基于UML的嵌入式溫室環(huán)境監測系統設計

　　溫室生產(chǎn)作為高效、高科技含量的大規模生產(chǎn)方式已經(jīng)成為世界農業(yè)的發(fā)展趨勢。溫室設施的自動(dòng)監測和控制技術(shù)可以為農作物創(chuàng )造良好的生長(cháng)環(huán)境，節約人力成本，提高農作物的產(chǎn)量，因此需要開(kāi)發(fā)與溫室相關(guān)的自動(dòng)化技術(shù)，以降低運行成本、提高效率、實(shí)現環(huán)境的精確控制。我國目前的溫室沒(méi)施綜合監測水平不高，控制能力比較差，帶有綜合環(huán)境自動(dòng)調節的高科技溫室主要從國外引進(jìn)。筆者開(kāi)發(fā)了以S3C2 440為核心的嵌入式環(huán)境監測系統可以完成溫室環(huán)境參數的監測和收集，同時(shí)通過(guò)輸出機構實(shí)時(shí)控制溫室環(huán)境以達到溫室監測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一建模語(yǔ)言UML(Unified Modeling Language)的出現。開(kāi)發(fā)系統可以借助UML的CASE工具來(lái)完成從軟件的分析、設計、實(shí)現到測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)設計一個(gè)軟硬件都要考慮的溫室環(huán)境監測系統，從而體現了UML強大的表達能力，該系統用UML表達清晰、嚴謹、易于實(shí)現。

　　1 溫室環(huán)境監測系統組成

　　系統主要架構如圖1所示，系統由上位機、下位機和執行結構組成。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(shí)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(xiàn)32 bit,S3C2440還支持以太網(wǎng)卡，很容易實(shí)現網(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。輸出執行結構包括循環(huán)風(fēng)機、噴水系統、內外遮陽(yáng)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(lèi)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(xiàn)與ARM連接，減少電路硬件成本，簡(jiǎn)化電路。系統中為了同時(shí)測量溫室內的溫濕度值，將各SHT11的SCK先接到S3C2440的同一個(gè)I/O口，而DATA線(xiàn)則分別接到不同的I/O上。

　　1.1. 2 CO2濃度監測和光強度監測

　　CO2濃度監測采用NEMOTO公司生產(chǎn)的NAP-21ACO2傳感器，NAP-21A輸出線(xiàn)性好，有較好的長(cháng)期穩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(xiàn)性關(guān)系，傳感器通過(guò)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(xiàn)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(diǎn)?？梢栽O置光強度上、下閾值，控制執行結構的遮陽(yáng)板。

　　1.2 輸出執行結構

　　系統的執行機構包括循環(huán)風(fēng)機、噴水系統、內外遮陽(yáng)電機等。利用微控制器輸出高低電平，控制開(kāi)關(guān)。當溫室內的溫度、濕度、CO2等各個(gè)環(huán)境參數，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據采集系統采集到微控制器并顯示出來(lái)，再由有線(xiàn)通訊模塊傳送到上位機系統，與數據庫進(jìn)行比對，得出適合該種作物的環(huán)境參數，上位機通過(guò)通訊模塊發(fā)送信息到下位機，下位機再根據各個(gè)信息發(fā)出執行命令控制執行機構。當然也可以直接通過(guò)下位機發(fā)出執行命令控制執行結構，注意下位機執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)送到執行裝置，不帶陰影的是執行裝置，分別執行相關(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)系構成的圖。是對系統功能的陳述。改圖說(shuō)明用例模型中的關(guān)系，如圖2所示?！　?/p>

 

　　本系統中，遠端管理員通過(guò)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)送的閾值控制執行機構，下位機通過(guò)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(guò)下位機的顯示模塊直接控制執行結構。