摘要：為了便于用戶實時掌握和控制馬鈴薯貯藏的環境信息，解決窖內環境檢測不方便及環境調控不及時等問題，課題組設計了一套基于物聯網的馬鈴薯貯藏環境遠程調控系統。該系統主要監控環境因素為馬鈴薯內的空氣溫度、濕度和CO2濃度，主要控制設備為馬鈴薯窖內的風機、加熱器等設備。系統分為受控終端、網絡通信和用戶終端3個部分，其中受控終端為馬鈴薯窖內的控制系統和相關設備，網絡通信通過GPRS實現，用戶終端為PC和Android操作系統。該系統研究和實現了一套基于物聯網的貯藏環境遠程智能監控，以期達到實時掌握和控制馬鈴薯窖內溫度、濕度和CO2濃度。

　　關鍵詞：物聯網;Android平臺;智能監控

　　馬鈴薯營養豐富，口味獨特，是我國及世界許多國家及地區人民喜愛的一種食物可鮮食，可進行深加工制成淀粉，成為重要的化工原料，市場需求量巨大。近年來，隨著馬鈴薯市場的不斷發展，馬鈴薯貯藏數量逐漸增加，貯藏時間進一步延長，對貯藏環境的要求越來越高。而在我國北方地區，一般是采用地下式的貯藏窖。通風和降溫大多依靠自然條件，有少許的貯藏窖設有風機等設備，但是也由于人工使用不及時，馬鈴薯在貯藏期間經常出現失水、長芽、腐爛等現象[1]。

　　一般馬鈴薯貯藏的損失率達15%～25%，嚴重時可達40%以上[2]。為了改變這種狀況，需要使用科學有效的貯藏方法，要遵循馬鈴薯的時期變化和環境變化的規律，采用相應的調控措施以便提高馬鈴薯的貯藏質量。

　　馬鈴薯是寧夏自治區重要經濟農作物，也是西海固地區的主要經濟來源，隨著寧夏優勢特色馬鈴薯產業專家組針對寧夏地區馬鈴薯種植的研究和推廣，馬鈴薯得以在部分地區種植且產量不斷提高。現針對寧夏回族自治區馬鈴薯貯存情況，設計生產了一套基于物聯網的馬鈴薯儲藏環境監控系統，可以實時監測和控制馬鈴薯窖內的溫度、濕度和CO2濃度，通過Android手機APP或下位機控制箱控制窖內風機、加熱器等設備。

　　1系統總體設計

　　該設計監測和控制馬鈴薯窖內的溫濕度、CO2濃度，需要實時掌握窖內的環境因素，溫度過低或者濕度過低都將造成不可挽回的損失，因為凍傷和缺水是不可逆的，同時CO2影響馬鈴薯的糖分存儲。可操作性對于實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備，所以系統的操作應盡量簡單方便且安全。

　　因市面上Android手機占有率相當高，所以該系統手機終端采用安卓系統。針對沒有Android手機的用戶，可以通過電腦端進行登錄和控制。該系統旨在實時監測和控制馬鈴薯窖內的環境信息從而避免不必要的損失，可通過下位機TFTVisual屏控制，也可在手機端或者電腦端控制。該系統由用戶終端設備、網絡通信、受控終端構成，研究馬鈴薯窖內的各種環境因素。

　　其中設備的受控端在馬鈴薯窖內，其中包括下位機、溫濕度傳感器、CO2傳感器、加熱器、風機等設備。基于單片機的環境信息采集模塊均勻分布放置在各個位置來收集不同位置的環境信息。TFTVisual彩屏有顯示和觸控功能，可在手動模式下控制外設設備。客戶端程序支持多終端運行，下位機通過TFTVisual彩屏控制。Web端和Android手機端通過瀏覽器輸入網址，然后輸入賬號和密碼即可實時監測和控制馬鈴薯窖內環境信息。

　　環境信息采集模塊、網絡服務器、Web、Android系統和控制模板之間的聯系。下位機主控與信息采集模塊和控制面板通過485總線方式連接，與上位機通過GPRS通信。

　　2系統硬件設計

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

　　2.1下位機主控制

　　下位機主控芯片采用STM32F103RCT6。信號電壓轉換方面，信號電壓3.3V轉5V采用MAX3232收發器，差分信號電壓采用TTL轉RS-485模塊。電源電壓轉換方面，電源電壓5V轉3.3V采用AMS1117穩壓器，電源電壓24V轉5V采用DM02模塊，電源電壓220VAC轉24V采用AC-DC電源模塊。

　　EL817光耦電阻控制24～220V繼電器。下位機主控制器放在馬鈴薯窖控制柜內，是整個系統信息的中轉站，可以與實現和FTFVis-ual彩屏信息交互，同信息采集模塊使用485總線方式通信，同時上位機通過GPRS通信，通過24～220V繼電器控制風機、加熱器等馬鈴薯窖內外設設備。

　　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，經過TTL轉RS-485模塊和其它設備通信。信息采集模塊同過485總線與下位機主控通信，通過TTL轉RS-485模塊與溫濕度傳感器和二氧化碳傳感器通信。

　　2.3GPRS

　　GPRS是網絡服務器和下位機信息交互的橋梁，GPRS將從信息模塊收到的馬鈴薯窖內環境信息傳輸基于STM32單片機的下位機，下位機將數據分析處理，經過封裝后發至網絡服務中，這樣Web和手機APP客戶端可訪問服務器來了解馬鈴薯窖內環境信息。同時，客戶端也可通過GPRS發送數據給下位機單片機，從而控制風機、加熱器等設備。

　　發送數據過程：WG-8010GPRSDTU與下位機單片機進行數據交互，對從單片機中讀取的數據進行封裝，然后加至終端的TCP/IP協議棧中，通過GSMMODEM和GPRS網絡實現與In-ternet網絡通信。網絡服務器解析這數據并保存以便用戶讀取。接收數據的過程，WG-8010GPRSDTU將Internet網絡解析，讀取指令數據發給下位機單片機。

　　3系統軟件設計

　　系統軟程序分上位機、GPRS和下位機主控3個部分，其中上位機為Android系統程序設計，下位機包括主程序設計、信息采集模塊程序設計、控制面板程序設計、彩屏程序設計。

　　3.1Android設計

　　該系統中遠程服務中心主要向客戶端提供數據服務，并且接受和發送控制指令，雖然不具有控制功能，但是具有監測、傳遞和管理功能，在系統屬于聚集數據最多，傳輸數據最密集的服務中心。一切數據和信息，以及控制指令都需要經過遠程服務中心的處理和管理。

　　所以其相當于一個簡單的Web服務器，主要由Java編寫的Web服務程序和一個MySQL數據庫組成，并通過Tomcat服務器進行發布。Web服務器程序使用Java語言編寫，在MyEclipse環境下開發。采用B/S3層架構體系設計，主要包括瀏覽器、Web服務器、MySQL數據庫[3]。

　　服務器使用Tomcat，部署簡單、易操作，擴展性好，且Tomcat服務器已經開源，在網上可以找到很多可供使用的版本。數據庫選用MySQL，這種數據控靈活性高，是關聯數據庫，且也已經開放源代碼。服務器使用Tomcat，部署簡單、易操作，擴展性好，且Tomcat服務器已經開源，網上可以找到很多可供使用的版本。

　　服務器性能優越且占用系統資源少，操作相對容易，運行時把程序放到webapp里，打開startup即可自動檢測到文件，但由于第一次的轉化問題，運行會比較慢，但之后速度會大大增加并且穩定。Tomcat本身就是一個性能強勁的服務器，開源更使其受到了更多研究者的認可[4]。

　　由于馬鈴薯窖內環境信息傳感器較多，很多數據都需要進行專家判定，所以需要把信息采集模塊的環境信息上傳至網絡服務中心。該系統使用MySQL，可以通過sql語言對JDBC和ODBC數據庫進行操作，ODBC的語言環境為C語言移植性較差，而JDBC本身就是由Java編寫而成無需將ODBC轉化，所以采用JDBC驅動程序管理器通過JDBC驅動程序與數據庫進行連接[5]。

　　MySQL的數據庫為關系型，數據放在不同的表中，速率較快，MySQL已經可以開源獲取。Android在Linux操作系統架下主要由操作系統(OS)、庫(Libraries)和應用程序(APP)3個部分構成。其中操作系統有顯示驅動(DisplayDriver)、Flash內存驅動(FlashMemoryDriver)、照相機驅動(CameraDriver)、音頻驅動(AudioDriver)、Wifi驅動(CameraDriver)、鍵盤驅動(KeyBoardDriver)等。

　　庫(Libraries)使用C++語言編寫。應用程序(APP)用JAVA語言編寫。該系統將Android平臺設置為監控模塊、控制模塊、報警模塊。該系統手機端使用Android4.0。Src是該系統的源文件目錄放置業務邏輯代碼和相應的UI代碼，使用Java語言編寫，包括各種activity的實現。Gen目錄下的文件全都是ADT自動生成的，定義了一個R.java文件，該文件相當于項目的字典，項目中用戶界面、字符串、圖片等資源都會在該類中創建一個唯一的ID，當該項目中使用到這些資源時，會通過ID得到相應資源的引用。

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

　　3.2下位機主控

　　下位機主控使用STM32F103RCT6單片機，開發工具使用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，當芯片內外設初始化以后，發送獲取溫濕度和CO2指令給傳感器，得到傳感器響應以后，校驗傳感器數據，校驗成功以后保存和標記數據有效。如果得不到傳感器響應，則再次發指令給傳感器。

　　多次得不到傳感器響應，則標記當前傳感器不存在，轉而去查詢其它編號的傳感器。如果數據超過100%或者低于0，則認為不符合要求，溫濕度超限，數據不被標記為有效。在數據的末尾，還加上CRC校驗。CRC循環冗余校驗是可靠的數據流校驗方法之一。

　　如果CRC16-CCITT校驗失敗，數據同樣不會被標記為有效。在節點間通信方面，響應通信請求是通過UART中斷方式實現的，所以在芯片初始化后的任何時刻，都可以進行通信響應，這個過程會打斷其它事件。但無法打斷其它中斷，因為初始化中斷優先級設置采用了默認設置，即所有中斷同屬于同一優先級。

　　通信時，UART必須將一次性傳輸完，因為主控芯片STM32接收數據時，采用了流控方式，即數據是完整一幀作處理的，否則出現數據無效，需要重傳的情況。同時，通信時，要求子節點在10s內響應父節點，避免父節點在沒有及時收到數據時，再次發送重傳指令。同樣的，看門狗可能會使系統產生復位重啟。

　　4結論

　　該研究開發的基于物聯網Android平臺的馬鈴薯貯藏環境遠程調控系統，在Android手機上實現了遠程無線監測與控制，而且一個用戶名可以監控多個馬鈴薯窖，硬件成本較低，具有很高的性價比，在寧夏固原、海源、西吉等馬鈴薯窖內試驗期間系統運行良好。該系統操作界面簡單，控制方便，實時性好，遠程控制反應靈敏，穩定性高，可以大大降低馬鈴薯貯藏期間因貯藏環境不良而造成的經濟損失。

　　參考文獻

　　[1]朱偉華，周文姝.基于4G技術的智能農業小氣候檢測系統[J].實驗技術與管理，2016(4)：15-17.

　　[2]農業部辦公廳農業部辦公廳關于印發全國農業機械化專項發展規劃的通知全國設施農業發展“十二五”規劃(2011-2015年)[G].2011.

　　[3]鐘新平.基于單片機的溫室大棚環境參數自動控制系統[D].南寧：廣西大學，2011.

　　[4]奚陽.Java程序運行時保護與監控技術研究[D].南京：南京大學，2008.

　　[5]侯金彪，郭長友.基于Java的遠程屏幕監控系統的設計研究[J].計算機工程與科學，2010，31(2)：45-48.

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