溫室巡航機器人APP.pdf

收稿日期 基金項目 大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目 DC 第一作者簡介 李 熒 女 本科生 主要從事軟件工程方面的研究 m i 6 6 6 com 通訊作者 谷志新 女 副教授 博士 主要研究方向為信息技術應用 m i gz ne u edu cn 第 卷 第 期 年 月 林業(yè)機械與木工設備 FOR STR C R 線性回歸 nd oid 監(jiān)控 中圖分類號 TP 文獻標識碼 文章編號 Greenhouse Cruise Robot APP LI Ying GU Zhi xin GAO An ni LI Yu ang ZHAO Ji cong LIU Dong xu Co ege o n o m ion nd Com u e nginee ing o e s Fo es y Unive si y bin ei ong i ng C in Abstract n in e igen c uise obo i i e ess WiFi b sed video cquisi ion modu e s e co e s designed nd deve o ed i duino o en sou ce d e b em e u e senso modu e nd mo o d ive s e b s ic modu es i mobi e PP u i ized o con o e g een ouse moni o ing sys em T is sys em s e ized em e u e moni o ing ven i ion video moni o ing nd o e unc ions b e king oug e di ion g icu u g een ouse m n gemen mode ic c n im ove e yie d o c o s oug ccu e con o o e envi onmen ibe e e bo o ce nd void cumbe some i ing ob ems u y e izing in e igen m n gemen T e sys em is m in y c c e ized by e sy o e ion e sy deve o men good s bi i y o cos nd e sy o u iz ion nd omo ion Key words g een ouse c uise obo PP ine eg ession nd oid moni o ing 近年來 隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高 機 械化 智能化在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域的地位日益突出 對溫 室的生產(chǎn)需求逐年上升 我國的棚式種植面積從建 國初期的不足 億 m 到如今的 億 m 穩(wěn)居世 界首位 雖然在種植面積上我國處于領先地位 但 在棚式的信息化 智能化方面 我國的發(fā)展速度卻較 為緩慢 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個受地域 氣候影響的產(chǎn)業(yè) 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚的出現(xiàn)可以給農(nóng)作物提供適應的生長 環(huán)境 但仍存在管理難度大 生產(chǎn)效率低等問題 難 以適應經(jīng)濟社會的發(fā)展 就我國溫室技術整體水平 較低來看 種植者如果擁有一款智能設備 就能有效 降低溫室作業(yè)的人力成本 提高生產(chǎn)效率 減少監(jiān)控 難度 因此 推進現(xiàn)代溫室農(nóng)業(yè)的智能化變得越來 越重要 第 期李 熒 等 溫室巡航機器人 PP 本項目擬設計開發(fā)一款基于無線W F 視頻采 集模塊為核心的智能巡航機器人控制 PP 利用手 機 PP控制溫室監(jiān)測系統(tǒng) 該系統(tǒng)實現(xiàn)了大棚內(nèi)的 溫度監(jiān)測與控制 通風視頻監(jiān)控功能和對室內(nèi)溫濕 度變化的預測等功能 打破傳統(tǒng)管理模式 通過對環(huán) 境的準確控制提高產(chǎn)量且解放勞動力 同時避免繁 瑣的布線問題 真正實現(xiàn)智能化管理 本項目研究的主要內(nèi)容是基于 nd oid平臺的 溫室巡航機器人 PP軟件系統(tǒng)界面和功能的設計 包括以下幾個方面 通過對利用機器人進行農(nóng)業(yè)大棚管理嵌入 式控制系統(tǒng)的研究 確定本項目涉及的基于 nd oid 平臺的溫室巡航機器人 PP系統(tǒng) 對該軟件的功能需求及設計進行分析 以及 對 PP軟件中各個功能模塊和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行設 計 并完成系統(tǒng)的整體方案設計 針對溫室大棚巡航機器人收集的數(shù)據(jù) 建立 相應的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)并對其進行存儲 其中包括土壤 的溫濕度 空氣的溫濕度 CO 濃度 光照強度等信 息 同時還包括用戶注冊的個人信息 完成基礎功能的建設后 進行系統(tǒng)測試并得出 結論 在移動端完成以上功能 方便遠程數(shù)據(jù)的記錄 和查詢 以及遠程視頻信息的查看等功能 以得到適 宜于溫室栽種農(nóng)作物生長的環(huán)境 PP功能 本項目設計的 PP主要應用于日光溫室 其功 能主要包括信息采集 數(shù)據(jù)管理 遠程控制和信息發(fā) 布等 通過以上功能的開發(fā) 實現(xiàn)了信息采集 視頻 監(jiān)控 設備控制 溫度調(diào)控等功能集成 基于 nd oid平臺的溫室巡航機器人 PP軟件 系統(tǒng)界面和功能的設計 PP是直接面對農(nóng)戶的 是 整個系統(tǒng)的控制中心 所有的命令由農(nóng)戶通過該 PP發(fā)送 農(nóng)業(yè)大棚的實時狀態(tài)呈現(xiàn)在整個手機屏 幕中 農(nóng)戶通過視頻信息掌握到大棚的溫度情況 即 通過 PP可以控制機器人運動觀察大棚里面的每一 個角落 需要對大棚進行降溫時 通過 PP啟動鼓風 機進行降溫 用 PP對大棚進行全面智能指令控制 PP總體設計 溫室巡航機器人系統(tǒng)軟件程序 PP的設計主要 是根據(jù)研究內(nèi)容中確定的功能需求分別對數(shù)據(jù)庫 服務器以及客戶端進行設計與實現(xiàn) 2 1 數(shù)據(jù)庫設計 數(shù)據(jù)庫的設計與實現(xiàn)為系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)的存儲 格式以及為后續(xù)系統(tǒng)的調(diào)用邏輯奠定基礎 對數(shù)據(jù) 庫的設計可以分為對所需求表的設計及各表中字段 的設計 該設計需要具備對系統(tǒng)整體邏輯的充分了 解及對數(shù)據(jù)調(diào)用方式的深刻理解 2 2 服務器設計 服務器的設計與實現(xiàn)為系統(tǒng)的運行提供了良好 的支撐 為收集并存儲極為龐雜的環(huán)境數(shù)據(jù)奠定了 良好的基礎 2 3 客戶端設計 客戶端的設計主要從用戶角度出發(fā) 在實現(xiàn)所 需功能的基礎上還要盡可能地提高用戶體驗并簡化 代碼 提升運行速度 客戶端的設計與實現(xiàn)提供了 良好的人機交互功能 系統(tǒng)軟件設計框圖如圖 所示 系統(tǒng)框架設計 系統(tǒng)的架構設計原則應該滿足三點 一是滿足 系統(tǒng)的功能性需求和非功能性需求 這是軟件架構 設計時應該遵循的基本原則 也是一個軟件應該所 滿足的最基本的要求 二是具備實用性 軟件架構設 計不應該過分設計或者是定位太高 就像軟件系統(tǒng) 的使用必須具備實用性能夠解決客戶最需要解決的 問題一樣 三是應該滿足復用的要求 最大程度地提 高開發(fā)人員的工作效率 3 1 系統(tǒng)的技術性架構 為了滿足系統(tǒng)架構設計的基本原則 本系統(tǒng)采 用 C設計模式 C是一種軟件設計的典范 用 一種業(yè)務邏輯 數(shù)據(jù) 界面顯示分離的方法組織代 碼 將業(yè)務邏輯聚集到一個部件里面 在改進和個性 化定制界面及用戶交互的同時 不需要重新編寫業(yè) 務邏輯 C組件功能及其關系描述如圖 所示 在 nd oid應用的開發(fā)中 視圖層 ie 一般采 用 m 文件進行界面描述 控制層 Con o e 使用 c ivi y與業(yè)務邏輯層進行處理 原因是 c ivi y響應 時間為 s 程序容易被回收 模型層 ode 主要是 對數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡操作等做處理 事實上 在 nd oid SD 中的數(shù)據(jù)綁定也采用與 C框架類似的方法 林業(yè)機械與木工設備第 卷 在控制層按視圖和模型的要求封裝就可以在視圖模 型上顯示 以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)綁定 nd oid移動終端 與后端的交互采用了 so 調(diào)用WCF服務的交互 方式 此外 本系統(tǒng)的開發(fā)采用了 語言 它具有 下列優(yōu)點 簡單 面向對象 分布式 解釋執(zhí)行 魯棒 安全 體系結構中立 可移植 高性能 多線程以及動 態(tài)性 圖1 系統(tǒng)軟件設計框圖 圖2 C組件功能及其關系描述 第 期李 熒 等 溫室巡航機器人 PP 3 2 nd oid的系統(tǒng)架構 本設計架構遵循 nd oid系統(tǒng)的架構設計原則 并著重在應用層進行了設計與開發(fā) nd oid操作 系統(tǒng)和其他操作系統(tǒng)一樣 采用分層架構 nd oid 系統(tǒng)架構如圖 所示 nd oid分為四層 由高到低 分別為應用程序層 應用程序框架層 系統(tǒng)運行庫層 和 inu 核心層 應用程序層由 v 語言編寫 與用戶直接交互 例如 手機上的短信 撥號 瀏覽器 日歷等程序 以 及開發(fā)人員開發(fā)的其他應用程序 應用程序框架層提供 PP開發(fā)時所需要的相關 類庫 使開發(fā)人員可以快速地開發(fā)應用程序 方便重 用組件 也可以通過繼承實現(xiàn)個性化的拓展 例如 常用軟件都會用到的框架 活動管理器 c ivi y n ge 窗口管理器 Windo s n ge 內(nèi)容提供 器 視圖 通知管理器 包管理器 資源管理器 位置 管理器 電話管理器 PP服務等 圖3 nd oid系統(tǒng)架構 PP實現(xiàn) 4 1 棚內(nèi)溫 濕度檢測與控制的實現(xiàn) 太陽輻射是大棚溫度的主要熱量來源 但由于 大棚的密閉性 其內(nèi)部溫度相較于露地也有所不同 不同時段的溫度也會有所差異 到 月 棚內(nèi)溫度會 到達 月 6月會到達 如果不及時釋放 熱量會對作物產(chǎn)生極大影響 月 月溫度會到達 頂峰 這時就必須更改大棚設施來控制溫度 所以通 過歷史 天的溫度來預測溫度是十分必要的 而且溫度變化比較符合線性回歸模型 線性回歸模 型如圖 所示 在實時檢測系統(tǒng)溫 濕度情況的基礎上 定時更 新相應的溫 濕度變化表格變化 基于線性回歸算 法 考慮不同時間下的光照 二氧化碳濃度 氧氣濃 度對未來某一節(jié)點的溫 濕度進行預測 實現(xiàn)智能 化的預測 友好地提示農(nóng)戶進行澆水 通風 調(diào)節(jié)光 照等操作 實現(xiàn)棚內(nèi)問題的預測 使棚內(nèi)的管理更 加智能 林業(yè)機械與木工設備第 卷 圖4 線性回歸模型 4 2 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn) 建立以溫室數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 儲存產(chǎn) 生所需要的信息 如用戶信息 溫室大棚環(huán)境信息 等 完成數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)追溯等功能 數(shù)據(jù)庫總體 R圖如圖 所示 4 3 客戶端與服務器通信實現(xiàn) 服務器需與巡航機器人 傳感器 數(shù)據(jù)庫及客戶 端進行交互 其中數(shù)據(jù)表與接口間的交互采用 DBC 實現(xiàn) 服務器與數(shù)據(jù)庫之間的交互主要是增 刪 改 查操作 其余交互方式均為請求 響應模式 客戶端與服務器端的通信主要是客戶端通過 TTP協(xié)議向服務器端發(fā)出請求 服務器端向客戶端 發(fā)送 son格式的返回信息 客戶端的主要任務是解 析 son格式的信息以獲取服務器端發(fā)送的數(shù)據(jù) 服 務器端總體設計如圖6所示 圖5 數(shù)據(jù)庫總體 R圖 系統(tǒng)測試與分析 5 1 系統(tǒng)性能測試與分析 主要測試系統(tǒng)具備根據(jù)用戶登錄時填寫用戶名 及密碼狀況分別彈出提示的功能 考慮到用戶在未 填寫用戶名或密碼時并不需要再詳細分情況提示 當用戶名填寫錯誤或密碼填寫錯誤時用戶不易分 辨 因此系統(tǒng)主要將其分為三種情況進行判斷 未輸 入用戶名或密碼 用戶名錯誤 密碼錯誤 并根據(jù)情 況分別彈出To s 提示 請輸入用戶名密碼 該用 戶不存在 及 密碼不正確 第 期李 熒 等 溫室巡航機器人 PP 圖6 服務器端總體設計 5 2 系統(tǒng)功能測試與分析 系統(tǒng)可針對溫室大棚巡航機器人收集的數(shù)據(jù) 建立相應的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對其進行存儲 其中包括土 壤的溫濕度 空氣的溫濕度 CO 濃度 光照強度等 信息 同時還包括用戶注冊的個人信息 方便遠程數(shù) 據(jù)的記錄和查詢 以及遠程視頻信息的查看等功能 以得到適宜于溫室栽種農(nóng)作物生長的環(huán)境 系統(tǒng)可實現(xiàn)對環(huán)境因素的感知控制 包括自動 巡航 通風視頻監(jiān)控 控制機器人移動 控制鼓風機 等功能 同時可實現(xiàn)對溫 濕度的檢測與控制 包括 溫度檢測 生成溫度變化圖像 預測澆水時間等功 能 PP頁面如圖 所示 6 總結與期望 經(jīng)過研究與開發(fā) 溫室大棚巡航機器人 PP未 來的大范圍推廣使用將實現(xiàn)大棚內(nèi)的溫度監(jiān)測與控 制 通風視頻監(jiān)控功能和對室內(nèi)溫濕度變化的預測 等功能 打破傳統(tǒng)管理模式 通過對環(huán)境的準確控制 提高產(chǎn)量解放勞動力 同時避免繁瑣的布線問題 真 正實現(xiàn)智能化管理 但系統(tǒng)仍存在以下不足 系統(tǒng)運行過程中 如果出現(xiàn)網(wǎng)絡連接問題 TTP請求就會拋出異常 這些異常可能會導致系統(tǒng) 無響應或強制關閉等現(xiàn)象 降低用戶體驗 可以細化對設備及傳感器的操作 以滿足更 多科研需求 參考文獻 曹起武 基于云計算的農(nóng)業(yè)機器人路徑規(guī)劃與實時定位研 究 農(nóng)機化研究 C udio U e Rod igo eod Deve o men o vi u e i y simu o o s egy o coo din ing coo e ive m ni u o o bo s using c oud com u ing Robo ics nd u onomous Sys ems 6 秦琳琳 馬國旗 儲著東 等 基于灰色預測模型的溫室溫濕度 系統(tǒng)建模與控制 農(nóng)業(yè)工程學報 6 S 于珊珊 張建軍 李為民 等 農(nóng)業(yè)機器人并聯(lián)視覺云臺研究 農(nóng)業(yè)機械學報 6 林業(yè)機械與木工設備第 卷 圖7 PP頁面 iguo Dong Dong iguo v un o Rese c on ndoo P o Ro bo oc ion b sed on BP eu e o k OP Con e ence Se ies nd nvi onmen Science 6 6 C udio U e Rod igo eod Deve o men o vi u e i y simu o o s egy o coo din ing coo e ive m ni u o o bo s using c oud com u ing Robo ics nd u onomous Sys ems 6 羅黨 王小雷 孫德才 等 含時間周期項的離散灰色DG T 模型及其應用 系統(tǒng)工程理論與實踐 6 李國輝 農(nóng)業(yè)機器人避障路徑智能規(guī)劃研究 農(nóng)機化研究 6 潘力 高偉強 劉建群 等 基于云計算的噴涂機器人遠程監(jiān)控 診斷系統(tǒng)的研究 組合機床與自動化加工技術 6 王飛濤 樊春春 李兆東 等 機器人在設施農(nóng)業(yè)領域應用現(xiàn)狀 及發(fā)展趨勢分析 中國農(nóng)機化學報 呂照民 周革 苗晨 基于自適應主成分分析的化工過程在線 監(jiān)測 鄭州大學學報 工學版 責任編輯王琦 行業(yè)內(nèi)外 6