1、 全日制硕士专业学位研究生学位论文 基于安卓的无线传感温室监控系统的研究与应用 作 者 姓 名： 指 导 教 师： 专业学位名称： 领 域 名 称 ： 研 究 方 向 ： 所 在 学 院 ： 论文提交日期： 农业推广硕士 农业机械化 农业电气化工程 工程学院 浙 江 农 林 大 学 20XX 年 X 月 XX 日 摘要 摘 要 传统搭载于电脑端的智能温室存在着造价昂贵，系统复杂不灵活，软件集成度低， 用户体验差等不足。为此本文提出了一种基于 Android 平台的无线传感温室监控系统。 系统设计包括数据管理、设备管理、软件设置以及信息发布四大部分。分别有数 据图表、环境评分、专家指导、视频及拍
2、照监控、无线设备控制、用户管理、推送管 理、系统升级以及信息发布等主要功能点。 温室环境因子数据由部署在温室内的传感节点采集，通过 ZigBee 网络经底层无 线传感网络传输至云服务器数据库内，最终实现在 Android 客户端上的数据可视化， 实现远程客户端查看温室内各项环境参数的实时数据及历史数据。在线视频功能中， 温室内的图像信息由高清网络摄像头采集，信号传输稳定图像清晰占用带宽小，能够 实现在 3G 网络带宽下即可清晰监控作物长势及病虫草害情况。功能丰富实现有语音 对讲、拍照、录像等功能。 通过 Okhttp 等方法实现数据库的管理，最终温室内智能设备能够通过屏幕按钮 点击实现远程控制
3、，基于语音识别听写功能实现了通过语音与数据库进行交互式管理 进而实现远程控制温室内智能设备。为了能够实现更多接口还具有二维码扫描功能， 实现丰富的外部接口和功能。系统设置模块中能够开关系统后台推送消息以及检查版 本更新情况，方便用户对本应用进行管理。 系统软件还进行了兼容性测试及性能测试，测试结果符合实际使用要求。两百款 机型测试得出系统兼容性为 100%，安装打开速度快，内存和 CPU 占用率低。为了确 保数据的稳定性，在项目地多次实地测试数据稳定收发情况。测试得出系统数据丢包 率低于 0.6 ，稳定性满足系统实际温室生产要求。 关键词： ZigBee， Android， 无线传感，语音识别
4、。 I ABSTRACT ABSTRACT Traditional computer-side intelligent greenhouse has many shortage such as cost expensive, system rigid, low software integration, poor user experience. This paper presents a kind of sensor network and intelligent management based on the Android platform of the intelligent gree
5、nhouse monitoring system. System design including data management, equipment management application Settings and information release. Provide data chart, environmental rating, expert guidance, video and picture monitoring, a wireless device control, user management, delivery management, system upgra
6、des, and the main function such as information release point. The wireless sensor nodes gather the environment factors in the greenhouse, through ZigBee wireless sensor network transmission to the server, finally achieved the data visualization on the Android client. The system achieve the remote cl
7、ient to view the greenhouse environment date in real -time and inquire the historical data. Through the Online video surveillance function, the image information catched by HD-Webcam which established in greenhouse. The Signal transmission stabilizing image information in Low-Flow situation, achieve
8、d under the 3g-network can be clear monitoring crop condition and situation. Function rich implement a voice intercom, photos, video, and other functions. Through the developing tools such as Okhttp-tool administer the database, achieved the intelligent greenhouse device remote control by android eq
9、uipment screen click. Based on speech recognition dictation function achieved by using voice information and database management remote control the intelligent devices. In order to achieve more interface also provided the QR-code scanning function. System settings module can switch push and version
10、update checking. Do more user friendly to this application. System application also has carried on the compatibility and performance testing. According the test results explain the application meet the requirements. Two hundred types Two hundred models of the test android equipments compatibility is
11、 100%, install and open speed quickly, low memory and CPU occupied. In order to ensure the stability of the data, in the project to field test data transceiver is stable for many times. Testing system data loss rate less than 0.6, the stability of system actual greenhouse production requirements. Ke
12、y words: ZigBee ; Android ; Wireless Sensor ; Speech Recognition II 目录 目 录 摘 要 . I ABST R ACT . . II 1 绪论 . 1 1.1 选题背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 国外研 究现状 . 2 1.2.2 国内研究现状 . 3 1.3 课题研究目的和意义 . 4 1.4 课题优势与面临困难 . . 5 1.5 论文主要内容及章节安排 . 6 2 系统的相关技术理论 . 8 2.1 引言 . 8 2.2 Android 系统 . 8 2.2.1 Android 系统概述 . 8
13、 2.2.2 Android 系统构架 . 8 2.2.3 Android 应用程序组件 . 10 2.2.4 Android 系统的优势 . 12 2.3 数据库技术分析 . 13 3 系统研究方法和总体设计 . 14 3.1 引言 . 14 3.2 研究解决的主要问题 . 14 3.3 系统研究方法 . 15 3.4 系统总体设计方案 . 16 3.5 数据信息系统的实现 . 18 3.5.1 树形网络拓扑结构 . 18 3.5.2 二维码功能模块 . 19 3.5.3 语音识别功能模块 . 20 3.6 视频监控系统的实现 . 21 3.6.1 RTP 流媒体传输协议 . 21 3.6.
14、2 H.264 视频压缩标准 . . 21 3.6.3 视频监控系统设计 . 22 3.7 本章小结 . 23 4 基于 Android 的无线传感温室监控系统设计 . 24 4.1 引言 . 24 4.2 上位机数据库设计 . 24 III ABSTRACT 4.2.1 数据库选择 . 24 4.2.2 数据库关系表分类 . 25 4.3 管理平台设计 . 31 4.3.1 数据图表模块 . 33 4.3.2 视频监控模块 . 37 4.3.3 信息服务模块 . 39 4.3.4 专家指导模块 . 42 4.3.5 后台推送模 块 . 44 4.3.6 按钮控制及语音控制模块 . 45 4.
15、3.7 软件设置模块 . 48 4.4 本章小结 . 51 5 系统应用分析 . 52 5.1 引言 . 52 5.2 兼容性及性能测试 . 52 5.3 实际应用环境 . 53 5.4 数据稳定性测试 . 54 5.5 图像传输测试 . 56 5.6 本章小结 . 56 6 总结与展望 . 57 6.1 总结 . 57 6.2 展望 . 58 参考文献 . 59 附录 . 65 致谢 . 85 IV 1 绪论 1 绪论 1.1 选题背景 我国是农业大国，但农业生产模式相对滞后。广泛存在着粗放型、劳动力型的传统农业生产模式，科技应用水平较低。伴随着电子信息技术飞速发展，国家提出的 “ 互联网
16、+” 行动计划上升到国家战略层面。产业数字信息化在各行业内，特别是在工业上取得了空前的发展提高，特别的是 Android 手机作为与大众最息息相关的互联网终端，得到了最大化的发展和运用。 巨大进步的同时不难看出，信息科技在农业的应用不够广泛层次也较低。为弥补这一不足，本课题实现了一种基于 Android 平台的无线传感温室监控管理系统。 Android 是一种基于 Linux 的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由 Google 公司和开放手机联盟领导及开发 1。第一部 Android 智能手机发布于 2008 年 10 月，全世界采用这款系统的设备数量已经
17、达到 10 亿台 2。 2015 年智能手机出货量， Android 市场份额约为 81.5%， iOS 市场份额约为 14.8%。 Android 软件开发中使用的语言主要为 Java 语言， Java 语言通用性高开发着众多，语言学习成本较为小，所以市面上 Android 软件数量已经超过 20 万 3。随着电子产业技术发展，软件开发者可以实现高级图形渲染，能够做到优异的用户体验 4。并 且 Android 软件特有的内存处理机制，在手机性能允许的条件下可以实现空前的数据并发处理功能，很适合本系统实现的数据可视化以及数据并发传输功能。 物联网技术从提出之后就一直受到极大的关注，经过十余年的
18、发展，理论概念已经十分充足，各类硬件的研发也已经进入了量产化阶段。在部分产品量产化的背景下，整体系统价格已经能够被普通大众消费。物联网与 Android 系统平台也有了许许多多的结合，智能家居领域已经可以实现在室内范围的局域网内实现智能设备的控制。在物流领域可以通过各类标签设备，实现物流产品的全程可控，十分高效。近年来物联网得到人们广泛重视的原因是因为物联网技术为人们带来了许多美好的梦想，根据权威专家预测，世界信息化产业在继计算机、互联网与移动通信网络之后的第三次技术 浪潮，将由物联网技术引领 5。 近年来，物联网技术空前火热，结合手机客户端平台在许多领域都有广泛的运用。特别是在智能家居以及物
19、流管理行业中，起到了很好的实际效果，极大的提高人们的 生活质量 以及生产效率 6。但是我国作为农业大国，迅猛发展的电子信息技术特别是物联网技术广泛运用与农业生产中的例子并不多见。整体产业电气化、自动化、信息 1 基于安卓平台的无线传感温室监控系统的研究与应用 化程度偏低，存在的粗放式的生产方式。与欧美发达国家在早些年实现的精细化农业管理有很大的差距，显然不足以满足一个大国的实际农业生产需求。国家经济水平上涨，农民生活水平的提高，往往农民也期望能够降低农事活动中的人力物力财力。 早期设施农业中的智能温室大多采用有线网络以及 AC 电源供电，系统依赖于有线的供电以及数据传输，能够较为稳定的工作 7
20、。同样受制于有线供电以及网络，施工中的复杂程度相当大，传感器的灵活性也大打折扣，系统维护也需要 “ 牵一发，而动全身 ” ，在实际使用中很难满足现今要求便捷化、交互性强、可用性高的使用需求 8。为解决上述问题，本文提出一种基于 Android 平台的无线传感温室监控系统，能够打破空间的限制，不需要大面积安装线路，并且可以灵活放置传感器及节点。同时能够实现系统半年以上电池供电，减少资源消耗和后期维 护成本。本文实现的基于 Android 平台的智能温室监控系统可以较好的解决以上问题。且 Android 软件因为其 开发语言的通用性所以开发周期短，开发成本较为低廉。运行设备均为 Android 智
21、能手机，用户使用人群基数大。所以本系统也很适合作为此项目的开发平台。 本文所述温室，指的是一种能透光、保温、加温，用来栽培作物的设施。可以在不适宜植物生长的季节，提供特定的生长环境，以满足作物生长需要，增加作物产量。多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。 通常出于客户对自身成本收回周期考量，本系统对标客户通常为大、中型农业合作社或者公司。在以往的项目中，客户硬件设施普遍基础较好，例如风机、喷灌、卷帘机都已经具备并可正常使用。通常会根据需要，增加智能控制中心、智能控制柜、传感器及传感网络形成完整的系统。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 美国、荷兰等西方发达国家，
22、在上世纪 80 年代就进行了传统农业向精细农业转型的相关研究，并加大投入积极推进精准农业的全面推广，最终取得了有目共睹的丰 硕成果 9。随后，西方发达国家为实现农业的可持续发展，降低农业生产中对环境造成的破坏，通过科学技术的发展来提高生产效率。精准农业也被西方国家放在显要发展位置。 起初受技术水平的限制，监测系统对温室的环境参数采用单因子控制，即对温度、 湿度、二氧化碳浓度和光照强度等分别进行监测和控制 10。例如，在对温度进行控制时，监测系统只控制温度的变化，而对其他的环境参数不做处理，若要控制其他因子，需要实施另外的控制过程 11。但由于外界天气的变化会随时影响到温室大棚里的环 2 境，单
23、靠人工采取相应的措施难以办到，再加上各个环境参数之间相互影响，使难度再次加大 12。 西方国家早些年依照各种作物的特性，开发出了基于 Android 的温室监控系统。对作物生长环境内的温度、湿度、光照强度等生长参数进行实时监测和控制 1314。美国和荷兰综合利用温差管理技术结合 Android 手机应用，对花卉、果蔬等产品的开花期和成熟期进行自动化控制，来满足生产和市场的需要 15。 2015 年，韩国的 Kim, Dong-Eon 等人为了减轻农民的工作强度，为使温室环境能够得到有效控制，让农业生产更加方便，提出了一种基于安卓应用的温室环境远程控制方案。通过传感器采集数据，最终在安卓应用上数
24、字表示温室环境中的信息和控 制情况。使用增强现实技术 (Augmented Reality 简称 AR)、 RTSP 媒体流协议来观察及远程控制温室环境。并且通过屏幕监控由温室内的传感器获得的信息（温度，湿度， 照度）并且使用 RTSP 协议在远程传输温室的视频图像。 16 2016 年西班牙的 Prez-Castroa 和 Snchez-Molinab 等人提出了一种基于物联网 的智能安卓灌溉遥控系统，用以提高节水灌溉的精度。包括一套功能齐全的网站远程 灌溉系统， SMS 短信远程灌溉系统以及基于手机开发的 Android 平台的自动灌溉手 机客户端。实现通过浏览器，电话，短信，手机客户端实
25、现实时信息采集，监控，灌 溉等各种方案，利用采集的数据结合作物所需的生长环境要求，实现精准控制功能。 17 1.2.2 国内研究现状 我国对温室的研究最早开始于 20 世纪 30 年代，但由于技术水平的限制，在寒冷的冬季只有耐寒性强的植物能够在温室内生长，而不能提供喜温植物的生长条件。从 20 世纪 70 年代开始，我国开始出现了塑料大棚和日光温室，并将国外的先进技术手段和环境控制设备引入到温室中。 随着信息技术革命，国内的信息化产业发展壮大，特别是在 “ 互联网 +” 发展战略口号后，高水平信息化的发展脚步越来越快。我国的专家学者在引进和吸收国外先进技术的基础上，开始研发和设计适合我国国情、
26、适应我国农业信息化发展方向的 Android 温室监测控制系统，并取得了一定成绩，促使我国农业向产业化、科学化方向发展又迈上一个新台阶 18。 由北京工业大学陈桂鹏等人研发的基于 Android 手机农业信息采集系统，针对我国以农户为主的小规模农业生产特点，设计实现了一套低成本的农业环信息采集系统， 该系统由环境感知及扩展、数据存储、手机蓝牙通信等基于 ARM 的信息采集终端与基于 Android 系统的数据管理软件组成，信息采集终端通过蓝牙将感知的农业环境信息传输给 Android 手机，手机端的数据管理软件对农业环境信息进行处理与存储，并 3 基于安卓平台的无线传感温室监控系统的研究与应用
27、 利用无线网络功能将数据发送到远程农业环境数据中心 1920。 山东省农科院的李佳毅的等人研发的基于 Android 平台的智能温室视频无线监控系统，该系统采用的视频无线监控技术不仅综合成本低，性能更稳定，而且易于扩展，有效地解决了温室中不方便使用有线网络的问题，与本系统相比传统的视频监控系统一般采用台式机作为监控终端，需要在指定的地点并且有专用网络设备支持的情况下 才能对目标现场进行监控，大大限制了监控系统的应用范围和灵活性 21。 2015 年，陈详等人根据国内温室现状提出了一款基于物联网的智能温室监控系统， 该系统可实现远程控制，具备较高的扩展性和实用性，该系统通过 Ajax 实现了数据
28、的局部更新，优化了管理平台，根据实际应用经验，系统设计了完整的控制逻辑，手动 和自动可自由切换，并引入了复杂的温控数学模型，在实际应用中得到了验证 22。2016 年，南京农业大学古炜豪等人针对温室作物信息实时采集的需要，设计了基于安卓手机的信息实时采集系统。系统用一台智能小车完成信息的采集，智能小车以 ARM9 处理器为核心构建硬件平台，以 Linux 操作系统构建软件平台；系统采用安卓手 机作为控制和信息传输终端，设计的安卓手机控制软件通过手机无线操作模块对温室的执行部件进行控制，采集的信息也通过无线方式传回手机。系统可以通过智能小车上安装的多种传感器采集信息，并通过安卓手机控制智能小车行
29、走，从而完成对整个 温室作物信息的实时采集 23。 为此，本系统提供了一种更好实现在小带宽下实现可交互式的数据展示模块，更清晰、功能丰富的视频监控模块，具备云语音的智能设备控制模块。实现后台消息报警推送、富媒体推送功能，还具备二维码扫描等等丰富接口模块。 1.3 课题研究目的和意义 我国农业长期存在规模小、水平低的问题，农业机械化、信息化普及率低、发展 缓慢。在 “ 十三五 ” 规划中，将农业信息化提升为我国国家发展战略 24。目的以逐步实现信息化带动包括农业机械化在内的产业提升，逐步将我国目前存在的传统农业过渡到现代化信息农业的过程，是充分利用现代信息技术 来改造传统农业从而更加有效地应对自然风险和市场风险，追求更高的农业经济效益促进生产发展，提高农民收入。 我国目前大部分温室还是传统意义上的简易温室，并且温室环境的各项指标采集需要耗费大量劳动力，简易温室能够取得收效的多少取决于农业从业人员的经验。传统温室显然已经不足以满足精细农业生产的发展趋势。所以需要一种能够基于 Android 手机客户端的，能够实现数据自动采集、智能控制的温室系统已经是大势所 趋。 本文提出的系统，旨在通过软件工程技术以及物联网电子信息技术在农业生产中 4
