收稿日期 基金項(xiàng)目 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 DC 第一作者簡(jiǎn)介 李 熒 女 本科生 主要從事軟件工程方面的研究 m i 6 6 6 com 通訊作者 谷志新 女 副教授 博士 主要研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)應(yīng)用 m i gz ne u edu cn 第 卷 第 期 年 月 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 FOR STR C R 線性回歸 nd oid 監(jiān)控 中圖分類號(hào) TP 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 文章編號(hào) 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 近年來 隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高 機(jī) 械化 智能化在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的地位日益突出 對(duì)溫 室的生產(chǎn)需求逐年上升 我國(guó)的棚式種植面積從建 國(guó)初期的不足 億 m 到如今的 億 m 穩(wěn)居世 界首位 雖然在種植面積上我國(guó)處于領(lǐng)先地位 但 在棚式的信息化 智能化方面 我國(guó)的發(fā)展速度卻較 為緩慢 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個(gè)受地域 氣候影響的產(chǎn)業(yè) 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚的出現(xiàn)可以給農(nóng)作物提供適應(yīng)的生長(zhǎng) 環(huán)境 但仍存在管理難度大 生產(chǎn)效率低等問題 難 以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展 就我國(guó)溫室技術(shù)整體水平 較低來看 種植者如果擁有一款智能設(shè)備 就能有效 降低溫室作業(yè)的人力成本 提高生產(chǎn)效率 減少監(jiān)控 難度 因此 推進(jìn)現(xiàn)代溫室農(nóng)業(yè)的智能化變得越來 越重要 第 期李 熒 等 溫室巡航機(jī)器人 PP 本項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)開發(fā)一款基于無線W F 視頻采 集模塊為核心的智能巡航機(jī)器人控制 PP 利用手 機(jī) PP控制溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大棚內(nèi)的 溫度監(jiān)測(cè)與控制 通風(fēng)視頻監(jiān)控功能和對(duì)室內(nèi)溫濕 度變化的預(yù)測(cè)等功能 打破傳統(tǒng)管理模式 通過對(duì)環(huán) 境的準(zhǔn)確控制提高產(chǎn)量且解放勞動(dòng)力 同時(shí)避免繁 瑣的布線問題 真正實(shí)現(xiàn)智能化管理 本項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容是基于 nd oid平臺(tái)的 溫室巡航機(jī)器人 PP軟件系統(tǒng)界面和功能的設(shè)計(jì) 包括以下幾個(gè)方面 通過對(duì)利用機(jī)器人進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚管理嵌入 式控制系統(tǒng)的研究 確定本項(xiàng)目涉及的基于 nd oid 平臺(tái)的溫室巡航機(jī)器人 PP系統(tǒng) 對(duì)該軟件的功能需求及設(shè)計(jì)進(jìn)行分析 以及 對(duì) PP軟件中各個(gè)功能模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè) 計(jì) 并完成系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì) 針對(duì)溫室大棚巡航機(jī)器人收集的數(shù)據(jù) 建立 相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ) 其中包括土壤 的溫濕度 空氣的溫濕度 CO 濃度 光照強(qiáng)度等信 息 同時(shí)還包括用戶注冊(cè)的個(gè)人信息 完成基礎(chǔ)功能的建設(shè)后 進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試并得出 結(jié)論 在移動(dòng)端完成以上功能 方便遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的記錄 和查詢 以及遠(yuǎn)程視頻信息的查看等功能 以得到適 宜于溫室栽種農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境 PP功能 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的 PP主要應(yīng)用于日光溫室 其功 能主要包括信息采集 數(shù)據(jù)管理 遠(yuǎn)程控制和信息發(fā) 布等 通過以上功能的開發(fā) 實(shí)現(xiàn)了信息采集 視頻 監(jiān)控 設(shè)備控制 溫度調(diào)控等功能集成 基于 nd oid平臺(tái)的溫室巡航機(jī)器人 PP軟件 系統(tǒng)界面和功能的設(shè)計(jì) PP是直接面對(duì)農(nóng)戶的 是 整個(gè)系統(tǒng)的控制中心 所有的命令由農(nóng)戶通過該 PP發(fā)送 農(nóng)業(yè)大棚的實(shí)時(shí)狀態(tài)呈現(xiàn)在整個(gè)手機(jī)屏 幕中 農(nóng)戶通過視頻信息掌握到大棚的溫度情況 即 通過 PP可以控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)觀察大棚里面的每一 個(gè)角落 需要對(duì)大棚進(jìn)行降溫時(shí) 通過 PP啟動(dòng)鼓風(fēng) 機(jī)進(jìn)行降溫 用 PP對(duì)大棚進(jìn)行全面智能指令控制 PP總體設(shè)計(jì) 溫室巡航機(jī)器人系統(tǒng)軟件程序 PP的設(shè)計(jì)主要 是根據(jù)研究?jī)?nèi)容中確定的功能需求分別對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù) 服務(wù)器以及客戶端進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 格式以及為后續(xù)系統(tǒng)的調(diào)用邏輯奠定基礎(chǔ) 對(duì)數(shù)據(jù) 庫(kù)的設(shè)計(jì)可以分為對(duì)所需求表的設(shè)計(jì)及各表中字段 的設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)需要具備對(duì)系統(tǒng)整體邏輯的充分了 解及對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)用方式的深刻理解 2 2 服務(wù)器設(shè)計(jì) 服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為系統(tǒng)的運(yùn)行提供了良好 的支撐 為收集并存儲(chǔ)極為龐雜的環(huán)境數(shù)據(jù)奠定了 良好的基礎(chǔ) 2 3 客戶端設(shè)計(jì) 客戶端的設(shè)計(jì)主要從用戶角度出發(fā) 在實(shí)現(xiàn)所 需功能的基礎(chǔ)上還要盡可能地提高用戶體驗(yàn)并簡(jiǎn)化 代碼 提升運(yùn)行速度 客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了 良好的人機(jī)交互功能 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖 所示 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)原則應(yīng)該滿足三點(diǎn) 一是滿足 系統(tǒng)的功能性需求和非功能性需求 這是軟件架構(gòu) 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循的基本原則 也是一個(gè)軟件應(yīng)該所 滿足的最基本的要求 二是具備實(shí)用性 軟件架構(gòu)設(shè) 計(jì)不應(yīng)該過分設(shè)計(jì)或者是定位太高 就像軟件系統(tǒng) 的使用必須具備實(shí)用性能夠解決客戶最需要解決的 問題一樣 三是應(yīng)該滿足復(fù)用的要求 最大程度地提 高開發(fā)人員的工作效率 3 1 系統(tǒng)的技術(shù)性架構(gòu) 為了滿足系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則 本系統(tǒng)采 用 C設(shè)計(jì)模式 C是一種軟件設(shè)計(jì)的典范 用 一種業(yè)務(wù)邏輯 數(shù)據(jù) 界面顯示分離的方法組織代 碼 將業(yè)務(wù)邏輯聚集到一個(gè)部件里面 在改進(jìn)和個(gè)性 化定制界面及用戶交互的同時(shí) 不需要重新編寫業(yè) 務(wù)邏輯 C組件功能及其關(guān)系描述如圖 所示 在 nd oid應(yīng)用的開發(fā)中 視圖層 ie 一般采 用 m 文件進(jìn)行界面描述 控制層 Con o e 使用 c ivi y與業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行處理 原因是 c ivi y響應(yīng) 時(shí)間為 s 程序容易被回收 模型層 ode 主要是 對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)操作等做處理 事實(shí)上 在 nd oid SD 中的數(shù)據(jù)綁定也采用與 C框架類似的方法 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備第 卷 在控制層按視圖和模型的要求封裝就可以在視圖模 型上顯示 以此來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綁定 nd oid移動(dòng)終端 與后端的交互采用了 so 調(diào)用WCF服務(wù)的交互 方式 此外 本系統(tǒng)的開發(fā)采用了 語(yǔ)言 它具有 下列優(yōu)點(diǎn) 簡(jiǎn)單 面向?qū)ο?分布式 解釋執(zhí)行 魯棒 安全 體系結(jié)構(gòu)中立 可移植 高性能 多線程以及動(dòng) 態(tài)性 圖1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖 圖2 C組件功能及其關(guān)系描述 第 期李 熒 等 溫室巡航機(jī)器人 PP 3 2 nd oid的系統(tǒng)架構(gòu) 本設(shè)計(jì)架構(gòu)遵循 nd oid系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)原則 并著重在應(yīng)用層進(jìn)行了設(shè)計(jì)與開發(fā) nd oid操作 系統(tǒng)和其他操作系統(tǒng)一樣 采用分層架構(gòu) nd oid 系統(tǒng)架構(gòu)如圖 所示 nd oid分為四層 由高到低 分別為應(yīng)用程序?qū)?應(yīng)用程序框架層 系統(tǒng)運(yùn)行庫(kù)層 和 inu 核心層 應(yīng)用程序?qū)佑?v 語(yǔ)言編寫 與用戶直接交互 例如 手機(jī)上的短信 撥號(hào) 瀏覽器 日歷等程序 以 及開發(fā)人員開發(fā)的其他應(yīng)用程序 應(yīng)用程序框架層提供 PP開發(fā)時(shí)所需要的相關(guān) 類庫(kù) 使開發(fā)人員可以快速地開發(fā)應(yīng)用程序 方便重 用組件 也可以通過繼承實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的拓展 例如 常用軟件都會(huì)用到的框架 活動(dòng)管理器 c ivi y n ge 窗口管理器 Windo s n ge 內(nèi)容提供 器 視圖 通知管理器 包管理器 資源管理器 位置 管理器 電話管理器 PP服務(wù)等 圖3 nd oid系統(tǒng)架構(gòu) PP實(shí)現(xiàn) 4 1 棚內(nèi)溫 濕度檢測(cè)與控制的實(shí)現(xiàn) 太陽(yáng)輻射是大棚溫度的主要熱量來源 但由于 大棚的密閉性 其內(nèi)部溫度相較于露地也有所不同 不同時(shí)段的溫度也會(huì)有所差異 到 月 棚內(nèi)溫度會(huì) 到達(dá) 月 6月會(huì)到達(dá) 如果不及時(shí)釋放 熱量會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生極大影響 月 月溫度會(huì)到達(dá) 頂峰 這時(shí)就必須更改大棚設(shè)施來控制溫度 所以通 過歷史 天的溫度來預(yù)測(cè)溫度是十分必要的 而且溫度變化比較符合線性回歸模型 線性回歸模 型如圖 所示 在實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)溫 濕度情況的基礎(chǔ)上 定時(shí)更 新相應(yīng)的溫 濕度變化表格變化 基于線性回歸算 法 考慮不同時(shí)間下的光照 二氧化碳濃度 氧氣濃 度對(duì)未來某一節(jié)點(diǎn)的溫 濕度進(jìn)行預(yù)測(cè) 實(shí)現(xiàn)智能 化的預(yù)測(cè) 友好地提示農(nóng)戶進(jìn)行澆水 通風(fēng) 調(diào)節(jié)光 照等操作 實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)問題的預(yù)測(cè) 使棚內(nèi)的管理更 加智能 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備第 卷 圖4 線性回歸模型 4 2 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn) 建立以溫室數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 儲(chǔ)存產(chǎn) 生所需要的信息 如用戶信息 溫室大棚環(huán)境信息 等 完成數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)追溯等功能 數(shù)據(jù)庫(kù)總體 R圖如圖 所示 4 3 客戶端與服務(wù)器通信實(shí)現(xiàn) 服務(wù)器需與巡航機(jī)器人 傳感器 數(shù)據(jù)庫(kù)及客戶 端進(jìn)行交互 其中數(shù)據(jù)表與接口間的交互采用 DBC 實(shí)現(xiàn) 服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的交互主要是增 刪 改 查操作 其余交互方式均為請(qǐng)求 響應(yīng)模式 客戶端與服務(wù)器端的通信主要是客戶端通過 TTP協(xié)議向服務(wù)器端發(fā)出請(qǐng)求 服務(wù)器端向客戶端 發(fā)送 son格式的返回信息 客戶端的主要任務(wù)是解 析 son格式的信息以獲取服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù) 服 務(wù)器端總體設(shè)計(jì)如圖6所示 圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)總體 R圖 系統(tǒng)測(cè)試與分析 5 1 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析 主要測(cè)試系統(tǒng)具備根據(jù)用戶登錄時(shí)填寫用戶名 及密碼狀況分別彈出提示的功能 考慮到用戶在未 填寫用戶名或密碼時(shí)并不需要再詳細(xì)分情況提示 當(dāng)用戶名填寫錯(cuò)誤或密碼填寫錯(cuò)誤時(shí)用戶不易分 辨 因此系統(tǒng)主要將其分為三種情況進(jìn)行判斷 未輸 入用戶名或密碼 用戶名錯(cuò)誤 密碼錯(cuò)誤 并根據(jù)情 況分別彈出To s 提示 請(qǐng)輸入用戶名密碼 該用 戶不存在 及 密碼不正確 第 期李 熒 等 溫室巡航機(jī)器人 PP 圖6 服務(wù)器端總體設(shè)計(jì) 5 2 系統(tǒng)功能測(cè)試與分析 系統(tǒng)可針對(duì)溫室大棚巡航機(jī)器人收集的數(shù)據(jù) 建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ) 其中包括土 壤的溫濕度 空氣的溫濕度 CO 濃度 光照強(qiáng)度等 信息 同時(shí)還包括用戶注冊(cè)的個(gè)人信息 方便遠(yuǎn)程數(shù) 據(jù)的記錄和查詢 以及遠(yuǎn)程視頻信息的查看等功能 以得到適宜于溫室栽種農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境因素的感知控制 包括自動(dòng) 巡航 通風(fēng)視頻監(jiān)控 控制機(jī)器人移動(dòng) 控制鼓風(fēng)機(jī) 等功能 同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫 濕度的檢測(cè)與控制 包括 溫度檢測(cè) 生成溫度變化圖像 預(yù)測(cè)澆水時(shí)間等功 能 PP頁(yè)面如圖 所示 6 總結(jié)與期望 經(jīng)過研究與開發(fā) 溫室大棚巡航機(jī)器人 PP未 來的大范圍推廣使用將實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)與控 制 通風(fēng)視頻監(jiān)控功能和對(duì)室內(nèi)溫濕度變化的預(yù)測(cè) 等功能 打破傳統(tǒng)管理模式 通過對(duì)環(huán)境的準(zhǔn)確控制 提高產(chǎn)量解放勞動(dòng)力 同時(shí)避免繁瑣的布線問題 真 正實(shí)現(xiàn)智能化管理 但系統(tǒng)仍存在以下不足 系統(tǒng)運(yùn)行過程中 如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接問題 TTP請(qǐng)求就會(huì)拋出異常 這些異?？赡軙?huì)導(dǎo)致系統(tǒng) 無響應(yīng)或強(qiáng)制關(guān)閉等現(xiàn)象 降低用戶體驗(yàn) 可以細(xì)化對(duì)設(shè)備及傳感器的操作 以滿足更 多科研需求 參考文獻(xiàn) 曹起武 基于云計(jì)算的農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃與實(shí)時(shí)定位研 究 農(nóng)機(jī)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 馬國(guó)旗 儲(chǔ)著東 等 基于灰色預(yù)測(cè)模型的溫室溫濕度 系統(tǒng)建模與控制 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 6 S 于珊珊 張建軍 李為民 等 農(nóng)業(yè)機(jī)器人并聯(lián)視覺云臺(tái)研究 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 6 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備第 卷 圖7 PP頁(yè)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 羅黨 王小雷 孫德才 等 含時(shí)間周期項(xiàng)的離散灰色DG T 模型及其應(yīng)用 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐 6 李國(guó)輝 農(nóng)業(yè)機(jī)器人避障路徑智能規(guī)劃研究 農(nóng)機(jī)化研究 6 潘力 高偉強(qiáng) 劉建群 等 基于云計(jì)算的噴涂機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控 診斷系統(tǒng)的研究 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù) 6 王飛濤 樊春春 李兆東 等 機(jī)器人在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀 及發(fā)展趨勢(shì)分析 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 呂照民 周革 苗晨 基于自適應(yīng)主成分分析的化工過程在線 監(jiān)測(cè) 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào) 工學(xué)版 責(zé)任編輯王琦 行業(yè)內(nèi)外 6