基于UML的嵌入式溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

　　溫室生產作為高效、高科技含量的大規(guī)模生產方式已經成為世界農業(yè)的發(fā)展趨勢。溫室設施的自動監(jiān)測和控制技術可以為農作物創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，節(jié)約人力成本，提高農作物的產量，因此需要開發(fā)與溫室相關的自動化技術，以降低運行成本、提高效率、實現(xiàn)環(huán)境的精確控制。我國目前的溫室沒施綜合監(jiān)測水平不高，控制能力比較差，帶有綜合環(huán)境自動調節(jié)的高科技溫室主要從國外引進。筆者開發(fā)了以S3C2 440為核心的嵌入式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以完成溫室環(huán)境參數的監(jiān)測和收集，同時通過輸出機構實時控制溫室環(huán)境以達到溫室監(jiān)測和控制智能化的目的，具有精度高，智能控制等優(yōu)點。

　　軟件工程領域最重要的、具有劃時代意義成果之一的就是統(tǒng)一建模語言UML(Unified Modeling Language)的出現(xiàn)。開發(fā)系統(tǒng)可以借助UML的CASE工具來完成從軟件的分析、設計、實現(xiàn)到測試的一系列軟件工程過程，大大提高了軟件開發(fā)的復用性和效率，降低了軟件開發(fā)過程中的返工率。文中采用了UML方法來設計一個軟硬件都要考慮的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，從而體現(xiàn)了UML強大的表達能力，該系統(tǒng)用UML表達清晰、嚴謹、易于實現(xiàn)。

　　1 溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)主要架構如圖1所示，系統(tǒng)由上位機、下位機和執(zhí)行結構組成。上位機為PC機可以處理下位機傳送的溫室環(huán)境參數同時可以給下位機發(fā)出指令。下位機是以Samsung S3C2440為主控制器，資源豐富功能強大，其主頻為400MHZ,最高可達533MHZ,內存為64MSDRAM,數據總線32 bit,S3C2440還支持以太網卡，很容易實現(xiàn)網絡功能。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)行結構包括循環(huán)風機、噴水系統(tǒng)、內外遮陽電機等?！　?/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I2C總線與ARM連接，減少電路硬件成本，簡化電路。系統(tǒng)中為了同時測量溫室內的溫濕度值，將各SHT11的SCK先接到S3C2440的同一個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)測和光強度監(jiān)測

　　CO2濃度監(jiān)測采用NEMOTO公司生產的NAP-21ACO2傳感器，NAP-21A輸出線性好，有較好的長期穩(wěn)定性與極好的重復性及精度。該傳感器是一種熱傳導式CO2傳感器，在不同濃度的CO2氣體中其阻值與CO2的濃度成線性關系，傳感器通過放大器連接。光強測量選用TAOS公司的TSI25 61光強度傳感器，該傳感器具有數字式輸出端口和標準I2C總線接口，測量的照度范圍為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。可以設置光強度上、下閾值，控制執(zhí)行結構的遮陽板。

　　1.2 輸出執(zhí)行結構

　　系統(tǒng)的執(zhí)行機構包括循環(huán)風機、噴水系統(tǒng)、內外遮陽電機等。利用微控制器輸出高低電平，控制開關。當溫室內的溫度、濕度、CO2等各個環(huán)境參數，通過無線數據采集系統(tǒng)采集到微控制器并顯示出來，再由有線通訊模塊傳送到上位機系統(tǒng)，與數據庫進行比對，得出適合該種作物的環(huán)境參數，上位機通過通訊模塊發(fā)送信息到下位機，下位機再根據各個信息發(fā)出執(zhí)行命令控制執(zhí)行機構。當然也可以直接通過下位機發(fā)出執(zhí)行命令控制執(zhí)行結構，注意下位機執(zhí)行輸出機構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系構成的圖。是對系統(tǒng)功能的陳述。改圖說明用例模型中的關系，如圖2所示?！　?/p>

 

　　本系統(tǒng)中，遠端管理員通過上位機可以查看歷史數據，設置環(huán)境參數，設定溫濕度閾值，光照閾值，CO2閾值，發(fā)送命令到下位機。下位機可以根據上位機發(fā)送的閾值控制執(zhí)行機構，下位機通過傳感器收集溫室環(huán)境的信息，下位機可以把信息傳送給上位機。本地管理員也可以通過下位機的顯示模塊直接控制執(zhí)行結構。