安卓高效節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
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摘要：設(shè)計(jì)基于Android智能手機(jī)的高效節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、泵站安防、數(shù)據(jù)傳輸、展示操作等組成，對(duì)灌溉區(qū)域作物生長(zhǎng)環(huán)境及狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、反饋。通過灌溉控制決策軟件和Android智能手機(jī)遠(yuǎn)程控制泵、閥的啟停，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)信息化、科學(xué)化管理，達(dá)到管理模式的創(chuàng)新，提高工作人員的管理水平和工作效率。并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果，對(duì)促進(jìn)高效節(jié)水灌溉可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
關(guān)鍵詞：Android；高效節(jié)水灌溉；監(jiān)控系統(tǒng)；遠(yuǎn)程控制
0引言
高效節(jié)水灌溉包括管灌、噴灌和微灌等形式，具有根據(jù)作物需水規(guī)律和水源條件適時(shí)、適量灌溉，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，節(jié)水、省工、增產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，近年來在我國(guó)得到了越來越多的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。至2013年底，我國(guó)高效節(jié)水灌溉面積約14666．67khm2，其中管灌7333．33khm2，噴灌3333．33khm2，微灌4000khm2，且增長(zhǎng)速度迅速。目前高效節(jié)水灌溉單個(gè)泵站控制面積6．67～33．33hm2，采用人工／半自動(dòng)控制方式，相配套的監(jiān)控設(shè)備主要有小型控制器、變頻恒壓設(shè)備、傳感器、電磁閥等。需要安排專人負(fù)責(zé)泵站設(shè)備的管理和運(yùn)行維護(hù)，而高效節(jié)水灌溉泵站呈現(xiàn)出點(diǎn)多、面廣、分散的特點(diǎn)，增加了管理的難度，造成了運(yùn)行管理成本高、效率低。近年來，信息技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，是一種先進(jìn)的管理手段，能大大提高管理水平和工作效率。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)發(fā)展迅速，具有覆蓋面廣、信號(hào)較強(qiáng)、傳輸速度快、可以有效覆蓋偏遠(yuǎn)農(nóng)田的特點(diǎn)，同時(shí)智能手機(jī)也已普及，為高效節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控制管理提供了條件。于是本文提出了基于移動(dòng)終端的高效節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用廣泛使用的Android智能手機(jī)，利用智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)泵站參數(shù)的監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，提高了管理運(yùn)行水平。
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
基于Android的高效節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是在灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，配置了傳感器、視頻攝像機(jī)等采集設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、服務(wù)器、控制計(jì)算機(jī)、智能移動(dòng)終端等處理控制設(shè)備，通過智能控制軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌溉系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)主要由采集控制層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)傳輸層、應(yīng)用系統(tǒng)層和展示操作層等部分組成。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1。采集控制層主要由信息采集和設(shè)備控制兩部分組成，信息采集通過各種傳感器實(shí)現(xiàn)，泵站控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)田間水泵、電磁閥的控制；數(shù)據(jù)傳輸層主要由數(shù)據(jù)總線、以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；數(shù)據(jù)處理層主要對(duì)采集的各種數(shù)據(jù)和操作進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，建立綜合數(shù)據(jù)庫；應(yīng)用系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)灌溉系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，由智能灌溉控制系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)組成；展示操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種界面及數(shù)據(jù)的顯示，并提供人機(jī)對(duì)話、操作的接口，主要由顯示屏、智能移動(dòng)終端等組成。本文側(cè)重于在Android系統(tǒng)的移動(dòng)終端的實(shí)現(xiàn)。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件主要包括采集數(shù)據(jù)和信息的傳感器、攝像機(jī)，發(fā)送和接收信息的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和信息的服務(wù)器，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的泵站控制器，以及展示和操作的計(jì)算機(jī)及移動(dòng)終端。
2．1數(shù)據(jù)采集設(shè)備
數(shù)據(jù)是監(jiān)控信息化系統(tǒng)最基本資料，只有獲取了這些數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行分析處理和決策，更好對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。本系統(tǒng)采用各種傳感器對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行采集，分布在田間的傳感器采用太陽能供電和無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)包括環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行設(shè)備參數(shù)，環(huán)境參數(shù)有溫度、濕度、光照、雨量、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、土壤水分等，分別用高精度、高靈敏的小型氣象觀測(cè)站和土壤水分傳感器采集。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采集節(jié)點(diǎn)采集并傳輸至泵站控制器。設(shè)備運(yùn)行參數(shù)包括電壓、電流、壓力、流量、水位、電磁閥開關(guān)狀態(tài)等，通過這些參數(shù)可以了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，便于控制、調(diào)整和監(jiān)測(cè)設(shè)備。采用高精度、高靈敏的傳感器以測(cè)量實(shí)際實(shí)時(shí)的變化。將采集的信息數(shù)字化，并轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出。
2．2視頻監(jiān)控設(shè)備
視頻監(jiān)控設(shè)備主要包括各種攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)等。視頻數(shù)據(jù)量很大，傳輸時(shí)要很大的帶寬，從而數(shù)據(jù)流量費(fèi)用也很高，本系統(tǒng)先把視頻信號(hào)存儲(chǔ)在硬盤錄像機(jī)中，再編制處理軟件，可以通過軟件設(shè)定視頻傳輸?shù)臅r(shí)間段、分辨率和幀數(shù)，把視頻傳輸?shù)椒?wù)器，從而大大減少了傳輸流量，節(jié)省了費(fèi)用。
2．3泵站安防設(shè)備
為了滿足田間泵站無人值守的安全防范需要，每個(gè)泵站安裝一套集視頻監(jiān)控和紅外感應(yīng)的遠(yuǎn)程安防報(bào)警系統(tǒng)。在報(bào)警被啟動(dòng)后，當(dāng)紅外感應(yīng)偵測(cè)到非法闖入時(shí)，啟動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)并以報(bào)警方式顯示在監(jiān)控屏上，對(duì)應(yīng)管理人員的手機(jī)終端上也會(huì)收到相應(yīng)的報(bào)警信息，同時(shí)泵站內(nèi)觸發(fā)啟動(dòng)高分貝報(bào)警器，進(jìn)行警告和威懾，嚇阻闖入人員的進(jìn)一步行動(dòng)。
2．4數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備
數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備包括田間數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。田間數(shù)據(jù)主要有土壤墑情、環(huán)境參數(shù)、視頻等農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息及設(shè)備控制參數(shù)，土壤墑情、環(huán)境參數(shù)、電磁閥參數(shù)由田間控制箱通過有線方式采集、發(fā)送和接收，再通過自建無線網(wǎng)絡(luò)（Zigbee）傳輸至泵站控制器，水泵、施肥、視頻及安防等設(shè)備數(shù)據(jù)通過有線方式與泵站控制器進(jìn)行傳輸。4G網(wǎng)絡(luò)具有傳輸距離遠(yuǎn)、帶寬大、速度快、建網(wǎng)成本低等特點(diǎn)，因而對(duì)于泵站和監(jiān)控中心間的數(shù)據(jù)采用4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。所有數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心后，經(jīng)過決策系統(tǒng)分析，形成灌溉控制指令，再通過無線網(wǎng)絡(luò)，反饋到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行系統(tǒng)，借助已建成的恒壓灌溉供水系統(tǒng)和水肥一體化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化灌溉。
2．5展示操作設(shè)備
系統(tǒng)的所有功能、操作和成果需要利用展現(xiàn)部分通過圖像形式展示出來。展現(xiàn)部分由圖像顯示工作站、監(jiān)視器、視頻服務(wù)器和移動(dòng)終端等組成。視頻服務(wù)器運(yùn)行應(yīng)用程序，監(jiān)視各站點(diǎn)視頻設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、信息，發(fā)出指令控制各站點(diǎn)的運(yùn)行等。監(jiān)視器可同時(shí)顯示多個(gè)站點(diǎn)的圖像，大屏幕顯示器與操作工作站顯示器同步顯示工作畫面。移動(dòng)終端不僅能顯示圖像和參數(shù)，還能對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置和操作。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1系統(tǒng)軟件架構(gòu)
本系統(tǒng)基于Android平臺(tái)開發(fā)，Android平臺(tái)采用Html5＋JqueryMobile＋WebView框架，首先建立與javascript與android程序的綁定關(guān)系，Android4．2之后版本提供給js調(diào)用的函數(shù)必須帶有＠Javascrip－tInterface，然后使用webView．a(chǎn)ddJavascriptInter－face（newJsFace（MainActivity．this），“jsFace”）用于給HTML頁面的javascript提供一個(gè)接口支持，頁面js可以通過JsFace．xxx（）執(zhí)行這個(gè)Java中的方法，這是HTML頁面與Android后臺(tái)交互最重要的接口。服務(wù)器端通過MODBUS—TCP協(xié)議實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，Android客戶端通過HTTP向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，請(qǐng)求成功獲取服務(wù)器端返回的JSON數(shù)組，并展現(xiàn)在Android界面。
3．2Android與服務(wù)器交互
Android端通過HTTP協(xié)議訪問服務(wù)器，HTTP是一個(gè)屬于應(yīng)用層的面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，由于其簡(jiǎn)捷、快速的方式，適用于分布式超媒體信息系統(tǒng)。在An－droid上發(fā)送HTTP請(qǐng)求的方式一般有兩種，Htt－pURLConnection和HttpClient。本文采用的是Htt－pURLConnection，關(guān)鍵代碼如下：URLuri＝newURL（url）；／／創(chuàng)建URL對(duì)象HttpURLConnectionconn＝（HttpURLConnec－tion）url．openConnection（）；conn．setConnectTimeout（5000）；／／設(shè)置連接超時(shí)時(shí)間conn．setRequestMethod（“GET”）；／／設(shè)定請(qǐng)求方式為GETconn．connect（）；／／建立到遠(yuǎn)程對(duì)象的實(shí)際連接InputStreamin＝conn．getInputStream（）；／／獲取服務(wù)器返回的輸入流conn．disconnection（）；／／關(guān)閉連接
3．3灌溉控制決策軟件設(shè)計(jì)
灌溉控制決策軟件以作物需水信息為基礎(chǔ)，同時(shí)綜合土壤、作物和氣象等環(huán)境因子，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)、智能控制技術(shù)為手段，實(shí)現(xiàn)田間信息采集和灌溉的遠(yuǎn)程智能化控制。系統(tǒng)根據(jù)不同作物在各個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)的需水量和需水規(guī)律，結(jié)合農(nóng)藝數(shù)據(jù)，建立作物的需水模型，對(duì)所收集和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理成具有實(shí)際意義的物理量并逐步把處理結(jié)果儲(chǔ)存到相關(guān)數(shù)據(jù)庫中，形成符合本地實(shí)際的決策模型。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將采集的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息由決策支持系統(tǒng)計(jì)算、分析后，給出作物的精確灌溉時(shí)間和最佳灌水量，灌溉工作則由監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)決策支持系統(tǒng)的指令，通過WEB網(wǎng)頁或者Android手機(jī)端自動(dòng)完成灌溉、施肥等工作。
3．4Android客戶端軟件設(shè)計(jì)
Android端主要功能結(jié)構(gòu)如圖5所示，系統(tǒng)功能主要由六個(gè)模塊組成，分別是新聞動(dòng)態(tài)、排灌分布、站點(diǎn)監(jiān)控、運(yùn)行日志、站點(diǎn)啟停和天氣預(yù)報(bào)模塊。新聞動(dòng)態(tài)模塊可以實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)最新新聞，同時(shí)管理員也可以進(jìn)行管理與，排灌分布模塊顯示各個(gè)泵站的基礎(chǔ)工程信息以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，站點(diǎn)監(jiān)控模塊顯示各個(gè)泵站視頻監(jiān)控情況和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，站點(diǎn)啟停模塊可以控制泵站的開啟與關(guān)閉，天氣預(yù)報(bào)模塊顯示當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r。
4系統(tǒng)應(yīng)用
本系統(tǒng)在南京市江寧區(qū)湯山街道進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。湯山街道依托水利部高效節(jié)水灌溉重點(diǎn)縣項(xiàng)目，從2013年開始，建成了面積800hm2的高效節(jié)水灌溉區(qū)，主要作物為水稻、茶葉、苗木、果樹和蔬菜等，灌溉形式為管灌、噴灌和微灌，分為46個(gè)單元，每個(gè)單元建有一座首部泵站。為了集中統(tǒng)一管理，本系統(tǒng)針對(duì)湯山街道高效節(jié)水灌溉現(xiàn)狀，在湯山街道水利站建成了一座監(jiān)控中心，監(jiān)控中心內(nèi)配置了服務(wù)器、操作計(jì)算機(jī)、顯示大屏、視頻監(jiān)視器、管理系統(tǒng)軟件等軟硬件設(shè)備，在田間泵站安裝了泵站控制器、田間控制器、各種傳感器、攝像機(jī)、紅外安防設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，管理人員手機(jī)上安裝了APP軟件。通過手機(jī)可以對(duì)整個(gè)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、設(shè)備控制、視頻查看和信息查詢。設(shè)備安裝調(diào)試好后，交由水利站負(fù)責(zé)運(yùn)行管理，目前只需要1個(gè)專職工作人員通過手機(jī)即可完成整個(gè)系統(tǒng)和泵站的管理維護(hù)任務(wù)。同時(shí)只要在Android系統(tǒng)手機(jī)安裝軟件，就可隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)的查詢和查看，方便多人對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)管和了解。系統(tǒng)每天自動(dòng)運(yùn)行，對(duì)各泵站的運(yùn)行狀況、各參數(shù)自動(dòng)記錄并處理成報(bào)表，保證了整個(gè)灌溉系統(tǒng)的完好運(yùn)行，取得了良好的效果。圖6為手機(jī)APP軟件界面。
5結(jié)語
本系統(tǒng)建成了一個(gè)集信息智能采集、傳輸、管理、應(yīng)用與指揮決策于一體、基于Android的高效節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)泵站參數(shù)的監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，提高了管理運(yùn)行水平，達(dá)到了管理模式的創(chuàng)新，具有較好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。應(yīng)用運(yùn)行結(jié)果證明，通過實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、設(shè)備控制、視頻查看和信息查詢，把分散的泵站集中統(tǒng)一遠(yuǎn)程管理，有效地解決了管理人員短缺、維護(hù)成本高的問題。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可靠性、實(shí)時(shí)性高，有力地保證了高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)的使用效率，對(duì)高效節(jié)水灌溉應(yīng)用推廣具有較好的促進(jìn)作用。
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作者：金永奎 袁圓 顏愛忠 單位：農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 南京市水利局 江蘇科工科技有限公司