZigBee网络协调器，即ZigBee的汇聚节点，主要功能是发送数据和接收数据。

ZigBee协调器是ZigBee无线传感器网络的维护者，同时也是数据传输的枢纽。

建立ZigBee无线传感器网络的第一步就是先建立协调器，然后终端节点或者路由器节点向协调器发送加入网络的请求，路由器和终端节点也要做相关的协议设置。

ZigBee芯片将收集到的温室数据转换成能在传感器网络中传输的数据格式，然后通过路由器传输到协调器，协调器再通过串口模块把数据传输到监控终端[32]，路由器节点在无线传感器网络中起转发作用。

带有温室环境调节设备控制器的ZigBee节点直接连接到ZigBee协调器，温室环境调节设备控制器，即串口继电器，通过控制继电器的开与合来控制温室设备，从而调节温室环境。

3.4监控终端设计

3.4.1终端总体设计

监控终端在整个系统中起到重要作用，负责对监控终端所在的温室进行监控，实现温室数据的采集、分析和处理，并把数据传输到远程服务端。

当发现温室环境变异时，执行相应的操作来控制温室环境。

监控终端同时要接收远程服务端传来的控制命令，实现远程监控功能，因此监控终端可以看作是数据采集端和远程服务端的桥梁。

根据系统的整体需求分析以及系统总体框架设计，给出监控终端的总体设计框图，如图3.4所示。

监控终端主要分为系统层和硬件层，硬件层主要由3G数据通信模块、串口接口模块以及一些外围的辅助功能模块，温室数据通过串口获取ZigBee协调器传来的温室数据，3G通信模块负责传输温室数据。

驱动层主要是起到连接硬件层的作用，Service层主要是提供API接口供Applications层来调用，Applications层是来完成监控终端的程序设计，包括完成从串口接收温室数据并对数据进行分析、处理和上传等功能。

图3.4监控终端总体设计框图

3.4.2终端主芯片硬件选型

根据系统需求分析和监控终端的总体设计，可以总结出监控终端的芯片需要满足以下几个要求：

1.处理能力强：

系统需要处理大量的温室环境参数数据，因此监控终端的主芯片要求有很强的处理能力。

2.外围接口丰富：

监控终端需要一些外围的辅助模块来完成系统的功能，考虑到系统的扩展，主芯片的外围接口必须丰富。

3.低功耗：

在某些情况下，监控终端需要处于移动工作状态，由于终端采用锂电池供电，电池的容量有限，因此在断电的情况下，为了保证终端尽可能久的继续工作，主芯片需要有低功耗特性。

4.体积小：

监控终端需要安装在开关柜等设备内部使用，因此设备占用空间小。

5.开发简单。

目前应用于嵌入式的核心芯片比较多，有ARM（Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages，精简指令集计算机）、PowerPC、MIPS等多个系列，综合上面的分析，监控终端的核心芯片采用三星公司生产的S5PV210核心板，其外围接口非常丰富。

S5PV210采用了ARMCortexTM-A8内核和ARMV7指令集，该芯片具有低功耗、高性能等特点，运行主频可达1GHz。

该主芯片采用64/32位内部总线结构，32/32KB的数据/指令一级缓存，512KB的二级缓存，内置PowerVRSGX540高性能图形引擎，支持流畅的2D/3D图形加速。

该芯片也支持强大的硬件编解码功能，内建MFC，支持MPEG-1/2/4、H.263、H.264等格式视频的编解码，支持模拟/数字TV输出[33]。

该主芯片能够满足监控终端的功能需求，在以后能够进行二次开发。

为了节省成本，主芯片提供的外围接口非常丰富，包括ICC总线接口、USB（UniversalSerialBus，通串线）接口、USBOTG、CameraInterface等[34]。

芯片的强大处理功能和丰富的外围接口保证了终端的高效性，因此选用S5PV210作为主处理器。

3.4.3终端操作系统选择

1.主流嵌入式操作系统比较

目前市场上比较流行的嵌入式操作系统有Linux、WindowsCE、PalmOS和Android等。

操作系统直接操作硬件并为开发者提供一些接口来开发应用程序，可以看出操作系统是硬件和应用程序之间的桥梁，因此选择一个适合终端的操作系统是非常必要的，可以保证整个系统的安全性和稳定性。

根据成本、功耗、界面友好性、可移植的复杂度等方面来选择适合的嵌入式操作系统。

如表3.2所示是对几个嵌入式操作系统进行的比较。

表3.2几种主流嵌入式系统比较

嵌入式系统类型

优点

缺点

Android

界面友好、开源、选择多样性、丰富的硬件选择，充分利用linux系统特性[35]

应用程序开发简单，系统层开发难

WindowsCE

界面友好，windows系统兼容，有较好的通信能力

应用程序多，难开发

Linux

开源，