温室巡航机器人APP

，高安妮，宇昂，赵继丛，刘东旭

(东北林业大学信息与计算机工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

近年来，随着我国农业生产水平的不断提高，机械化、智能化在农业生产领域的地位日益突出，对温室的生产需求逐年上升。我国的棚式种植面积从建国初期的不足2亿hm2到如今的98亿hm2，稳居世界首位。虽然在种植面积上我国处于领先地位，但在棚式的信息化、智能化方面，我国的发展速度却较为缓慢。农业生产是一个受地域、气候影响的产业，传统农业大棚的出现可以给农作物提供适应的生长环境，但仍存在管理难度大、生产效率低等问题，难以适应经济社会的发展。就我国温室技术整体水平较低来看，种植者如果拥有一款智能设备，就能有效降低温室作业的人力成本，提高生产效率，减少监控难度。因此，推进现代温室农业的智能化变得越来越重要。

本项目拟设计开发一款基于无线WIFI视频采集模块为核心的智能巡航机器人控制APP，利用手机APP控制温室监测系统。该系统实现了大棚内的温度监测与控制、通风视频监控功能和对室内温湿度变化的预测等功能，打破传统管理模式，通过对环境的准确控制提高产量且解放劳动力，同时避免繁琐的布线问题，真正实现智能化管理。

本项目研究的主要内容是基于Android平台的温室巡航机器人APP软件系统界面和功能的设计，包括以下几个方面：

(1)通过对利用机器人进行农业大棚管理嵌入式控制系统的研究，确定本项目涉及的基于Android平台的温室巡航机器人APP系统。

(2)对该软件的功能需求及设计进行分析，以及对APP软件中各个功能模块和数据库系统进行设计，并完成系统的整体方案设计。

(3)针对温室大棚巡航机器人收集的数据，建立相应的数据库系统并对其进行存储，其中包括土壤的温湿度、空气的温湿度、CO2浓度、光照强度等信息，同时还包括用户注册的个人信息。

完成基础功能的建设后，进行系统测试并得出结论，在移动端完成以上功能，方便远程数据的记录和查询，以及远程视频信息的查看等功能，以得到适宜于温室栽种农作物生长的环境。

1 APP功能

本项目设计的APP主要应用于日光温室，其功能主要包括信息采集、数据管理、远程控制和信息发布等。通过以上功能的开发，实现了信息采集、视频监控、设备控制、温度调控等功能集成。

基于Android平台的温室巡航机器人APP软件系统界面和功能的设计，APP是直接面对农户的，是整个系统的控制中心，所有的命令由农户通过该APP发送，农业大棚的实时状态呈现在整个手机屏幕中，农户通过视频信息掌握到大棚的温度情况，即通过APP可以控制机器人运动观察大棚里面的每一个角落，需要对大棚进行降温时，通过APP启动鼓风机进行降温，用APP 对大棚进行全面智能指令控制。

2 APP总体设计

温室巡航机器人系统软件程序APP的设计主要是根据研究内容中确定的功能需求分别对数据库、服务器以及客户端进行设计与实现。

2.1 数据库设计

数据库的设计与实现为系统提供了数据的存储格式以及为后续系统的调用逻辑奠定基础。对数据库的设计可以分为对所需求表的设计及各表中字段的设计，该设计需要具备对系统整体逻辑的充分了解及对数据调用方式的深刻理解。

2.2 服务器设计

服务器的设计与实现为系统的运行提供了良好的支撑，为收集并存储极为庞杂的环境数据奠定了良好的基础。

2.3 客户端设计

客户端的设计主要从用户角度出发，在实现所需功能的基础上还要尽可能地提高用户体验并简化代码，提升运行速度。客户端的设计与实现提供了良好的人机交互功能。系统软件设计框图如图1所示。

图1 系统软件设计框图

3 系统框架设计

系统的架构设计原则应该满足三点：一是满足系统的功能性需求和非功能性需求，这是软件架构设计时应该遵循的基本原则，也是一个软件应该所满足的最基本的要求；二是具备实用性，软件架构设计不应该过分设计或者是定位太高，就像软件系统的使用必须具备实用性能够解决客户最需要解决的问题一样；三是应该满足复用的要求，最大程度地提高开发人员的工作效率。

3.1 系统的技术性架构

为了满足系统架构设计的基本原则，本系统采用MVC设计模式。MVC是一种软件设计的典范，用一种业务逻辑、数据、界面显示分离的方法组织代码，将业务逻辑聚集到一个部件里面，在改进和个性化定制界面及用户交互的同时，不需要重新编写业务逻辑。MVC组件功能及其关系描述如图2所示。

图2 MVC组件功能及其关系描述

在Android应用的开发中，视图层(View)一般采用Xml文件进行界面描述；控制层(Controller)使用Activity与业务逻辑层进行处理，原因是Activity响应时间为5 s，程序容易被回收；模型层(Model)主要是对数据库和网络操作等做处理。事实上，在Android SDK中的数据绑定也采用与MVC框架类似的方法，在控制层按视图和模型的要求封装就可以在视图模型上显示，以此来实现数据绑定。Android移动终端与后端的交互采用了Ksoap2调用WCF服务的交互方式。

此外，本系统的开发采用了JAVA语言。它具有下列优点：简单、面向对象、分布式、解释执行、鲁棒、安全、体系结构中立、可移植、高性能、多线程以及动态性。

3.2 Android的系统架构

本设计架构遵循Android系统的架构设计原则，并着重在应用层进行了设计与开发。Android操作系统和其他操作系统一样，采用分层架构。Android系统架构如图3所示，Android分为四层，由高到低分别为应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和Linux核心层。

图3 Android系统架构

应用程序层由Java语言编写，与用户直接交互。例如，手机上的短信、拨号、浏览器、日历等程序，以及开发人员开发的其他应用程序。

应用程序框架层提供APP开发时所需要的相关类库，使开发人员可以快速地开发应用程序，方便重用组件，也可以通过继承实现个性化的拓展。例如，常用软件都会用到的框架：活动管理器(Activity Manager)、窗口管理器(Windows Manager)、内容提供器、视图、通知管理器、包管理器、资源管理器、位置管理器、电话管理器、XMPP服务等。

4 APP实现

4.1 棚内温、湿度检测与控制的实现

太阳辐射是大棚温度的主要热量来源，但由于大棚的密闭性，其内部温度相较于露地也有所不同，不同时段的温度也会有所差异，到4月，棚内温度会到达40 ℃，5月、6月会到达50 ℃，如果不及时释放热量会对作物产生极大影响，7月、8月温度会到达顶峰，这时就必须更改大棚设施来控制温度，所以通过历史7～14天的温度来预测温度是十分必要的，而且温度变化比较符合线性回归模型，线性回归模型如图4所示。

图4 线性回归模型

在实时检测系统温、湿度情况的基础上，定时更新相应的温、湿度变化表格变化。基于线性回归算法，考虑不同时间下的光照、二氧化碳浓度、氧气浓度对未来某一节点的温、湿度进行预测。实现智能化的预测，友好地提示农户进行浇水、通风、调节光照等操作。实现棚内问题的预测，使棚内的管理更加智能。

4.2 数据库实现

建立以温室数据为中心的数据库系统，储存产生所需要的信息，如用户信息、温室大棚环境信息等，完成数据分析、数据追溯等功能。数据库总体E-R图如图5所示。

图5 数据库总体E-R图

4.3 客户端与服务器通信实现

服务器需与巡航机器人、传感器、数据库及客户端进行交互，其中数据表与接口间的交互采用JDBC实现，服务器与数据库之间的交互主要是增、删、改、查操作，其余交互方式均为请求-响应模式。

客户端与服务器端的通信主要是客户端通过HTTP协议向服务器端发出请求，服务器端向客户端发送Json格式的返回信息。客户端的主要任务是解析Json格式的信息以获取服务器端发送的数据。服务器端总体设计如图6所示。

图6 服务器端总体设计

5 系统测试与分析

5.1 系统性能测试与分析

主要测试系统具备根据用户登录时填写用户名及密码状况分别弹出提示的功能，考虑到用户在未填写用户名或密码时并不需要再详细分情况提示，当用户名填写错误或密码填写错误时用户不易分辨，因此系统主要将其分为三种情况进行判断：未输入用户名或密码、用户名错误、密码错误，并根据情况分别弹出Toast提示：“请输入用户名密码”、“该用户不存在”及“密码不正确”。

5.2 系统功能测试与分析

系统可针对温室大棚巡航机器人收集的数据，建立相应的数据库系统对其进行存储，其中包括土壤的温湿度、空气的温湿度、CO2浓度、光照强度等信息，同时还包括用户注册的个人信息，方便远程数据的记录和查询，以及远程视频信息的查看等功能，以得到适宜于温室栽种农作物生长的环境。

系统可实现对环境因素的感知控制，包括自动巡航、通风视频监控、控制机器人移动、控制鼓风机等功能；同时可实现对温、湿度的检测与控制，包括温度检测、生成温度变化图像、预测浇水时间等功能。APP页面如图7所示。

图7 APP页面

6 总结与期望

经过研究与开发，温室大棚巡航机器人APP未来的大范围推广使用将实现大棚内的温度监测与控制、通风视频监控功能和对室内温湿度变化的预测等功能，打破传统管理模式，通过对环境的准确控制提高产量解放劳动力，同时避免繁琐的布线问题，真正实现智能化管理。但系统仍存在以下不足：

(1)系统运行过程中，如果出现网络连接问题HTTP请求就会抛出异常，这些异常可能会导致系统无响应或强制关闭等现象，降低用户体验。

(2)可以细化对设备及传感器的操作，以满足更多科研需求。