温室巡航机器人APP.pdf

收稿日期 基金项目 大学生创新创业训练计划项目 DC 第一作者简介 李 荧 女 本科生 主要从事软件工程方面的研究 m i 6 6 6 com 通讯作者 谷志新 女 副教授 博士 主要研究方向为信息技术应用 m i gz ne u edu cn 第 卷 第 期 年 月 林业机械与木工设备 FOR STR C R 线性回归 nd oid 监控 中图分类号 TP 文献标识码 文章编号 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 亿 m 到如今的 亿 m 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 第 期李 荧 等 温室巡航机器人 PP 本项目拟设计开发一款基于无线W F 视频采 集模块为核心的智能巡航机器人控制 PP 利用手 机 PP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 nd oid平台的 温室巡航机器人 PP软件系统界面和功能的设计 包括以下几个方面 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 nd oid 平台的温室巡航机器人 PP系统 对该软件的功能需求及设计进行分析 以及 对 PP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 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 CO 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 PP功能 本项目设计的 PP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 nd oid平台的温室巡航机器人 PP软件 系统界面和功能的设计 PP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 PP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 PP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 PP启动鼓风 机进行降温 用 PP对大棚进行全面智能指令控制 PP总体设计 温室巡航机器人系统软件程序 PP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 所示 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 C设计模式 C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 C组件功能及其关系描述如图 所示 在 nd oid应用的开发中 视图层 ie 一般采 用 m 文件进行界面描述 控制层 Con o e 使用 c ivi y与业务逻辑层进行处理 原因是 c ivi y响应 时间为 s 程序容易被回收 模型层 ode 主要是 对数据库和网络操作等做处理 事实上 在 nd oid SD 中的数据绑定也采用与 C框架类似的方法 林业机械与木工设备第 卷 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 nd oid移动终端 与后端的交互采用了 so 调用WCF服务的交互 方式 此外 本系统的开发采用了 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 图1 系统软件设计框图 图2 C组件功能及其关系描述 第 期李 荧 等 温室巡航机器人 PP 3 2 nd oid的系统架构 本设计架构遵循 nd oid系统的架构设计原则 并着重在应用层进行了设计与开发 nd oid操作 系统和其他操作系统一样 采用分层架构 nd oid 系统架构如图 所示 nd oid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 inu 核心层 应用程序层由 v 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 PP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 c ivi y n ge 窗口管理器 Windo s n ge 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 PP服务等 图3 nd oid系统架构 PP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 月 棚内温度会 到达 月 6月会到达 如果不及时释放 热量会对作物产生极大影响 月 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 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 所示 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 林业机械与木工设备第 卷 图4 线性回归模型 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 R图如图 所示 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 DBC 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 TTP协议向服务器端发出请求 服务器端向客户端 发送 son格式的返回信息 客户端的主要任务是解 析 son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5 数据库总体 R图 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To s 提示 请输入用户名密码 该用 户不存在 及 密码不正确 第 期李 荧 等 温室巡航机器人 PP 图6 服务器端总体设计 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 CO 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 PP页面如图 所示 6 总结与期望 经过研究与开发 温室大棚巡航机器人 PP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 系统运行过程中 如果出现网络连接问题 TTP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 可以细化对设备及传感器的操作 以满足更 多科研需求 参考文献 曹起武 基于云计算的农业机器人路径规划与实时定位研 究 农机化研究 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 马国旗 储著东 等 基于灰色预测模型的温室温湿度 系统建模与控制 农业工程学报 6 S 于珊珊 张建军 李为民 等 农业机器人并联视觉云台研究 农业机械学报 6 林业机械与木工设备第 卷 图7 PP页面 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 罗党 王小雷 孙德才 等 含时间周期项的离散灰色DG T 模型及其应用 系统工程理论与实践 6 李国辉 农业机器人避障路径智能规划研究 农机化研究 6 潘力 高伟强 刘建群 等 基于云计算的喷涂机器人远程监控 诊断系统的研究 组合机床与自动化加工技术 6 王飞涛 樊春春 李兆东 等 机器人在设施农业领域应用现状 及发展趋势分析 中国农机化学报 吕照民 周革 苗晨 基于自适应主成分分析的化工过程在线 监测 郑州大学学报 工学版 责任编辑王琦 行业内外 6