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篇1：智能航标作业数据管理系统设计研究论文
智能航标作业数据管理系统设计研究论文
摘要：通过整合现有卫星定位、船舶导航、航标基础数据等技术，建设一个兼顾航标定位、作业导航、航标资料管理、作业信息共享的信息化平台，将进一步提高航标作业的安全性、准确性和便利性。
关键词：智能；航标作业；数据共享；电子海图
“十三五”时期，在国家海洋强国战略和辖区经济社会迅速发展的大背景下，辖区港口、海洋工程建设规模不断扩大，导助航设施数量逐年增加，航标维护工作量也随之增长。北海航海保障中心“十三五”规划中明确提出“提升航标业务管理信息化水平，提升航标管理效率”的要求，为促进现代信息技术在航海保障服务领域的深度应用，建立基于互联网络的综合航海保障体系，加强对信息数据的感知、传输和管理，综合天津航标处辖区航标维护工作任务特点和航标维护设备能力情况，拟研究开发智能航标作业数据管理系统。
1.浮标作业现状分析
随着港口和海洋工程的发展，航标设置范围不断扩大，作业单位的作业地点更加分散，各作业单位的作业经验一般采取集中会议的方式进行交流，难以实时、全面的共享。原使用的作业系统普遍存在电子海图较早失去现势性、没有电子海图无法直观查看作业轨迹以及需要人工录入航标基础数据和变动信息等问题，在增加一线工作量的同时，也容易产生人为失误。在航标巡检、抛设、更换、撤除、调整等作业过程中，现有操作方式需要人工将天线放置在船舶作业的具体位置，给作业人员造成安全隐患的同时，增加了工作难度。现有GPS定位在船舶速度较低的情况下，无法准确判断导航方向，需要作业人员结合其他导航设备提供的信息人工判断方向，影响工作效率，限制了作业质量的提升。
2.系统建设的必要性
（1）建立基于互联网络的航标作业数据管理系统，有助于加强对各作业单位作业信息数据的感知、传输和管理，实现各航标业务管理单位之间的作业信息的互联互通，消除信息孤岛，提高信息复用水平。（2）研发智能航标作业数据管理系统可有效将电子海图、船舶通导数据、航标基础数据库等整合利用，提高航标作业的信息化程度，使操作者更直观、更准确的完成航标任务作业的要求，在确保作业质量的同时，减轻作业人员工作量。（3）海事“三化”中的“现代化”提出了“装备良、技术先进、文化领先”的要求，研发智能航标作业数据管理系统正是实现海事装备现代化管理的重要手段和必由之路。目前，电子海图、数据信息化共享等技术已逐渐成熟，为系统功能的实现奠定了基础。
3.系统功能设计
本系统由航标基础数据、电子海图、船舶定位、航行记录、作业管理等部分构成，为作业船舶提供目标数据和精准定位、记录航行轨迹、推荐航路等服务。系统采用C/S架构设计，分为服务器端和客户端。系统硬件主要包括服务器、GPS天线、北斗天线，软件主要包括数据库、电子海图、应用软件等。
（1）航标基础数据本系统所需的航标基础数据从“全国沿海航标基础数据库系统（航标处版）”中获取，包括航标名称、航标编号、坐标、灯质等信息。本系统对航标基础数据没有修改权限，通过移动网络从“全国沿海航标基础数据库系统（航标处版）”单向同步所需数据，确保本系统应用的航标基础数据是最新的。在没有公网信号覆盖的情况下，可通过U盘进行航标基础数据的拷贝。作业完成后，变动的航标基础数据按照《航标基础数据库维护须知》的相关要求，由航标管理站更新至“全国沿海航标基础数据库系统（航标处版）”。
（2）船舶定位同时安装GPS天线和北斗天线，并接入船舶电罗经和本船对地航速等信号，系统自动修正定位天线与航标作业位置之间的误差，经数字化后显示到客户端，为驾驶员快速提供精准的坐标和航向，解决以往人工核准信息的困难，使作业过程更加简便，提高作业效率。
（3）电子海图电子海图在服务器端更新，通过互联网或U盘由服务器端单向导入客户端，导入的`新海图与客户端中已存在的海图自动拼接显示。
（4）航行记录GPS和北斗船载终端按照设定的时间间隔，将船舶的坐标、航向、航速等动态信息实时传送至管理平台上，船舶驾驶人员通过管理平台即可掌握船舶的实时运行状态。管理平台自动记录船舶航行的动态数据，并可进行航行轨迹的回放和导出。轨迹回放区域可根据起始时间和结束时间、作业目标、作业类型进行筛选。显示轨迹形式分为列表模式或海图模式。列表形式显示包括时间、速度、船舶方向、航标方向、经纬度。海图模式以海图为基础，在海图上更直观的显示船舶运行的轨迹和船舶的相关信息，可按选择的倍速进行回放，同时可导出静态图片和动态图像。
（5）作业管理
①作业目标获取。一是本系统服务器从“两个平台”服务器中获取作业目标的数据后，同步至船载终端；二是手动将作业目标数据录入船载终端。
②数据共享。作业完成后，利用移动网络或U盘在服务器端与船载终端之间进行数据同步，不再限于作业总结会上口述交流，为船舶驾驶员之间及时分享作业经验提供便利。
③航路推荐。考虑船舶作业效率和安全性，需为驾驶员提供直观、安全的航线。驾驶员可根据经验手动预设航线、根据需要选择自动记录的历史航线，或者由平台智能推荐航线。平台根据驾驶员选择的要素（如作业时长优先、节能减排优先、危险点优先）后进行数据分析，推荐最佳航线，在行驶过程中提示航速、航向以及浅点、沉船和转向点等信息，为航行提供更丰富的参考数据。
4.结束语
本系统建成后，各作业单位可以实时分享航标作业经验，减轻一线作业人员在航标作业过程中对作业数据的搜集、设计、定位操作、任务记录和整理工作量，显著提高作业效率，提升作业安全性。该系统经试运行完善后，可推广至海区各作业船舶和航标管理站。
篇2：智能信息管理系统设计研究论文
智能信息管理系统设计研究论文
摘要：随着互联网的快速发展和计算机技术的普及应用，智能化浪潮席卷各个领域，其中，家居智能化管理成为新的发展趋势。由于智能信息管理系统具有方便、高效、智能化等特点，对促进智能家居产业的发展产生积极的影响。通过深入分析用户的需求，构建一个以互联网为平台的智能家居信息管理系统，该系统主要由用户登录模块、视频监控模块、电气设备控制模块等组成，便于用户远程控制各种家居设施。通过一系列的系统测試方法，检验智能家居信息管理系统的稳定性，为用户的日常生活带来极大便利。
关键词：互联网平台；智能家居信息管理系统；系统测试；远程控制
引言
在社会信息化的推动下，智能家居信息管理系统促使人们的生活更加方便、快捷，各种电气设备均得到有效控制和管理。智能家居信息管理系统作为智能家居系统的重要组成部分，无疑在整个系统实施中发挥着重要的作用。因此，智能家居信息管理系统依托新技术的发展对整个智能家居系统起到举足轻重的作用。本文的研究重点是设计合理的智能家居信息管理系统，主要实现远程监控家居环境、实时传输和存储家居环境信息等操作，确保家居环境时刻处于最佳状态，确保智能家居信息管理系统更加信息化、科学化、高效化。
1智能家居信息管理系统用户需求
智能家居信息管理系统是对整个家居环境信息和设备总的控制和管理机构，包含控制电器设备、环境数据查询、视频监控等，同时，需借助B/S架构便于用户通过互联网查询数据信息并控制各种家电设施[1]。电器设备是指系统能够根据用户需求管理的各种电器设备，例如，电视机开关、换台等，同时，能够依据用户设置的信息对设备展开相关的操作，例如，定时开灯、关灯等。数据库能够存储完整的家居历史数据，便于用户实施查询数据，并对历史数据展开分析和评估，实现智能化管理设备的目的。视频监控确保用户可以实时监控室内各个角落，如果传感器发出报警信号，监控设施可展现现场视频信息，并实时传送至信息管理系统中进行保存，便于用户对家居各项风险因素展开评估[2]。
2智能家居信息管理系统各模块及实现
智能家居信息管理系统是为适应大众智能化管理需要而开发的，该系统必须对各种功能展开集中和分块处理，智能家居信息管理系统主要由用户登录模块、历史信息查询、存储模块、数据信息管理模块、视频监控模块等部分组成，其功能模块如图1所示。
2.1用户登录模块用户登录模块是整个智能信息管理系统惟一的入口，用户必须登录成功后方可使用该系统的各项功能。用户登录界面如图2所示.用户登录系统主要包括输入用户名、校验密码等操作，如果用户输入的登录名与密码不匹配或存在错误，系统会自动给予提示，允许输错次数为5次[3]。用户登录该系统后，能够随意展开数据信息查询、电气设备控制等操作。
2.2电气设备控制模块该模块的主要功能是对整个家居环境中的电气设备进行远程管理，便于用户远程控制家居内各项电气设备的正常工作，保障用户的家庭安全。电气设备控制模块有利于外出的用户获取家庭环境设备信息，实现远程监控电气设备，例如，上班匆忙忘记关灯等，即可利用远程PC机范围智能控制家居信息，远程将照明系统关闭，确保家庭和个人财产的安全[4]。同时，电气设备模块包含不同的工作模式，能够进行手动或自动控制。电气设备信息模块能够控制多种电气，从而选择最佳的控制模块。以家居环境中的空调来说，可将空调设定为自动模式，室内温度如果高于上限，空调可以自动关闭[5]；若室内温度低于下限，空调可以自动接通电源，有效节省电费，也能保障家居的安全性。
2.3数据信息管理模块数据信息管理模块的主要功能是检测智能家居环境中的各项信息，检测的信息由各种传感器实现数据采集，传感器达到设定阈值，系统会发出报警信息，通过查询目前传感器信息、报警信息监测整个家居的安全，该模块的运行流程如图3所示。用户登录信息管理系统后，用鼠标单击数据信息管理模块，能够立即查找传感器的实时信息、传感器内的报警信息[6]。传感器数据信息主要划分为人体红外探测采集信息、门禁红外探测采集信息、水浸采集信息等，传感器发出报警信息就是有人或物体违反设定触动传感器，传感器将信息传递至数据信息管理模块，用户登录系统后即可查看此模块的详细信息。
2.4历史信息查询、存储模块该模块旨在把整个家居环境中的各种信息进行存储，达到实时记录家居信息，是整个智能信息管理系统最重要的部分之一。历史信息查询、存储模块主要包含历史信息分析功能、查询功能、存储功能。历史信息存储功能将智能家居中的各项数据进行收集和保存，为用户日后的查询提供充足的准备。历史信息分析功能是指对综合数据展开分析和处理，便于准确评估整个家居环境[7]。历史信息查询功能便于用户在系统中查询家居历史信息，有助于更好地管理整个智能家居环境。历史数据信息查询、存储实现流程如图4所示。用户可以将智能家居中无用或没有参考价值的信息进行删除，为整个系统的其他数据保存在有效范围内提供基本保障，具体删除代码如下:
2.5视频监控模块及实现视频显示模块主要利用B/S架构中的SDK数据包，采用插件的方式把视频显示界面嵌入到信息管理平台内，促使视频远程传递至信息管理系统上，方便用户实时查看家庭视频图像信息。视频监控模块主要包含常规视频监控、传感器报警区域视频监控两个功能，前者能够实时采集、传输室内画面，后者借助传感器报警发出传送的命令，摄像真正指向报警指定区域[8]。同时，视频监控界面配置摄像头控制模块，通过控制模块观察室内各个角落和设备的运行情况。视频模块实现流程如图5所示.
3系统测试要点
从开发软件程序角度来说，在程序开发过程中，不可避免地出现一系列的问题，为从源头上解决程序设计中存在的问题，必须针对设计的.系统展开程序测试。在系统测试过程中，最初将开发系统与实际需求展开比较，通过比较发现两者不吻合之处，并对两者出现的问题实施优化和改进，确保设计的系统各指标达到实际要求。通常情况下，软件测试方法包括静态和动态测试法，静态测试法相对简单，在不需要执行代码的环境下，只是根据用户需求、流程图检查系统是否存在不合理之处，也可对各种源代码实施考察[9]。同时，也可从语法结构、接口等方面入手，检查系统存在的问题。由此表明，静态测试只能发现软件浅层的漏洞。动态测试与上述静态测试法存在明显差别，动态测试法先要让系统运转起来，实际运动与软件相互结合，准确掌控系统哪些地方存在缺陷。必须注意，动态测试法必须执行程序代码，基于输入信号、输出结果对系统展开测试。若输出结果正确，表明系统正常运行，反之，必须对软件进行修改直至正常运行为止。在系统测试时期，重点要为整个系统设计行之有效的测试方案。模块化测试手段主要包括白盒和黑盒测试，本系统主要以白盒测试为主，并将黑盒测试当做系统测试的辅助手段。用户登录模块展开测试的过程中，可通过录入用户名、密码查看界面具体反映，掌握系统的容错、纠错能力，保障用户登录模块的稳定性。电气设备控制模块重点对家居环境中的电气设备控制、信息获取展开测试，采用模拟数据和真实事件两种方法，经过大量操作实施压力测试，保障模块可以准确、稳定地控制设备。数据信息管理模块的主要功能是传感器数据采集信息、显示信息、测试数据报警信息，使用模拟数据显示、模拟报警信息显示、触发真实传感器数据报警等手段验证模块的稳定性。视频监控模块通过实施监控视频报警区域监控测试，大量触发传感器检测视频是否正常传送，借助大量压力测试确定模块是否稳定。历史信息查询、存储模块旨在存储、分析、查询历史信息，采用模拟数据、存入真实数据确定该模块是否稳定。对模块展开压力测试和程序代码测试，明确代码的有效性，促使代码执行效率更高。通过一段时间的测试可知，在大量压力、白盒测试、黑盒测试状态下，用户登录模块、视频监控模块、电气设备控制模块均能满足用户需求，系统稳定性良好。
4结论
本次设计的系统以互联网为平台，由用户登录模块、视频监控模块、电气设备控制模块等部分组成，以期为智能家居产业的发展提供重要支撑，通过系统测试可知，整个系统的安全性、稳定性较高，在日后需要不断完善该系统的各项功能，推动智能家居行业的人性化、智能化发展。
篇3：嵌入式系统智能快递柜设计研究论文
嵌入式系统智能快递柜设计研究论文
摘要：近年来，电商的不断发展，在为人们的生活带来了极大便利的同时，也促进了我国快递行业迅速成长。智能快递柜的开发，是快递行业物联网+升级的重要实践，在一定程度上解决了末端配送问题，可有效降低物流成本，为客户提供更高质量的服务。因此，智能快递柜的发展是未来智慧社区、智慧社会发展的趋势。针对“最后100米”配送环节，文章设计了一种智能快递定点自取系统。
关键词：智能快递柜；物联网；充电桩
随着电子商务的发展，网购已成为人们主要的购物方式之一，并且发展势头迅猛。纵观现在的快递业，大体上由两种形式组成，即人工快递投取和快递柜自动投取[1]。本文基于嵌入式系统设计一种多功能智能快递柜，作为嵌入式技术在智能快递柜领域的探索性研究，可为以后建立大型的智能快递投递系统奠定基础。
1电路硬件设计
智能快递柜的整体系统框如图1所示。系统分为电源系统和控制系统两大部分。电源系统部分主要包括太阳能电池板、电源管理模块和可充电电池。
1.1太阳能电池板基于绿色环保考虑，本文设计的智能快递柜电源部分增加了太阳能电池板，减少对市电的使用。太阳能电池板目前市面上主要有3种：晶体硅电池板、非晶硅电池板、柔性太阳能电池。晶体硅电池板分为两种：单晶硅型和多晶硅型。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为18%左右，最高的达到24%，转换效率最高但制作成本很大。多晶硅太阳电池的光电转换效率约16%左右。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。非晶硅太阳电池的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。柔性薄膜太阳能电池不需要采用玻璃背板和盖板，重量比双层玻璃的太阳能电池片组件轻80%，可以任意弯曲，安装的时候也不需要特殊的支架。缺点是光电的转换效率要比常规的晶硅组件低。在本文设计的智能快递柜电路系统中，太阳能电池板主要需考虑的方面为成本、发电功率和发电效率，因此可以考虑采用多晶硅太阳能电池板。但结合具体环境，在有些光照条件欠佳的地方可以采用非晶硅太阳能电池板[2]。
1.2电源管理模块稳定可靠的电源是电路系统稳定工作的基本条件，因而对电源模块的性能参数要求必然不低。在本文所设计智能快递柜电路结构中，电源管理模块的作用如下：
（1）将市电转换为系统电路所需直流电。
（2）将市电和太阳能电池板发电进行功率分配控制，尽可能减小市电的使用实现节能环保。
（3）在供电正常时对可充电电池进行充电和维护，在断电时切换使用可充电电池作为电源，保证系统在断电后也能正常工作。
1.3可充电电池在本文设计的智能快递柜电路系统中，可充电电池用于断电时为系统提供应急电源。锂电池轻巧且容量大，但基于成本考虑，可以采用铅蓄电池。控制系统包括主控模块、GPRS模块、语音模块、触摸屏、键盘、摄像头模块和继电器模块。1.3.1主控模块主控模块为本系统的核心，用于进行所有数据的处理。在本文设计的智能快递柜电路系统中，综合考虑开发成本、开发难度、芯片性能等，本文采用树莓派3B作为主控模块。
1.3.2GPRS模块在本文设计的智能快递柜电路系统中，GPRS模块用于网络通信，采用SIM800A模块。SIM800A是SIMCOM公司推出的一款高性能工业级GSM/GPRS模块，可以低功耗实现语音、DTMF、SMS（短信，彩信）、GPRS数据的传输。
1.3.3语音模块在本文设计的智能快递柜电路系统中，语音模块用于对用户进行引导和提示。由于树莓派上带有音频输出接口，所以为实现语音播报，只需外接功放和扬声器。
1.3.4触摸屏本文所述的触摸屏为带触摸功能的显示屏，即包括显示屏和触摸面板。在本文所设计的智能快递柜电路系统中，显示屏重点在于可靠性，需在室外环境下长期使用。同时，尺寸也不要求很大，能满足软件界面的显示即可，因而可以考虑10.1寸以下的LCD显示器。由于树莓派上带有HDMI视频输出接口，因而可以采用HDMI接口的显示器。触摸面板种类很多，对于本文所设计的智能快递柜电路系统，主要考虑的.因素是成本和可靠性，因而可以采用五线电阻屏。关于硬件的连接，树莓派上带有USB接口，可以直接将电阻屏驱动板和树莓派通过USB直接连接，通过在树莓派上安装驱动实现触摸输入。
1.3.5键盘在本文所设计的智能快递柜电路系统中，键盘用于额外的输入设备，避免在触摸屏异常时用户无法输入。在本设计中用户的输入仅为数字，因而采用USB接口的数字键盘即可。
1.3.6摄像头模块随着技术的发展，用户的输入方式在很多场合已变为操作简易的“扫码”，在本文所设计的智能快递柜电路系统中，摄像头模块用于读取用户的二维码、条形码，可以直接通过“扫码”进行输入操作，使得系统的使用更为简便。
1.3.7继电器模块在本文所设计的智能快递柜电路系统中，继电器模块用于驱动快递柜各个货柜的电磁锁，继电器模块在电路上主要包括继电器驱动模块和继电器。
2软件设计
本文所设计的智能快递柜软件设计包括界面设计、后台程序设计和数据库设计。界面设计可通过QT实现，界面并不复杂，根据用户操作流程可分页设计为欢迎界面、登录界面、寄件收件界面。同时，可嵌入多媒体播放器用于播放广告。后台程序主要包括底层驱动程序和后台数据处理程序。底层驱动程序用于树莓派对硬件电路进行操作，包括GPRS模块的串口驱动程序和继电器模块的驱动程序。后台数据处理程序可以通过中断和顺序执行结合的方式，通过中断检测键盘、触摸屏和摄像头模块，当有用户输入时进入输入界面，将用户输入的数据与数据库进行对比，根据结果通过继电器模块控制相应的柜门打开，过程中通过语音引导用户操作。在系统闲时通过GPRS模块与服务器端通信，更新本地数据库。
3结语
智能快递柜的开发，是快递行业向互联网转型升级的重要实践，在一定程度上解决了末端配送的问题，并且可有效降低物流成本，因此，智能快递柜的发展是未来智慧社区、智慧社会发展的趋势[3]。本文所设计的基于嵌入式系统的智能快递柜，通过太阳能电池板实现节能环保，具有多种交互方式，具有一定的便利性，可为以后建立大型智能快递投递系统提供技术参考。
[参考文献]
[1]刘立华.智能快递柜自助服务的应用及其发展方向[J].物流工程与管理，（8）：54-55.
[2]车孝轩.太阳能光伏发电及智能系统[M].武汉：武汉大学出版社，.
[3]于春艳.智能快递柜自助服务[J].中外企业家，2015（3）：236-237.
篇4：基于物联网的智能社区互助系统的设计研究论文
基于物联网的智能社区互助系统的设计研究论文
1 绪论
目前行业内的智能社区解决方案分为两大阵营，无线阵营和总线阵营，无线阵营主张以互联网为平台，底层传感网使用短距离无线的传输网，并通过耦合两个异构网络形成整体框架。所有的产品都以计算机网络为应用的基础，因此它对智能化社区产品技术和成本要求较高，但它是目前国际技术的主流和发展趋势。智能住宅在我国刚刚起步，但却有着十分广阔的发展前景，市场潜力巨大。随着物联网技术的不断推广和研究，可以预见，基于物联网架构的智能社区的系统功能和服务水平将会得到逐步完善。
针对用户对社区互助系统的需求，本文提出了基于互联网的智能社区互助系统的软硬件设计方案。弥补了现有系统存在的不足，实现了社区管理的网络化。快速为用户提供详细准确的互助信息，适应不同智能小区用户的需求。
2 系统的总体设计
系统体系结构设计主要包括ZigBee网络，服务端，客户端推送界面的设计，其中客户端-服务端采用了先进的服务架构。
服务端部分包括：用户注册，用户登录和回话鉴别等部分。其中，用户可以使用个人信息进行注册，用登录系统中，用户正常使用的情况下不需要注意其他问题，用户的数据安全和用户账户的安全由服务器端进行确认和保障。
底层数据节点包括：一到多个数据节点的数据缓存和数据的简单处理，对数据进行处理包括验证数据是否达到了警报值，选择对用户告警并传出警报信息到API服务器，该模块还包括把普通的数据传送到API服务器。
3 系统的功能设计方案
系统功能模块划分：系统主要实现了求助信息处理系统，客户端展示控制界面，和附近险情报警系统，主要划分为信息处理系统，客户端响应系统，报警系统。系统的功能模块设计。
3.1 硬件设计方案
数据处理节点是一个中转站，用于对接多个数据采集节点，收集数据采集节点的数据，对数据进行简单的处理，并把数据发送到服务器。这是数据处理节点的'功能。数据处理节点是一个较之数据采集节点更高一级的处理单位，这个部分是保证上下层联通的物理保障。
系统硬件设计及功能如下：
(1) SD模块：用于读取配置文件;
(2) HTTP模块：封装好的数据通过HTTP请求发送到API服务器模块，读取来自于服务器的反馈，确认通信的成功与否;
(3) OLED模块：将实时信息显示到LED屏，采用自定义制作字模文件，把常用的字符映射到点阵中，最终实现对提示信息的显示;
(4) XBee模块：构建ZigBee网络，分为终端和协调器，终端与传感器相连，向协调器发送传感数据，协调器接收到值后进行相关处理;
(5) ARDUINO Ethernet W5100网络扩展板 SD卡扩展板Arduino;
(6) 微处理器：Arduino Due模块;
(7) 通信子系统：XBee Pro S2模块;
3.2 软件设计方案
求助信息处理系统：web接口，采用JAVAEE+MYSQL，springmvc框架，并采用nginx对数据进行负载均衡处理，传送至各个服务器并有服务器进行分析。报警信息提交，响应系统：
各个客户端通过JSON对数据进行封包、传输。软件系统设计包括以下模块：
(1)web端：搜索引擎模块，JAVASCRIPT，jQuery，AJAX;
(2)安卓端：百度地图API提交地图信息，并使用UI开源包，提升用户体验;
(3)PC端：使用libcurl等开源库对http协议进行解析，并使用MICROSOFT前端展示界面对地图范围等信息进行展示;
(4)API中间件架构。
API中间件是底层硬件部分和数据展示终端之间的桥梁，这部分接受来自于底层硬件部分的数据，对数据进行操作，持久化到数据库中，通过数据展示终端的请求，提取用户需要的数据，对数据进行封装之后发送到数据展示前端。通过这部分的中转，实现整个系统的联动，也是通过API中间件，实现了底层与前端展现的分离，保证了平台的健壮和可伸缩性，防止出现数据流失和数据泄密，这部分采用了三层架构的设计模式。从对接HTTP请求，到业务层分流，到DAO层的数据库操作，再次采用分层解耦的方式保证了API中间件本身的健壮性和弹性，维持了“高内聚，低耦合”的软件工程设计思想，这部分是整个系统的核心，各个部分的依靠弱关系进行连接，每一个部分的宕机都不会导致整个系统的崩溃，API中间件起到了很大作用，API中单件的架构。
4 结论
基于物联网的社区互助系统实现了软硬件的联动，数据自底向上的传输，整个平台是对目前物联网技术的一次完整的实践，底层的数据采集节点实现了联网，API中间件的设计保证了平台数据的上传下达，使用JSON进行数据包装，保证了前端展示的平台无关性，平台依照统一化设计，模块化开发，构造出了一套跨平台的，稳定的，结构可伸缩性的物联网平台。功能满足了社区用户的信息实时发送和回应的要求，实现社区用户网络互助功能。
篇5：汽车灯光智能控制系统设计研究论文
汽车灯光智能控制系统设计研究论文
摘要：:为了提高行车的安全性与便利性,减轻驾驶者劳动强度,设计了主要由传感器、微处理器模块、远程监控模块、灯光智能控制电路和辅助模块等组成的灯光智能监控系统。根据车外光线情况,系统智能控制汽车的小灯、近光灯及远光灯,为行车提供良好照明,也能为驾乘人员下车提供延时照明。同时,监控人员可远程控制汽车闪光灯、喇叭及灯光系统,便于驾乘人员尽快找到车辆。该系统具有性能稳定可靠、灵敏度高和操作简单等特点,可用于传统灯光系统的智能化改造,应用前景广阔。
关键词：:汽车灯光；单片机；GPRS模块；智能控制
在汽车灯光系统中,前照灯等同于汽车的眼睛,在夜间和能见度较差的情况下,确保驾驶员能清楚地观察前方100m以内的路面情况。当两车交会时,为了防止对来车驾驶员造成眩目,交规要求将远光灯切换为近光灯。据统计,全国每年由于前照灯使用不当而引发的交通事故不少于0起。目前市场上能随着行车环境的变化而自动切换车灯的汽车较少,绝大多数经济型的轿车灯光系统都不具备前照灯自动控制功能,虽然在宝马、奥迪等高端品牌汽车的部分车型上配备有灯光自动控制系统,能自动控制小灯、近光灯,尚不具备远、近光灯的自动切换功能。因此,研制能根据行车环境变化而自动、适时地开启和关闭小灯、近光灯和远光灯的灯光智能控制系统,可减少驾驶者分心去操作变光开关,减轻其劳动强度,提高行车安全性。此外,因遗忘具体停车位置而花费大量精力寻找车辆的事例屡见不鲜,研制的系统能远程控制汽车的闪光、鸣笛,有助于快速找到车辆。因此,研制灯光智能控制系统能大大提升和拓展现有汽车灯光系统的功能,具有广阔的市场前景和较大的社会与经济价值。
1系统总体设计
1.1系统构成
汽车灯光智能控制系统主要由传感器、微处理器模块、远程监控模块、灯光智能控制电路和辅助模块等5部分组成。其中,传感器主要包括光强度检测模块、周边车辆检测模块、汽车状态检测模块和手/自动模式开关等,远程监控模块主要包括监控手机和GPRS通讯模块,灯光智能控制电路主要包括行车灯光控制电路和停车声光远程控制电路,辅助模块主要包括电源、键盘、液晶显示屏和指示装置等。系统结构总体框图,如图1所示。
1.2系统主要功能
使用车辆时,驾驶者可根据需要选择自动控制或手动操作汽车灯光。采用自动模式时,系统根据点火开关所处的档位判断车辆状态,利用安装在汽车上的光电传感器,反映车外的光线强度及光线实时变化情况,然后系统依此输出信号控制汽车小灯、近光灯和远光灯的工作,为行车提供良好照明。如果会车时两车距离较近,自动将远光灯切换到近光灯,保障行车安全。同时,在发动机熄火后,系统根据车外光线情况,控制小灯、近光灯工作,可为驾乘人员提供延时照明。停车时,车辆监控人员可通过发送短信息远程开启闪光灯、喇叭,依靠声光报警实现车辆的辅助定位,便于尽快找到车辆,也可只提前开启小灯、近光灯,为驾乘人员提供照明。
2系统硬件设计
2.1微处理器模块
微处理器模块选用STC15W4K32S4单片机,是系统信号处理、分析和运算的核心。该单片机是宏晶公司生产的一款具有高速、高可靠、宽电压、低功耗、超强抗干扰、超级加密的芯片,使用增强型8051内核,1T(时钟/机器周期),指令代码与传统8051完全兼容,工作电压为5.5V～2.5V,内部高可靠复位,无需外部晶振和外部复位,还可对外输出时钟和低电平复位信号。同时,拥有4个完全独立的高速异步串口UART,分时切换可当9组串口使用。
2.2GPRS模块
在系统中,GPRS模块是单片机与监控手机之间无线通讯的关键,支持2G和GSM移动网络,具有信号覆盖面广、盲区少等特点,在网络信号较弱的地下车库和偏远地区,监控人员也可通过发送短信息对熄火后的车辆进行远程监控,实现不受空间的限制。本系统选用ATK-SIM900A模块作为GPRS通讯模块,其以西门子公司的'工业级模块TC35i为核心,自带SIM卡接口和天线接口,具有5V～24V的超宽工作电压范围,支持RS232串口和LVTTL串口,并带硬件流控制。GPRS模块与与微处理器模块通过串口相连,如图2所示。GPRS模块的引脚TXD、RXD分别与单片机的I/O口P4.6、P4.7相接,分别用于发送和接收数据[1]。
2.3显示和键盘接口电路
显示器采用0.91英寸OLED液晶显示屏,其驱动IC为SSD1306,分辨率为128×64,工作电压为3.3V/5.0V,同时具备自发光,不需要背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、使用温度范围广等特点,是一种专门用于显示字母、数字、符号的点阵型液晶模块。该模块选用SPI接口,控制线RES、D0、D1、DC、CS分别与单片机的I/O口P2.0、P2.1、P2.3、P2.4、P2.5相接。键盘接口电路采用三按键设计,即选择键K3、加键K1和减键K2,用于用于设定系统参数值[2]。
2.4灯光智能控制电路
灯光智能控制电路以三极管、继电器作为控制元件,微处理器模块根据光照传感器输入信号即车外光照强度的变化,结合车辆工作状态,单片机I/O口P0.4、P0.3、P0.2、P0.5、P0.6输出信号分别控制小灯、近光灯、远光灯、闪光和喇叭电路。系统根据点火开关档位判断汽车的工作状态,信号由I/O口P0.4、P0.3采集。以大众车系为例,若点火开关上的P线得电,则汽车处于熄火停车状态;若X线得电,则汽车处于行车状态。由于光电池的感光面积大,对可见光的光谱响应度高,适合用于对行车环境光照强度的检测。为提高可靠性,采用双光电传感器,信号ADC转换后输入到单片机引脚P1.2、P1.3。行驶过程中,如果系统根据毫米波雷达传感器信号判断对面车道在设定距离内有车辆,若为远光灯则自动切换到近光灯,会车结束后,远光灯再自动开启,确保行车安全。
3系统软件设计
由于KeilC51软件集成了C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器,利用KeilC51软件采用C语言编写行车灯光智能控制程序和停车声光远程控制程序[3]。
3.1行车灯光智能控制程序
系统上电后,微处理器模块首先初始化,根据点火开关上X号线的通电情况判断车辆状态。若处于行车状态,且使用灯光自动控制模式,单片机对灯光拨杆位置进行检测,如果灯光拨杆不在初始位置,则通过指示灯闪烁,提示驾驶者强制复位。然后,系统根据车外光照强度,控制汽车小灯、近光灯的工作,而远光灯是否开启,取决于行车时周边车辆状况。如果会车时两车距离较近,则自动关闭远光灯。若驾乘人员处于下车状态,系统根据车外光照强度控制灯光是否需要开启。若车外光线较暗,则单片机输出信号开启小灯、近光灯,为驾乘人员提供延时照明。行车灯光智能控制程序流程图,如图4所示。
3.2停车声光远程控制程序
单片机与GPRS模块采用串口通信模式,波特率为9600bit/s,发送AT指令利用GPRS模块收发短信息,实现单片机与监控手机之间的远程双向通讯。AT指令收发短信主要有TEXT和PDU两种模式,TEXT模式收发短信代码简单,但不支持中文,在系统中设置“AT+CMGF=0”,采用PDU模式USC2编码收发中文短信,最多可发送70字符[4]。系统根据点火开关所处的档位判断车辆状态。若处于停车,单片机发送AT指令使GPRS模块初始化,接收到车辆远程监控人员的短信息唤醒单片机,信息经单片机分析后确定远程控制模式。若为车辆声光辅助定位模式,则单片机输出信号控制开启闪光灯和喇叭,通过闪光、鸣笛实现车辆的辅助定位,同时根据车外光照强度,控制近光灯是否提前开启。若为灯光提前开启模式,则单片机输出信号提前开启小灯、近光灯,为驾乘人员提供照明。停车声光远程控制程序流程图,如图5所示。
4结语
设计的汽车灯光智能控制系统能根据行车环境的光线情况自动切换灯光,可减轻驾驶员的操作负担,提高行车的安全性。同时,系统在发动机熄火后能为驾乘人员提供延时照明,以及具备声光远程监控功能,体现了汽车的便利性。由于系统具有体积小巧、性能可靠、响应灵敏和操作简单等特点,适用于经济型轿车灯光系统的智能化改造,由于不改变原车电路,加装方便,适用车型广。若融合具有地图导航功能的APP软件,则车辆的定位更加精准,系统的功能更加实用。
参考文献
[1]陈新伟,王俊,沈睿谦.基于GPRS的远程检测无线电子鼻系统[J].农业机械学报,,46(4):238-245.
[2]刘海陆,楼然苗.基于GSM的鱼塘溶氧自动控制系统[J].浙江海洋学院学报(自然科学版),,32(6):558-560.
[3]王静霞.单片机应用技术(C语言版)[M].北京:电子工业出版社,.
[4]李国利,陈笑,刘旭明等.基于GSM模块的粮库远程监控系统设计[J].农机化研究,,(5):136-140.
作者：黄会明 傅丽贤 单位：浙江机电职业技术学院
篇6：带定位系统的无线蓝牙智能移动电源的设计研究论文
带定位系统的无线蓝牙智能移动电源的设计研究论文
本课题的设计研究是基于超低功耗蓝牙协议的无线智能电源应用及管理系统，它由内置蓝牙4.0模块和温度及3D加速传感器的移动电源硬件产品，智能手机终端App，以及数据分析处理的云服务三者结合，在移动智能终端实现和硬件的无线互联及信息传输应用开发，在iOS平台实现对底层蓝牙4.0模块及接口的调用，对无线传输信号侦测及无线传输距离的设置，并根据应用逻辑进行应用行为开发及界面开发。研究使普通移动电源在充电功能基础上增加智能感知功能，并且能和用户的智能手机终端进行无线交互和控制，同时电源数据还可以通过网络在云端进行存储，将用户对移动电源的使用习惯、物品丢失等进行进一步分析，最终实现移动电源智能化、联网化。
1 设计背景
根据艾瑞咨询集团发布的中国智能终端规模数据，中国智能手机的保有量为7.8亿台，同比增长34.3%，预计到将达到11.3亿台;20手机出货量为3.9亿台，比上年增长21.9%，预计到20将达到5.2亿台，这就为智能手机相关的配件市场提供了更大的空间。据海外市场研究机构ABI Research数据显示，预期智能手机配件市场将在2017年成长至380亿美元。
在手机的配件中，电池占了很大的比重。而传统电池容量每十年才提高20%，与智能手机、平板电脑等高耗电量设备的普及速度不成正比，已无法满足科技发展和人们生活的需要。因此移动电源的出现和研究，极具价值。而目前，便携式移动电源仍需解决无法智能化和数据化等缺陷，因而本课题针对移动电源和手机易被盗、移动电源无法智能化和数据化等缺陷，以蓝牙4.0技术为核心，研究设计带定位系统的无线蓝牙智能移动电源。
2 设计原理与思路
2.1 设计原理
无线蓝牙智能移动电源是基于国际蓝牙组织发布的最新蓝牙4.0协议进行工作的，主要原理是应用了无线蓝牙技术和搭载传感器的集成电路通过手机上配套的App使得各个平台之间无线连接，并且可以充分利用云端的优势进行数据存储和分析以及进一步应用拓展。
2.2 设计思路
实现将蓝牙4.0作为物联网内各种设备的无线通信技术基础，自主研发智能手机的智能配件产品及配套的移动端App，实现智能配件和手机的无线互联及命令、数据传输，并基于超低功耗蓝牙技术结合各种传感器信息搜集，以及结合目前消费电子产品市场上具有广泛认知及销量的移动电源产品，并提供嵌入式集成电路开发、移动智能终端软件开发及云端计算及大数据量存储交互的一体化解决方案，真正实现电子产品智能化。
手机端App主界面可以获取和手机相无线连接的移动电源内部的诸多信息，包括：移动电源当前电量、对各种智能设备如手机或Pad预估充电次数、当前电源预计充满电所需时间等，并且具有电源和手机端进行无线连接或断开的设置按钮以及电源设置操作按钮等，还可通过按动移动移动电源home键遥控手机拍照。移动电源设置界面可设置各种移动电源状态或情况下的提醒(图1)。
3 设计制作与步骤
3.1 无线蓝牙智能移动电源的内部设计
无线蓝牙智能移动电源包括主控模块和分别与主控模块电连接的升压模块、充电管理模块、电量读取模块和通信模块;电芯通过电芯保护模块与充电管理模块、升压模块和电量读取模块电连接;充电管理模块连接有USB充电接口，升压模块连接有USB放电接口。
通信模块采用蓝牙模块，与主控模块电连接并与外部移动设备(如手机、笔记本电脑等)通信连接，用于为外部移动设备提供移动电源的电量信息和内部相关信息。内部相关信息包括电压信息、电流信息、温度信息等。
无线蓝牙移动电源和手机或Pad等外部移动设备之间的通信包含数据通信和命令通信两种：
(1)数据通信。主要是指从移动电源内部传感器读取的电源内部温度、3D加速度数据和电量控制模块读取的电源电压、电流、电量数据，这些数据可以实时传输到手机或Pad端，通过App的加工处理，以各种可扩展的应用展示给用户，或对用户操作进行提醒。
(2)命令通信。主要是指通过移动电源上按钮，对其触发相应的指令传输到手机或者Pad端，通过App对手机或Pad进行无线遥控操作，比如遥控照相、遥控连续拍照、遥控摄像、遥控录音、遥控触发手机铃声以找到手机等;同时还可以反向通过手机端App，发出命令，传输到移动电源上，触发电源报警铃声以寻找电源。
3.2 无线蓝牙智能移动电源的外部设计
(1)材料选用无线蓝牙智能移动电源以航空铝美合金为主要原材料，以充分保障电源散热。外观设计主要包括功能端口：充电接口、放电接口、Home键，以及电量指示灯。
(2)隐藏式卡口设计。在移动电源外部设置可隐藏式卡扣，方便移动电源用户在户外或需要一边充电一边使用设备时，能较方便移动电源固定。另外，移动电源的隐藏式卡扣还可以在用户收纳电源时夹在包袋内，避免四处滑动，难于寻找。如图2所示。
3.3 配套的智能手机端APP设计
配套的智能手机端APP的设计能支持iOS系统，这就需要iOS平台的蓝牙4.0配套协议逻辑实现。
主要在用户界面部分和蓝牙稳定性方面进行了设计：
主要电源信息实时显示部分作为主页面，实时向用户显示电源信息和根据基础信息计算出的应用相关信息;遥控拍照和摄像单独一个页面，提供拍照设置、前后摄像头选择、闪光灯选择等功能，并且支持多达15张照片连续拍摄。
蓝牙连接稳定性方面，每台电源设备有唯一编码，完全可以做唯一识别判断，本项目设计的iOS平台的App，能和多达8台电源设备同时进行连接，在20米范围内可以持续稳定连接，抗干扰性强，并且蓝牙连接在超过设定的安全距离报警后，当电源设备回到安全距离范围内，蓝牙连接可以迅速地自动重新握手建立连接，无需额外操作，连接过程对用户透明，提高用户体验。
3.4 制作步骤
硬件制作→APP交互流程设计→用XCODE软件进行app程序编译→功能ICON设计→绘制app界面并进行界面视效整体优化
4 创新性分析
带定位系统的无线蓝牙智能移动电源的'设计是基于蓝牙4.0技术研发的移动电源硬件和智能手机终端App，通过两者和数据分析处理的云服务三者结合实现智能配件和手机的无线互联及命令、数据传输，并基于超低功耗蓝牙技术结合移动电源内部的传感器进行信息搜集，以及结合目前消费电子产品市场上消费者对于移动电源的需求，并提供无线充电、遥控拍照与手机上配套的App连接，在云端进行数据存储和分析，真正实现电子产品智能化。
4.1 理论与技术创新
本项目将蓝牙无线通信模块与传统消费电子产品相结合，在传统移动电源基础上，增加了蓝牙无线通信模块、温度传感器、3D加速度感应器，将传统移动电源产品进行了智能性扩展。硬件产品和智能终端App配套开发，使电源具有和智能手机之间进行数据传递和命令传递的能力，并且可以扩展多种相关功能以及用于进行终端用户使用模式的行为数据分析，最终实现移动电源智能化、数据化。
在技术上，带定位系统的无线蓝牙智能移动电源将蓝牙4.0作为物联网内各种设备的无线通信技术基础，验证了其稳定安全传输、远距离无线通信、低功耗、小体积、1对多的可行性和技术优势;成功搭建了云服务器集群，实现负载均衡，大数据量存储;在手机端iOS平台，实现对底层蓝牙4.0模块及接口的调用，对无线传输信号侦测及无线传输距离的设置，开发了支持蓝牙4.0协议的配套APP;解决一台移动智能终端和多台蓝牙4.0模块设备的连接，实现一对多的主从模式控制，实现了移动电源的智能化和联网化。
4.2 应用创新
(1)将物联技术和个人移动终端电子产品相结合，增加了电子产品智能化及附加值应用。
虽然目前移动电源产品兴起于，但技术含量低，移动电源本身除了作为应急充电电源外，不具备其他扩展功能和智能体验。而本项目设计将蓝牙4.0无线传输模块和传感器模块内置入移动电源的方式，在手机端开发配套App，实现智能手机和移动电源的无线互联以及数据、命令传输，并在基础上实现智能化功能扩展，为用户带来更好的体验。
(2)可以从智能手机端实时获取电源内部电量、温度、是否跌落等信息，并获取各种提醒，实现移动电源智能化，同时收集大量信息数据传送到云服务器，进行深入分析与处理。
目前市面上在售的普通移动电源无法获知在消费者中的实际使用行为，而本设计研究的带定位系统的无线蓝牙智能移动电源可以将用户电源信息、对电源的使用情况和行为等数据信息实时采集到手机终端，再通过网络传输到云端，进行存储，从大规模数据中进行分析。 例如，只要手机与移动电源分离达到20米左右，两者就会同时发出定位报警提示，用户都会收到及时提醒。也具备了防窃功能。
通过报警情况收集，在云端反映出用户的使用习惯，对经常发生手机或者电源遗失的地点等情况进行收集分析，从而推知在最容易发生物品遗失的地址，提前进行多种提示，避免损失。
(3)可以通过移动电源上按钮触发手机无线遥控拍照、摄像。通过蓝牙4.0无线传输协议，智能移动电源和智能手机之间除了进行数据的传输，可以进行命令的互相传输。在移动电源端硬件上设计的按钮，当手机和电源在安全范围内保持无线互联的状态下，可通过按动电源上的按钮，触发指令，控制移动电源通过中控模块向无线传输模块发出相应的命令，命令被手机端无线模块收到，并经过App的解析，根据当前App所设置是拍照或摄像状态，在手机端调用相应的拍照或摄像命令，即可实现通过移动电源无线遥控手机拍照或者摄像的功能。
(4)具有五重保护技术，可以实现低静态、持续全兼容和高效节能安全充电。所谓五重保护指的是过充保护、过放保护、过流保护、短路保护及过温保护，通过内部数字化管理系统精准的计算出延迟时间，在电源过充、过放、过流、短路以及过温的情况下关闭电路，从而有效保护移动电源及充电电子设备的安全性。带定位系统的无线蓝牙智能充电电源可以高效节能充电、给其他电子设备充电并保持低静态充电，延长电池的使用寿命。
4.3 结构创新
(1)外部设计方面。本设计研究的带定位系统的无线蓝牙智能移动电源外观采用阳极氧化处理的航空铝镁合金材质，可以充分散热。同时外部设置了可隐藏式卡扣，方便用户固定移动电源。
(2)在电路设计方面。本项目电源的电路高度集成，各个模块排布充分考虑兼容性、干扰性、以及天线调优，内部电路板面积仅有50mm*20mm，并不占用电池体积，从而产成品体积小，定制5000mAh和10000mAh电芯配合电路板外观，整体电源体积小，仅有65mm*120mm;无线天线采用全方向性高增益天线，并充分调优，使得智能移动电源本身和智能手机之间可以保持最远距离60米的无线通讯距离，考虑到实际的防丢功能需求，从软件上进行设置，在防丢定位功能启用下，保持20米安全距离。同时可以支持全金属外壳，不会影响天线工作和信号传递。
篇7：基于物联网的草莓无土栽培智能管理系统设计与实现研究论文
基于物联网的草莓无土栽培智能管理系统设计与实现研究论文
无土栽培是指不用天然土壤，使用基质或不使用基质，用营养液灌溉植物根系或用其他方式来种植植物的方法。无土栽培能够避免水分大量渗透和流失，克服土壤连作障碍，在节约用水、缓解耕地紧张等问题上优势突出，具有作物生长快、经济效益高，产品质量好，无污染、不受地区和季节限制、便于实现生产工厂化和自动化等优点，是设施栽培发展的高级阶段和重要方向。在发展速度快、栽培效益高，连作障碍明显的设施草莓栽培中，无土栽培的应用优势更为突出，且其可实现温室大棚立体栽培，显著提高经济效益和生态效益。无土栽培以人工创造的作物根系环境取代土壤环境，不仅能满足作物对矿物质营养、水分和氧气的需要外，还能应用人工技术对这些环境加以控制和调整，使其在品质方面按照需求发展。然而传统的应用人工对温室环境及其营养液进行控制、调整和检测，效率低下，容易出现错误和偏差。如何对无土栽培环境实施全方位实时监测、实时传输，根据生产要求及时调整环境参数，有效地提高生产效率和产品质量成为目前无土栽培技术的一大难点。随着农业物联网技术的发展，以传感技术与物联网技术相结合的全方位田间环境监控技术得到迅速发展。但所研制的产品功能普遍比较单一，扩展性差，更由于不能大批量生产，导致价格较高，没有取得较好的推广效果。设施农业物联网技术还没有出现一个可以在稳定性、经济性和通用性上均衡发展，最终占据市场主导地位的管理系统或管理平台。
本文利用先进的计算机技术对无土栽培温室大棚的生长环境进行科学检测、科学分析和有效控制，使其具有最为适宜的生长小环境，准确、及时掌握环境数据，科学控制草莓生长过程，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的，进而实现农业生产集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标。设计的系统适用性好、扩展性强、稳定性好，经济性和通用性都相对较高。同时，可通过远程监控，实时分析，实现远程指导、实时动态教学和管理，实现智能温室的全自动化，也可以在广大设施农业领域中起到示范作用，实现“智慧农业”的推广和应用。
1 系统架构设计
本研究设计的无土栽培温室大棚物联网智能管理系统，可使生产或其他过程按照人们编制的工作程序自动进行监控，当被监控的对象运行时，无需人的直接参与。智能监控包括自动监测和智能控制2 个方面，即利用计算机对环境因素或生产过程各因素进行全天候不间断的实时监测，并根据实时数据和控制模型进行智能判断，根据实际需要给出实时控制方案，自动完成各设备的控制。本系统集传感器、自动化监测、自动化控制、通讯、计算等技术与专家系统于一体，通过预置草莓生长发育所需的适宜环境参数和控制模型，搭建温室智能化软硬件平台，实现对草莓无土栽培温室中温度、湿度、光照、营养液浓度、pH 值、EC 值和CO2浓度等因子的自动监测和控制。
1. 1 系统设计目标
本系统由前端部分来完成对环境监测因子的含量监测与汇总、转换、传输等工作，监测因子包括空气温度、湿度、光照、营养液温度、pH 值、EC值、溶解氧、CO2浓度等环境参数，这些监测因子由数据采集终端使用不同的方法进行测量，通过数据处理转换后经由GPRS 等网络向在线监测数据平台传输数据，由在线监测数据传输平台实现数据的接收、过滤、存储、处理、统计分析并提供实时数据查询等任务。当某个指标超过设定值的时候，自动开启或者关闭指定设备。整个系统可安全、可靠、准确、实时、全面、快速、高效地将真实的草莓无土栽培生产环境信息展现在管理人员的面前，并实现智能化管理和控制。使草莓在一个充分优化的环境中生长发育，充分提高资源利用效率，减少病虫为害，节约养分、水分、能源及管理成本等，使管理精准、生产高效、生态安全。系统总体设计
1. 2 系统设计框架
无土栽培温室智能管理系统主要包含智能监测管理、智能控制模型和智能控制管理三部分。系统设计框架图见图2。其中智能监测管理系统主要由传感器、数据接驳器、集线器、数据传输终端及传输网络、数据存储器构成的在线监测系统，该系统主要负责水培温室环境因子的采集、处理和管理等。智能控制模型主要由草莓栽培专家系统、草莓生长发育各函数模型及其管理模型组成，主要实施对监测到的数据根据草莓生长发育与环境的关系模型进行科学分析、准确判别，实施控制方案的制定和发布。智能控制管理系统由控制策略程序和执行机构组成，执行机构由营养液调控系统、水分调控系统、pH 调控系统、EC 值调控系统、溶解氧调控基于物联网的草莓无土栽培智能管理系统设计与实现857无土栽培温室的环境智能监控系统设计框架系统、空气温度调控系统、空气湿度调控系统、光照调控系统等组成，执行机构的实施均采用电磁阀或电机控制。
1. 3 系统重要功能
1. 3. 1 温室环境的自动监测
通过在线监测系统能对所有影响草莓生长发育的温室环境实施全天候的在线自动监测。即可自动监测温室内的空气温度、空气湿度、光照强度、CO2浓度、营养液温度、溶解氧、pH 值、EC 值、营养液用量、灌溉水量等参数; 同时，可以监测温室外的空气温度、空气湿度、光照强度等参数。并且在线监测数据传输平台可以实现数据的接收、过滤、存储、处理、统计分析并提供实时数据查询等。不但可以使管理人员或系统本身根据实时数据和历史数据实施精准的管理，同时，还可以使领导、专家及其科研、教学人员实时观察、掌握植物生长发育状况及其与环境因子的关系，并进行相关决策、研究和教学等等。
1. 3. 2 温室环境的自动控制
根据自动监测各环境参数及其系统设计的草莓生长发育模型、专家系统及其管理模型等，制定和发布的指令，智能控制系统可以实现温室环境的自动控制，主要包含棚内栽培营养液调节和更换，溶解氧的自动调节、pH 的自动调节、EC 值的自动调控、遮阳网和薄膜的卷帘、闭帘，水帘、风机的开和关，加温、降温、通风、排湿设施的开关、灌溉和增湿设施的开关等。所有系统既可以实施全自动的控制，根据需要也可以实施手动控制。自动控制可以单个温室为基本控制单位、室内单个控制设备为基本控制单元，利用计算机技术开发分布式控制系统; 基于分布式控制系统，开发利用动力供电线路( 交流220 V) 为母线的载波数据传输接口电路。
1. 3. 3 信息管理
本系统可以实现监测数据的自动存储和分析管理，监测数据的远程遥测与控制指令的远程传输管理，及其自动控制方案的制定与发布，包括根据营养液溶度、溶解氧、pH 值、EC 值等控制下限和上限进行自动的营养液调节或更换等控制方案; 根据棚内温度、棚内外光照强度或时间进行水帘和风机及遮阳网的卷帘和闭帘等控制方案; 根据棚内空气湿度大小制定的排风控制方案、根据作物需要或按照时间制定的`增湿控制方案等; 棚内营养液积温、空气积温、累计光照时间及气温湿度、营养液pH、EC 等影响水培植物生长发育的重要参数曲线图表的绘制管理。
2 系统的实现
2. 1 智能感知
无土栽培温室环境因子的实时监测是实现智能化控制的前提和基础。由于无土栽培植物生长受诸多自然条件的影响，如环境温度、湿度和光照及其营养液温度、浓度、pH、EC 等，信息采集量很大，所以本系统根据无线传感器网络具有数据采集量大、精度高的特点，可以为用户提供详细准确的设施农业环境的信息参数，且成本低，可减小人为活动对环境的不利影响等优点[5]，选择了无线传感网络实施温室草莓无土栽培的在线监测系统，该系统是通过新一代物联网数据远程传输系统实现的实时监测系统。该系统能够以最快、最稳定的方式采集、传输监测的温室环境实时参数，为项目系统集成用户提供最佳的方案。温室在线监测系统示意图温室环境在线监测系统主要分为三部分: 数据驳系统、远程传输系统、后台存储系。
2. 1. 1 数据接驳器系列
数据接驳器实现了任意传感器的数据接入功能，内置低功耗高速ARM 处理核心，可完成目标数据采集，通道校准、存储，设备诊断，设备休眠等功能，任意传感器输出信号均可通过数据接驳器转换成标准的MODBUS-RTU 协议输出，简化用户后端系统接入，并可与现有DCS、组态软件进行无缝连接，同时也集成了常用传感器供用户快速部署。
2. 1. 2 远程数据传输终端系列
远程数据传输终端能够满足大多数环境下的数据传输需求，全系列终端均支持ZA 系列数据接驳器，远程数据传输终端可利用WiFi 网络、以太网( RJ45 有线) 、GSM/GPRS /3G ( 手机网络) 、Zigbee 无线自组织网络、北斗一代进行数据传输。终端支持远程巡检，自动采集，低功耗控制，远程配置，远程预警，GPS /北斗定位等功能; 大大增强了终端的适用范围，真正意义上实现了物联网中的“物物相联”目标。
传输终端配有数据存储平台软件( ZA DataCenter Service) ，支持MySQL /MS SQL /Oracle 数据库，最大可支持1 万个终端同时在线传输，同时支持插件式传感器解析模块，可方便系统扩展。通过不同传感器可以采集各类环境参数及其需要控制的技术参数。传输终端可接驳系列化智能数字传感器，单个传输终端可同时接入5 到10 路传感器，实现对传感器的自动识别。它具有超低功耗，自动关断负载电源，RTC 定时唤醒等的特性。终端节点支持太阳能、风光互补等多种供电模式，最大程度适应复杂的应用环境; 所有传输终端均采用专利低功耗技术，以GPRS 传输终端为例，在使用4 个智能传感器的情况下，使用普通太阳能能源系统( 约2 W) ，4 000 mA 蓄电池可连续工作2 年( 采集频率按5 min·次- 1计) 。
2. 1. 3 后台存储系统
ZA-DATA-CENTER 后台存储系统是为ZA 系列传输终端设计的后台存储服务软件，服务软件可将前端远程任意传感器的数据进行实时、定时的采集、并通过ODBC 泛用接口进行稳定存储，同时还负责检测终端及传感器设备状态、电池电量、定位数据等信息，用户可通过访问数据库中的实时表及历史表进行数据的访问及统计，也可通过服务器所提供的WebService 数据访问接口直接访问远程数据。ZA-DATA-CENTER 采用数据解析插件技术，用户可根据前端应用不同、传感器的不同，添加自定义解析插件，轻松实现系统的扩展和特殊应用需求，同时还可以通过插件接口API 开发自定义的数据访问接口。服务器采用内存池及并发连接处理技术，可同时处理大量、高频的数据请求及存储请求，非常适用于大规模终端部署及监测，增强了项目集成软件的稳定性。
2. 2 智能分析
智能分析即将监测数据实时通过网络上传到应用服务平台，应用服务平台通过云计算平台对环境情况进行计算分析，结合植物的生长发育各函数模型及其管理模型，精确判断其对环境参数对植物生长发育的影响，及时做出对环境参数调控的指令。本系统借助于现代信息模拟技术和历史栽培经验，开发建立了草莓生长发育模型，开发了草莓专家管理系统。本系统利用ZA-DATA-CENTER 后台存储系统，将采集到的传感器数据，在后台进行实时分析、处理和存储; 并能通过GSM/GPRS、3G 网络快速将数据信息同步发送到数据服务器，通过云计算平台进行精确的计算分析，与预置的草莓生长发育环境信息和生长发育模型、控制管理模型开展信息分析与研究，并与设定的预警值进行对比。根据理想的环境指标对栽培现场的环境参数通过控制系统进行精确调控，实现自动、智能的环境监控。
2. 3 智能控制
智能控制模型是智能管理系统的“大脑”，主要由专家系统、草莓生长发育各函数模型及其管理模型组成; 主要实施对监测到的数据根据草莓生长发育与环境得到关系模型进行科学分析、准确判别，实施控制方案的制定和发布。如在草莓果实成熟期当监测系统测得基质相对含水量低于65% 时，数据上传至智能控制模型，控制管理模型经分析决策，发出指令给控制系统使电磁阀开启实行灌溉，当实时测得基质相对含水量达到75%，智能控制模型即发出指令给控制系统使电磁阀关闭，停止灌溉。
2. 3. 1 分布式大规模数据存储平台
物联网技术应用普遍存在“存储使用难”，在海量的传感器数据信息下，数据的存储与交换存在技术难度，由于草莓无土栽培需传感器部署密度大、数据实时性强、要求后端存储系统具有高实时性及响应能力，一味地增加硬件来提升性能可以解决问题，从根本上解决不了规模化、产业化问题，另外在上层应用时也会遇到标准不统一、软件模块耦合过多等问题，这些问题都阻碍着物联网技术的应用与发展。ZA DataCenter 较好地解决了该难题，它是基于现代“云计算”技术的物联网专用数据存储与解析的系统应用软件，系统前端采用负载均衡单元进行分布式调度存储，数据存储稳定可靠，数据处理能力可达10 万次·s - 1，能够处理海量的数据，兼容不同数据交换协议，支持灾难性的数据恢复; 同时，软件具有良好的跨平台能力，能够支持Windows，Linux，Unix，FreeBSD 等主流操作系统。
2. 3. 2 数据库设计
ZA DataCenter 数据库存储、分析及处理监测系统的历史数据及实时数据，采用MySQL 数据库进行存储，主要由传感器历史数据表、实时数据表和信息表三张数据表构成。其中传感器历史数据表主要用于长期存储历史数据，用于上层应用中的图表显示、历史查询、分类查询等目的; 传感器实时数据表主要用于上层应用中定时刷新、实时显示等。通过数据库和图表分析技术，可对温室各环境动态数据进行实时分析并用曲线等直观方式进行显示，使管理系统或管理者及专家能及时准确的分析和判断，做出正确快捷的决策和处理。并通过开发出的可高度扩展的继电器控制模块等用户可以自定义某个参数达到或超过一定指标是否需要开启或关闭某个设备，如灌溉系统、加温系统、水帘风机降温系统、内外遮阳系统及营养液调节系统等，达到智能化控制。该控制系统不仅可以按参数值设置，还可以按时间间隔或定时设置，例如某个时间段开启或关闭某个设备。同时，可以通过预警值分析进行报警，当温室内各参数出现异常，达到设定报警值时，系统能通过手机短信、控制界面、系统广播等进行声音、图像等报警，提醒管理者尽快处理。通过远程管理软件平台和视频系统还可实现远距离监控。可将各种感知设备的基础数据进行统一存储、处理和挖掘，通过监控软件的智能决策，形成有效指令，直接指导控制执行系统或管理人员开启或关闭设备调节设施内的小气候环境，为草莓生长提供优良的生长环境。同时也可以利用该系统进行教学或科研数据的观测、采集，为相关项目提供便捷的视频、数据采集、存储和分析研究等。
3 示范应用
本研究针对草莓无土栽培精细化管理要求，自主开发了温度、湿度、光照、培养液温度、pH 值、EC 值、溶解氧、CO2浓度等多环境因素在线检测与灌溉、施肥、通风、光照等多控制系统融合的集联型控制系统，通过多环境因素的融合分析，自适应地驱动不同的控制设备，实现了草莓无土栽培温室环境的自动控制，并首先在杭州余杭农业科技园区和萧山生态循环农业示范园区开展试验应用，取得了良好的应用效果: 系统为草莓培育提供了最优环境，节约了成本和资源，提高了品质和产量，减少了病虫为害，提高了生产效率和生态安全。，栽培方式为基质栽培，对照为人工控制，人工控制处理的效果较为明显。
文档为doc格式
