基于Android和ZigBee技术的智能农业大棚研究
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４ 智能农业大棚的软件设计
4.1 系统总体流程
笔者所设计的智能农业大棚在开始运行时，首先需要进 行初始化操作，随后安装在农业大棚各处的温湿度传感器、 光照传感器等将负责实时采集当前农业大棚中的温湿度参 数、光照参数等。当 GRPS 模块成功接收 Android 用户命令后， 该指令将直接传输至 STMl15x 微控制器，由其负责下达数据 处理执行命令。此时系统将自动对比分析传感器采集得到的 各项信息参数与标准参数值，判断农业大棚中的温湿度及光 照是否符合标准规定，随后经由控制驱动电路将判断接口传 输至 GPRS 模块，在数据发送接口的作用下直接显示给管理 人员，使其可以实时精准地控制整个农业大棚。
至外围控制器。进行数据传输时，GPRS 芯片和 SIM900 芯 片的相互连接，使得处理器可以精准分析协议数据的准确性， 进一步保障实时数据传输的精准无误。
3.5 ZigBee 网络通讯模块
在 运 用 ZigBee 技 术 下， 该 智 能 农 业 大 棚 的 数 据 传 输 等功能均需要在 ZigBee 网络中完成。该网络的上层协议为 ZigBee 协议栈并参照国际标准，因此具有较高的安全可靠 性，不会出现大量功耗，并且网络拥有较强的自恢复能力。 为使得 ZigBee 网络性能得到进一步提升，使其更好地为智能 农业大棚测控提供核心服务，笔者将设计采用 ZICM2410 模 块，作为集成 CPU 的单片 ZigBee 芯片，主要构件包括硬连 线 MAC、一个带有基带 modem 的射频收发器及一个微控制 器 [2]。该内核单芯片共计拥有 22 个 GPIO，接口类型包括主 从 SPI、2 路 UART 及 I2S/PCM，其速率可以达到 ZigBee 网 络下 250 kbps，而最低睡眠电流不超过 1 μA，因此功耗相 对较低，可有效满足智能农业大棚的网络通讯需求。
基金项目：湖南省教育厅科学研究项目“基于 Android 和 ZigBee 技术的智能农业大棚研究”（项目编号：16C0572）。 作者简介：李玉林（1981-），男，湖南永兴人，硕士研究生，讲师。研究方向：计算机网络管理。
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2018 年第 18 期
Байду номын сангаас
信息与电脑 China Computer&Communication
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计算机工程应用技术
信息与电脑 China Computer&Communication
2018 年第 18 期
含在空气当中的水分，使得整个大棚成为一个完整的自适应闭 环系统，方便用户实时调控农业大棚 [3]。
５ 系统测试与分析
5.1 硬件模块测试
依照上述设计方案并严格按照国家相关设计规程下， 运用标贴元件设计智能农业大棚系统各节点，使各元件引脚 可以免受穿线所造成的噪声影响。规范选用精度较高的电阻 与电容等元件下，使射频收发器频率能够保持较高的精度。 在依次完成系统硬件设计安装并对线路能否正常运行进行严 格检查之后，发现整个系统控制电路消耗电流始终不会超过 300 mA，芯片连接完全正常。温湿度同光敏节点及光照度等 共同构成了 ZigBee 网络拓扑。现场监测中，系统可以对传感 器所采集得到的各项相关信息参数进行实时、精准地显示。
3.2 光照传感器
考虑到光照强度会对农作物生长直接产生影响，因此在 农业大棚监管当中，为了能够实时了解农业大棚的光照情况， 判断农作物的具体生长状态与生长环境，在设计智能农业大 棚时还选择适应 BH1750FVI 作为光照传感器，用以采集和 传输农业大棚光照参数。BH1750FVI 光照传感器当中设置了 16 bit A/D 转换器，可直接完成数据的采集与传输，无需标 定与复杂的计算，光照度范围在 0 ～ 655 35 1x，几乎等同于 视觉灵敏度的分光特性，具有较高的测量精准度。此外，在 芯片当中还含有可以直接连接 5 V 单片机 IO 的通信电平转 换模块，其较高的分辨率能够对传感器对整个农业大棚中的 光照强度变化进行精准捕捉。
2.2 ZigBee 技术 ZigBee 技术从本质上来说是一种双向无线通信技术，因
其具有功率及速率相对较低、成本低廉等众多优势，被广泛 应用在距离相对较短、传输速率与功耗均相对较低的电子设 备数据传输中。不仅如此，ZigBee 技术体积较小且支持自动 组网，便于布局，强调大量节点进行群协作，网络自愈能力 良好，即使某一节点出现故障或异常现象，整体任务仍可以 正常运行。在设计智能农业大棚时，除了运用 Android 系统 之外，还将灵活运用 ZigBee 技术，将 ZigBee 节点同传感器 与执行器相互连接，有效完成数据信息的无线传输。
3.4 GPRS 模块
为顺利完成数据的打包与解包，进一步提高各项信息 参数的传输效率。笔者在设计智能农业大棚系统时，还设计 SIM900 芯片作为 GPRS 模块的核心芯片，同时为这一模块 设置了标准串行通信总线接口，在避免增加开发难度的基础 上能有效调试和运用通信模块。在该芯片的作用下，GPRS 模块能够在接收到外围控制器传输的数据后立即对其进行打 包处理并传送至基站，并且可以同时将基站传输的数据反馈
Key words: Android; ZigBee technology; intelligent agricultural greenhouse.
１ 引言
近年来，我国农业生产规模逐渐扩大，集中化管理成为 农业生产的一大必然趋势。在此过程中，通过合理运用各种 智能化电气机械设备，如传感器、执行器等，可以自动完成 各项农业种植生产信息数据的采集与传输。经过专业数据处 理软件的分析处理下可以有效帮助种植管理者实现对农作物 生长环境及农作物生长状态的精确调控，达到优化种植成效 的目的。因此，研究基于 Android 及 ZigBee 技术的智能农业 大棚及其设计，具有十分重要的现实意义。
计算机工程应用技术
信息与电脑 China Computer&Communication
2018 年第 18 期
基于 Android 和 ZigBee 技术的智能农业大棚研究
李玉林 冯 燕 许婧祺 （湖南机电职业技术学院，湖南 长沙 410151）
摘 要：为有效实现对农业大棚种植的实时科学监控，切实保障农作物质量，并尽可能提高产量，同时促使农业大 棚种植实现规模化发展。笔者运用 ZigBee 技术并依托 Android 系统，灵活选用温度传感器、光照传感器及通信传输模块 等，设计了一种性能卓越的智能农业大棚。在方便传输各项信息数据交互的基础上，有效完成了对农业大棚的智能化、 精准化控制。
Li Yulin, Feng Yan, Xu Jingqi
(Hunan Mechanical & Electrical Polytechnic, Changsha Hunan 410151, China)
Abstract: In order to effectively realize the real-time scientific monitoring of agricultural greenhouse planting, while effectively ensuring the quality of crops, and as far as possible to improve its yield, promote the large-scale development of agricultural greenhouse planting. This paper will design a kind of intelligent agricultural greenhouse with excellent performance by using ZigBee technology and relying on Android system, flexible selection of temperature sensor, light sensor and communication transmission module. Therefore, on the basis of facilitating the interactive transmission of information and data, the intelligent and precise control of agricultural greenhouse can be effectively completed.
3.3 微控制模块
在运用模块化设计理念下，笔者所设计的智能农业大棚 系统中最为核心的部件便是微控制器。微控制器主要负责对 事件快速反应及迅速、精准地完成对整体系统的控制工作。 并且微控制器选择使用的是 STM32l15x 系列芯片，这是由于 此类芯片具有较快的运行速度和较大的存储容量，其主频为 72 MHz 可有效存储 128 kB 的程序。在芯片内部设有一个转 换速率为 25 MHz 的 ADC 转换器及一个 12 通道的 DMA 控 制器，芯片中设有众多扩展性较高的定时器，其外部周围则 拥有丰富的电路接口，仅通用 I/O 口便有 48 个，通信接口类 型多达数 10 种，为现有农业大棚中的各项设备及后续升级 设备提供充足接口。
4.2 手机软件功能
为方便用户对农业大棚进行远程智能操控，在设计智能 农业大棚系统时还选择使用了 Android 系统作为远程控制平 台。用户可以通过手机等移动客户端上下载安装格式为 .apk 的 APP 软件，利用云服务作为中转，将 APP 软件同农业大棚 中的各项硬件设备进行远程连接，便于用户直接利用手机控制 农业大棚。以农业大棚中的卷帘和排风系统的远程控制为例， Android 软件设计总共包括用户登录和用户功能控制两个设计 部分。当用户登录进入到 Android 软件中后，一旦显示登录成 功，软件将自动与服务器进行有效连接，此时软件将直接显示 功能界面。界面设计主要包括两大部分，分别为系统刷新模式 及控制功能区。在系统刷新模式中，用户可以根据自身实际需 要选择自动刷新或手动刷新模式。而在控制功能区则被细分成 卷帘功能及排风功能，每个功能均对应着相应农业大棚。如果 系统通过分析传感器数据判断棚内温度过高即温度在 24 ℃以 上时，系统将会自动运行卷帘机或是排风系统降低农业大棚中 的温度。假如系统通过分析传感器数据判断棚内湿度在 65% 以上时，同样会自动开启排风系统用以迅速蒸发农业大棚中蕴
关键词：Android；ZigBee 技术；智能农业大棚 中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2018）18-014-03
Research on Intelligent Agricultural Greenhouse Based on Android and ZigBee Technology
计算机工程应用技术
３ 智能农业大棚的硬件设计
3.1 温 / 湿度传感器
笔者所设计的智能农业大棚将通过在适当位置处安装温 湿度传感器，有效采集农业大棚温度与湿度信息数据，帮助 管理人员根据农作物生长的实际需要对棚内温湿度环境进行 精确调控，切实保障农作物的茁壮成长。此过程中，笔者将 选用 SHT11 温湿传感器，该传感器体积小巧且拥有较高的集 成度和卓越的使用性能，不易受到外界因素的干扰影响，且 响应速度快，比较适用于实时采集、传输大棚内温度与湿度 参数。该芯片主要由能隙材料制作而成的测温元件与电容性 聚合体测湿敏感元件各一个组合而成，同时芯片当中有一个 14 位 A/D 转换器由串行接口电路连接着主芯片，当完成温 湿度参数的精准采集后将自动进入数据传输操作。
２ Ａｎｄｒｏｉｄ 系统与 ＺｉｇＢｅｅ 技术的概述
2.1 Android 系统
由 Google 公司开发设计的 Android 操作系统，其内核采 用 Linux，同时运用 Java 语言开发设计界面。经过多次升级换 代与 Bug 修复，当前最新的 Android 系统架构为四层架构，
按照从下往上的顺序依次为操作系统层、安卓环境运行库、 Java 程序及 Java 框架层 [1]。用户可以根据自身需要任意对顶 层应用软件进行修改，在 Android 系统中最为核心的基础层是 Linux 内核层，主要负责为系统提供内存与系统进程管理等众 多核心服务，使得系统硬件可以同软件间实现高效通讯。
4.1 系统总体流程
笔者所设计的智能农业大棚在开始运行时，首先需要进 行初始化操作，随后安装在农业大棚各处的温湿度传感器、 光照传感器等将负责实时采集当前农业大棚中的温湿度参 数、光照参数等。当 GRPS 模块成功接收 Android 用户命令后， 该指令将直接传输至 STMl15x 微控制器，由其负责下达数据 处理执行命令。此时系统将自动对比分析传感器采集得到的 各项信息参数与标准参数值，判断农业大棚中的温湿度及光 照是否符合标准规定，随后经由控制驱动电路将判断接口传 输至 GPRS 模块，在数据发送接口的作用下直接显示给管理 人员，使其可以实时精准地控制整个农业大棚。
至外围控制器。进行数据传输时，GPRS 芯片和 SIM900 芯 片的相互连接，使得处理器可以精准分析协议数据的准确性， 进一步保障实时数据传输的精准无误。
3.5 ZigBee 网络通讯模块
在 运 用 ZigBee 技 术 下， 该 智 能 农 业 大 棚 的 数 据 传 输 等功能均需要在 ZigBee 网络中完成。该网络的上层协议为 ZigBee 协议栈并参照国际标准，因此具有较高的安全可靠 性，不会出现大量功耗，并且网络拥有较强的自恢复能力。 为使得 ZigBee 网络性能得到进一步提升，使其更好地为智能 农业大棚测控提供核心服务，笔者将设计采用 ZICM2410 模 块，作为集成 CPU 的单片 ZigBee 芯片，主要构件包括硬连 线 MAC、一个带有基带 modem 的射频收发器及一个微控制 器 [2]。该内核单芯片共计拥有 22 个 GPIO，接口类型包括主 从 SPI、2 路 UART 及 I2S/PCM，其速率可以达到 ZigBee 网 络下 250 kbps，而最低睡眠电流不超过 1 μA，因此功耗相 对较低，可有效满足智能农业大棚的网络通讯需求。
基金项目：湖南省教育厅科学研究项目“基于 Android 和 ZigBee 技术的智能农业大棚研究”（项目编号：16C0572）。 作者简介：李玉林（1981-），男，湖南永兴人，硕士研究生，讲师。研究方向：计算机网络管理。
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2018 年第 18 期
Байду номын сангаас
信息与电脑 China Computer&Communication
— １５ —
计算机工程应用技术
信息与电脑 China Computer&Communication
2018 年第 18 期
含在空气当中的水分，使得整个大棚成为一个完整的自适应闭 环系统，方便用户实时调控农业大棚 [3]。
５ 系统测试与分析
5.1 硬件模块测试
依照上述设计方案并严格按照国家相关设计规程下， 运用标贴元件设计智能农业大棚系统各节点，使各元件引脚 可以免受穿线所造成的噪声影响。规范选用精度较高的电阻 与电容等元件下，使射频收发器频率能够保持较高的精度。 在依次完成系统硬件设计安装并对线路能否正常运行进行严 格检查之后，发现整个系统控制电路消耗电流始终不会超过 300 mA，芯片连接完全正常。温湿度同光敏节点及光照度等 共同构成了 ZigBee 网络拓扑。现场监测中，系统可以对传感 器所采集得到的各项相关信息参数进行实时、精准地显示。
3.2 光照传感器
考虑到光照强度会对农作物生长直接产生影响，因此在 农业大棚监管当中，为了能够实时了解农业大棚的光照情况， 判断农作物的具体生长状态与生长环境，在设计智能农业大 棚时还选择适应 BH1750FVI 作为光照传感器，用以采集和 传输农业大棚光照参数。BH1750FVI 光照传感器当中设置了 16 bit A/D 转换器，可直接完成数据的采集与传输，无需标 定与复杂的计算，光照度范围在 0 ～ 655 35 1x，几乎等同于 视觉灵敏度的分光特性，具有较高的测量精准度。此外，在 芯片当中还含有可以直接连接 5 V 单片机 IO 的通信电平转 换模块，其较高的分辨率能够对传感器对整个农业大棚中的 光照强度变化进行精准捕捉。
2.2 ZigBee 技术 ZigBee 技术从本质上来说是一种双向无线通信技术，因
其具有功率及速率相对较低、成本低廉等众多优势，被广泛 应用在距离相对较短、传输速率与功耗均相对较低的电子设 备数据传输中。不仅如此，ZigBee 技术体积较小且支持自动 组网，便于布局，强调大量节点进行群协作，网络自愈能力 良好，即使某一节点出现故障或异常现象，整体任务仍可以 正常运行。在设计智能农业大棚时，除了运用 Android 系统 之外，还将灵活运用 ZigBee 技术，将 ZigBee 节点同传感器 与执行器相互连接，有效完成数据信息的无线传输。
3.4 GPRS 模块
为顺利完成数据的打包与解包，进一步提高各项信息 参数的传输效率。笔者在设计智能农业大棚系统时，还设计 SIM900 芯片作为 GPRS 模块的核心芯片，同时为这一模块 设置了标准串行通信总线接口，在避免增加开发难度的基础 上能有效调试和运用通信模块。在该芯片的作用下，GPRS 模块能够在接收到外围控制器传输的数据后立即对其进行打 包处理并传送至基站，并且可以同时将基站传输的数据反馈
Key words: Android; ZigBee technology; intelligent agricultural greenhouse.
１ 引言
近年来，我国农业生产规模逐渐扩大，集中化管理成为 农业生产的一大必然趋势。在此过程中，通过合理运用各种 智能化电气机械设备，如传感器、执行器等，可以自动完成 各项农业种植生产信息数据的采集与传输。经过专业数据处 理软件的分析处理下可以有效帮助种植管理者实现对农作物 生长环境及农作物生长状态的精确调控，达到优化种植成效 的目的。因此，研究基于 Android 及 ZigBee 技术的智能农业 大棚及其设计，具有十分重要的现实意义。
计算机工程应用技术
信息与电脑 China Computer&Communication
2018 年第 18 期
基于 Android 和 ZigBee 技术的智能农业大棚研究
李玉林 冯 燕 许婧祺 （湖南机电职业技术学院，湖南 长沙 410151）
摘 要：为有效实现对农业大棚种植的实时科学监控，切实保障农作物质量，并尽可能提高产量，同时促使农业大 棚种植实现规模化发展。笔者运用 ZigBee 技术并依托 Android 系统，灵活选用温度传感器、光照传感器及通信传输模块 等，设计了一种性能卓越的智能农业大棚。在方便传输各项信息数据交互的基础上，有效完成了对农业大棚的智能化、 精准化控制。
Li Yulin, Feng Yan, Xu Jingqi
(Hunan Mechanical & Electrical Polytechnic, Changsha Hunan 410151, China)
Abstract: In order to effectively realize the real-time scientific monitoring of agricultural greenhouse planting, while effectively ensuring the quality of crops, and as far as possible to improve its yield, promote the large-scale development of agricultural greenhouse planting. This paper will design a kind of intelligent agricultural greenhouse with excellent performance by using ZigBee technology and relying on Android system, flexible selection of temperature sensor, light sensor and communication transmission module. Therefore, on the basis of facilitating the interactive transmission of information and data, the intelligent and precise control of agricultural greenhouse can be effectively completed.
3.3 微控制模块
在运用模块化设计理念下，笔者所设计的智能农业大棚 系统中最为核心的部件便是微控制器。微控制器主要负责对 事件快速反应及迅速、精准地完成对整体系统的控制工作。 并且微控制器选择使用的是 STM32l15x 系列芯片，这是由于 此类芯片具有较快的运行速度和较大的存储容量，其主频为 72 MHz 可有效存储 128 kB 的程序。在芯片内部设有一个转 换速率为 25 MHz 的 ADC 转换器及一个 12 通道的 DMA 控 制器，芯片中设有众多扩展性较高的定时器，其外部周围则 拥有丰富的电路接口，仅通用 I/O 口便有 48 个，通信接口类 型多达数 10 种，为现有农业大棚中的各项设备及后续升级 设备提供充足接口。
4.2 手机软件功能
为方便用户对农业大棚进行远程智能操控，在设计智能 农业大棚系统时还选择使用了 Android 系统作为远程控制平 台。用户可以通过手机等移动客户端上下载安装格式为 .apk 的 APP 软件，利用云服务作为中转，将 APP 软件同农业大棚 中的各项硬件设备进行远程连接，便于用户直接利用手机控制 农业大棚。以农业大棚中的卷帘和排风系统的远程控制为例， Android 软件设计总共包括用户登录和用户功能控制两个设计 部分。当用户登录进入到 Android 软件中后，一旦显示登录成 功，软件将自动与服务器进行有效连接，此时软件将直接显示 功能界面。界面设计主要包括两大部分，分别为系统刷新模式 及控制功能区。在系统刷新模式中，用户可以根据自身实际需 要选择自动刷新或手动刷新模式。而在控制功能区则被细分成 卷帘功能及排风功能，每个功能均对应着相应农业大棚。如果 系统通过分析传感器数据判断棚内温度过高即温度在 24 ℃以 上时，系统将会自动运行卷帘机或是排风系统降低农业大棚中 的温度。假如系统通过分析传感器数据判断棚内湿度在 65% 以上时，同样会自动开启排风系统用以迅速蒸发农业大棚中蕴
关键词：Android；ZigBee 技术；智能农业大棚 中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2018）18-014-03
Research on Intelligent Agricultural Greenhouse Based on Android and ZigBee Technology
计算机工程应用技术
３ 智能农业大棚的硬件设计
3.1 温 / 湿度传感器
笔者所设计的智能农业大棚将通过在适当位置处安装温 湿度传感器，有效采集农业大棚温度与湿度信息数据，帮助 管理人员根据农作物生长的实际需要对棚内温湿度环境进行 精确调控，切实保障农作物的茁壮成长。此过程中，笔者将 选用 SHT11 温湿传感器，该传感器体积小巧且拥有较高的集 成度和卓越的使用性能，不易受到外界因素的干扰影响，且 响应速度快，比较适用于实时采集、传输大棚内温度与湿度 参数。该芯片主要由能隙材料制作而成的测温元件与电容性 聚合体测湿敏感元件各一个组合而成，同时芯片当中有一个 14 位 A/D 转换器由串行接口电路连接着主芯片，当完成温 湿度参数的精准采集后将自动进入数据传输操作。
２ Ａｎｄｒｏｉｄ 系统与 ＺｉｇＢｅｅ 技术的概述
2.1 Android 系统
由 Google 公司开发设计的 Android 操作系统，其内核采 用 Linux，同时运用 Java 语言开发设计界面。经过多次升级换 代与 Bug 修复，当前最新的 Android 系统架构为四层架构，
按照从下往上的顺序依次为操作系统层、安卓环境运行库、 Java 程序及 Java 框架层 [1]。用户可以根据自身需要任意对顶 层应用软件进行修改，在 Android 系统中最为核心的基础层是 Linux 内核层，主要负责为系统提供内存与系统进程管理等众 多核心服务，使得系统硬件可以同软件间实现高效通讯。