基于UML的嵌入式溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　溫室生產(chǎn)作為高效、高科技含量的大規(guī)模生產(chǎn)方式已經(jīng)成為世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。溫室設(shè)施的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)可以為農(nóng)作物創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境，節(jié)約人力成本，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，因此需要開(kāi)發(fā)與溫室相關(guān)的自動(dòng)化技術(shù)，以降低運(yùn)行成本、提高效率、實(shí)現(xiàn)環(huán)境的精確控制。我國(guó)目前的溫室沒(méi)施綜合監(jiān)測(cè)水平不高，控制能力比較差，帶有綜合環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)的高科技溫室主要從國(guó)外引進(jìn)。筆者開(kāi)發(fā)了以S3C2 440為核心的嵌入式環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以完成溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)和收集，同時(shí)通過(guò)輸出機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)控制溫室環(huán)境以達(dá)到溫室監(jiān)測(cè)和控制智能化的目的，具有精度高，智能控制等優(yōu)點(diǎn)。

　　軟件工程領(lǐng)域最重要的、具有劃時(shí)代意義成果之一的就是統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML(Unified Modeling Language)的出現(xiàn)。開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可以借助UML的CASE工具來(lái)完成從軟件的分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)到測(cè)試的一系列軟件工程過(guò)程，大大提高了軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)用性和效率，降低了軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的返工率。文中采用了UML方法來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)軟硬件都要考慮的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而體現(xiàn)了UML強(qiáng)大的表達(dá)能力，該系統(tǒng)用UML表達(dá)清晰、嚴(yán)謹(jǐn)、易于實(shí)現(xiàn)。

　　1 溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)主要架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)和執(zhí)行結(jié)構(gòu)組成。上位機(jī)為PC機(jī)可以處理下位機(jī)傳送的溫室環(huán)境參數(shù)同時(shí)可以給下位機(jī)發(fā)出指令。下位機(jī)是以Samsung S3C2440為主控制器，資源豐富功能強(qiáng)大，其主頻為400MHZ,最高可達(dá)533MHZ,內(nèi)存為64MSDRAM,數(shù)據(jù)總線32 bit,S3C2440還支持以太網(wǎng)卡，很容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。其他主要部件有溫濕度傳感器SHT11,光照傳感器TSI2561和CO2傳感器NAP-21ACO2液晶顯示模塊等基本部件。輸出執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括循環(huán)風(fēng)機(jī)、噴水系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽(yáng)電機(jī)等?！　?/p>

 

　　1.1 傳感器電路

　　1.1.1 溫濕度傳感器

　　SHT11溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝，由于將傳感器與電路部分結(jié)合在一起，因此傳感器具有比其它類型的濕度傳感器優(yōu)越的多的性能。傳感器可直接通過(guò)I2C總線與ARM連接，減少電路硬件成本，簡(jiǎn)化電路。系統(tǒng)中為了同時(shí)測(cè)量溫室內(nèi)的溫濕度值，將各SHT11的SCK先接到S3C2440的同一個(gè)I/O口，而DATA線則分別接到不同的I/O上。

　　1.1. 2 CO2濃度監(jiān)測(cè)和光強(qiáng)度監(jiān)測(cè)

　　CO2濃度監(jiān)測(cè)采用NEMOTO公司生產(chǎn)的NAP-21ACO2傳感器，NAP-21A輸出線性好，有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與極好的重復(fù)性及精度。該傳感器是一種熱傳導(dǎo)式CO2傳感器，在不同濃度的CO2氣體中其阻值與CO2的濃度成線性關(guān)系，傳感器通過(guò)放大器連接。光強(qiáng)測(cè)量選用TAOS公司的TSI25 61光強(qiáng)度傳感器，該傳感器具有數(shù)字式輸出端口和標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口，測(cè)量的照度范圍為1~70 000lx,功耗僅為0.75mW.TS1256具有高速、低功耗、寬量程、可編程配置的特點(diǎn)?？梢栽O(shè)置光強(qiáng)度上、下閾值，控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)的遮陽(yáng)板。

　　1.2 輸出執(zhí)行結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括循環(huán)風(fēng)機(jī)、噴水系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽(yáng)電機(jī)等。利用微控制器輸出高低電平，控制開(kāi)關(guān)。當(dāng)溫室內(nèi)的溫度、濕度、CO2等各個(gè)環(huán)境參數(shù)，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到微控制器并顯示出來(lái)，再由有線通訊模塊傳送到上位機(jī)系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，得出適合該種作物的環(huán)境參數(shù)，上位機(jī)通過(guò)通訊模塊發(fā)送信息到下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)各個(gè)信息發(fā)出執(zhí)行命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)然也可以直接通過(guò)下位機(jī)發(fā)出執(zhí)行命令控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)，注意下位機(jī)執(zhí)行輸出機(jī)構(gòu)只在特殊情況下使用。具體部署圖如圖1所示。

　　帶陰影的是處理器，處理器處理溫室環(huán)境信息，發(fā)送到執(zhí)行裝置，不帶陰影的是執(zhí)行裝置，分別執(zhí)行相關(guān)命令。

　　2 UML靜態(tài)建模

　　2.1 用例圖

　　用例圖(Use Case Diagram)就是角色、用例以及它們之間的關(guān)系構(gòu)成的圖。是對(duì)系統(tǒng)功能的陳述。改圖說(shuō)明用例模型中的關(guān)系，如圖2所示。　　

 

　　本系統(tǒng)中，遠(yuǎn)端管理員通過(guò)上位機(jī)可以查看歷史數(shù)據(jù)，設(shè)置環(huán)境參數(shù)，設(shè)定溫濕度閾值，光照閾值，CO2閾值，發(fā)送命令到下位機(jī)。下位機(jī)可以根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的閾值控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，下位機(jī)通過(guò)傳感器收集溫室環(huán)境的信息，下位機(jī)可以把信息傳送給上位機(jī)。本地管理員也可以通過(guò)下位機(jī)的顯示模塊直接控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)。