摘要：為了實現(xiàn)對溫室環(huán)境監(jiān)測的需求，改進落后的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計方法，提出了一種先進的嵌入式溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)主要以S3C2440為核心，采用UML的方法，利用UML用例圖、類圖等靜態(tài)建模法和狀態(tài)圖、順序圖等動態(tài)建模法，完成對系統(tǒng)的建模。實際應(yīng)用表明UML方法可以清晰、直觀的實現(xiàn)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：溫室環(huán)境監(jiān)測；嵌入式；S3C2440；UML

    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。溫室設(shè)施的自動監(jiān)測和控制技術(shù)可以為農(nóng)作物創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，節(jié)約人力成本，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，因此需要開發(fā)與溫室相關(guān)的自動化技術(shù)，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(diào)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(shù)的監(jiān)測和收集，同時通過輸出機構(gòu)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(lǐng)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(shè)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(fù)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(shè)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(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由上位機、下位機和執(zhí)行結(jié)構(gòu)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(shù)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(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、噴水系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽電機等。

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(nèi)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(chǎn)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(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(shù)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?？梢栽O(shè)置光強度上、下閾值，控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)的遮陽板。
1．2 輸出執(zhí)行結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)包括循環(huán)風(fēng)機、噴水系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽電機等。利用微控制器輸出高低電平，控制開關(guān)。當溫室內(nèi)的溫度、濕度、CO2等各個環(huán)境參數(shù)，通過無線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫進行比對，得出適合該種作物的環(huán)境參數(shù)，上位機通過通訊模塊發(fā)送信息到下位機，下位機再根據(jù)各個信息發(fā)出執(zhí)行命令控制執(zhí)行機構(gòu)。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(jié)構(gòu)，注意下位機執(zhí)行輸出機構(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。
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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。是對系統(tǒng)功能的陳述。改圖說明用例模型中的關(guān)系，如圖2所示。

    本系統(tǒng)中，遠端管理員通過上位機可以查看歷史數(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。下位機可以根據(jù)上位機發(fā)送的閾值控制執(zhí)行機構(gòu)，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(jié)構(gòu)。
2．2 類 圖
    類圖來描述系統(tǒng)靜態(tài)的對象結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系。從用例圖(圖2)中可分解出一些類，并將這些類之間的結(jié)構(gòu)描述出來。類圖是最常用的UML圖，顯示出類、接口以及它們之間的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和關(guān)系，用于描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計。
    本系統(tǒng)中，兩個管理類是遠程管理員(Remote-admin)和本地管理員(Local-admin)對上位機類(The host computer)和下位機類(Lower machine)操作．下位機類對傳感器類(Sensor)、執(zhí)行機構(gòu)類(Run)和顯示模塊類(Show)進行操作。遠程管理類操作就是login；本地管理類的操作login；上位機類操作是：inquiry，set，send，receive，summit；下位機類操作是：set-show，send，receive，set-run；傳感器類屬性是：seneor_id，操作是：temperature_measure，humidity_measure，light_measure，CO2_measure，等操作；顯示模塊類是操作是：
displayr；執(zhí)行機構(gòu)類屬性是：manchine_id，操作是：set-light，set-wind，set-humidity，系統(tǒng)類圖如圖3所示。

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3 UML動態(tài)建模
3．1 狀態(tài)圖
    狀態(tài)圖(State Diagram)是描述一個實體基于事件反應(yīng)的狀態(tài)行為，顯示該實體如何根據(jù)當前所處狀態(tài)對不同的時間做出反應(yīng)的。
    本系統(tǒng)中：)下位機從各個傳感器讀取數(shù)據(jù)，顯示到顯示模塊：2)可以通過下位機根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)直接設(shè)定執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行輸出；3)下位機把接受的數(shù)據(jù)傳送給上位機，上位機根據(jù)歷史數(shù)據(jù)做出判斷得到適合該作物的環(huán)境參數(shù)，發(fā)送給下位機；4)下位機接收上位機傳送來的數(shù)據(jù)，顯示到顯示模塊：5)下位機根據(jù)接受的數(shù)據(jù)發(fā)出命令，設(shè)定執(zhí)行結(jié)構(gòu)，執(zhí)行輸出。
    系統(tǒng)狀態(tài)圖如圖4所示。

3．2 序列圖
    UML序列圖(Sequence Diagram)一般用于確認和豐富一個環(huán)境的邏輯。一個使用情境就是系統(tǒng)潛在的使用方式的描述，就是它的名稱所要描述的，其邏輯可能是一個用例的一部分，或是一條備選路線；可能是一個貫穿單個用例的完成流程，也可能包含幾個用例中的流程。系統(tǒng)序列圖如圖5所示。

    本系統(tǒng)的序列圖對應(yīng)的信息：1)傳感器讀取溫室內(nèi)溫濕度、光照、CO2參數(shù)值；2)下位機接受傳感器數(shù)據(jù)，并顯示到顯示模塊；3)下位機可以直接設(shè)置執(zhí)行機構(gòu)；4)下位機發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機，上位機做出判斷送出設(shè)定值；5)下位機接受上位機發(fā)送的設(shè)定值，顯示到顯示模塊；6)下位機根據(jù)設(shè)定值發(fā)送命令執(zhí)行輸出機構(gòu)，調(diào)整溫室環(huán)境。

4 結(jié)論
    該系統(tǒng)以S3C2440為核心，采用UML方法，設(shè)計了一個智能的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。實際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有控制參數(shù)設(shè)定方便、控制精度高、穩(wěn)定性好、人機界面友好等特點，有著極高的性價比和可行性。