安卓高效節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計研究

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摘要：設計基于Android智能手機的高效節(jié)水灌溉遠程監(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，對灌溉區(qū)域作物生長環(huán)境及狀態(tài)參數(shù)實時監(jiān)測、反饋。通過灌溉控制決策軟件和Android智能手機遠程控制泵、閥的啟停，實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)信息化、科學化管理，達到管理模式的創(chuàng)新，提高工作人員的管理水平和工作效率。并在實際應用中取得良好效果，對促進高效節(jié)水灌溉可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

關鍵詞：Android；高效節(jié)水灌溉；監(jiān)控系統(tǒng)；遠程控制

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、適量灌溉，促進作物生長，節(jié)水、省工、增產(chǎn)等優(yōu)點，近年來在我國得到了越來越多的應用，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。至2013年底，我國高效節(jié)水灌溉面積約14666．67khm2，其中管灌7333．33khm2，噴灌3333．33khm2，微灌4000khm2，且增長速度迅速。目前高效節(jié)水灌溉單個泵站控制面積6．67～33．33hm2，采用人工／半自動控制方式，相配套的監(jiān)控設備主要有小型控制器、變頻恒壓設備、傳感器、電磁閥等。需要安排專人負責泵站設備的管理和運行維護，而高效節(jié)水灌溉泵站呈現(xiàn)出點多、面廣、分散的特點，增加了管理的難度，造成了運行管理成本高、效率低。近年來，信息技術得到了廣泛的應用，是一種先進的管理手段，能大大提高管理水平和工作效率。隨著信息技術的發(fā)展，我國移動通信網(wǎng)絡和技術發(fā)展迅速，具有覆蓋面廣、信號較強、傳輸速度快、可以有效覆蓋偏遠農(nóng)田的特點，同時智能手機也已普及，為高效節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控制管理提供了條件。于是本文提出了基于移動終端的高效節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采用廣泛使用的Android智能手機，利用智能控制技術、網(wǎng)絡通訊技術，實現(xiàn)了對多個泵站參數(shù)的監(jiān)測和遠程控制，提高了管理運行水平。

1系統(tǒng)總體設計

基于Android的高效節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)是在灌溉系統(tǒng)的基礎上，配置了傳感器、視頻攝像機等采集設備和數(shù)據(jù)傳輸設備、服務器、控制計算機、智能移動終端等處理控制設備，通過智能控制軟件，實現(xiàn)了對灌溉系統(tǒng)的遠程監(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、應用系統(tǒng)層和展示操作層等部分組成。系統(tǒng)架構圖如圖1。采集控制層主要由信息采集和設備控制兩部分組成，信息采集通過各種傳感器實現(xiàn)，泵站控制器實現(xiàn)對田間水泵、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)絡組成，負責數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；數(shù)據(jù)處理層主要對采集的各種數(shù)據(jù)和操作進行記錄存儲，建立綜合數(shù)據(jù)庫；應用系統(tǒng)層實現(xiàn)對整個灌溉系統(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)實現(xiàn)各種界面及數(shù)據(jù)的顯示，并提供人機對話、操作的接口，主要由顯示屏、智能移動終端等組成。本文側重于在Android系統(tǒng)的移動終端的實現(xiàn)。

2系統(tǒng)硬件設計

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，發(fā)送和接收信息的數(shù)據(jù)傳輸設備，處理、存儲數(shù)據(jù)和信息的服務器，對設備進行控制的泵站控制器，以及展示和操作的計算機及移動終端。

2．1數(shù)據(jù)采集設備

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)，才能進行分析處理和決策，更好對系統(tǒng)進行控制和管理。本系統(tǒng)采用各種傳感器對各項參數(shù)進行采集，分布在田間的傳感器采用太陽能供電和無線傳輸方式實現(xiàn)。數(shù)據(jù)包括環(huán)境參數(shù)和運行設備參數(shù)，環(huán)境參數(shù)有溫度、濕度、光照、雨量、氣壓、風向、風速、土壤水分等，分別用高精度、高靈敏的小型氣象觀測站和土壤水分傳感器采集。通過無線傳感器網(wǎng)絡的采集節(jié)點采集并傳輸至泵站控制器。設備運行參數(shù)包括電壓、電流、壓力、流量、水位、電磁閥開關狀態(tài)等，通過這些參數(shù)可以了解設備的運行狀態(tài)，便于控制、調整和監(jiān)測設備。采用高精度、高靈敏的傳感器以測量實際實時的變化。將采集的信息數(shù)字化，并轉換成4～20mA的標準輸出。

2．2視頻監(jiān)控設備

視頻監(jiān)控設備主要包括各種攝像機、硬盤錄像機等。視頻數(shù)據(jù)量很大，傳輸時要很大的帶寬，從而數(shù)據(jù)流量費用也很高，本系統(tǒng)先把視頻信號存儲在硬盤錄像機中，再編制處理軟件，可以通過軟件設定視頻傳輸?shù)臅r間段、分辨率和幀數(shù)，把視頻傳輸?shù)椒掌?，從而大大減少了傳輸流量，節(jié)省了費用。

2．3泵站安防設備

為了滿足田間泵站無人值守的安全防范需要，每個泵站安裝一套集視頻監(jiān)控和紅外感應的遠程安防報警系統(tǒng)。在報警被啟動后，當紅外感應偵測到非法闖入時，啟動視頻監(jiān)控系統(tǒng)并以報警方式顯示在監(jiān)控屏上，對應管理人員的手機終端上也會收到相應的報警信息，同時泵站內(nèi)觸發(fā)啟動高分貝報警器，進行警告和威懾，嚇阻闖入人員的進一步行動。

2．4數(shù)據(jù)傳輸設備

數(shù)據(jù)傳輸設備包括田間數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡和遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。田間數(shù)據(jù)主要有土壤墑情、環(huán)境參數(shù)、視頻等農(nóng)作物生長環(huán)境信息及設備控制參數(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（Zigbee）傳輸至泵站控制器，水泵、施肥、視頻及安防等設備數(shù)據(jù)通過有線方式與泵站控制器進行傳輸。4G網(wǎng)絡具有傳輸距離遠、帶寬大、速度快、建網(wǎng)成本低等特點，因而對于泵站和監(jiān)控中心間的數(shù)據(jù)采用4G網(wǎng)絡進行傳輸。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，反饋到現(xiàn)場執(zhí)行系統(tǒng)，借助已建成的恒壓灌溉供水系統(tǒng)和水肥一體化設備，實現(xiàn)遠程智能化灌溉。

2．5展示操作設備

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、視頻服務器和移動終端等組成。視頻服務器運行應用程序，監(jiān)視各站點視頻設備運行狀態(tài)、信息，發(fā)出指令控制各站點的運行等。監(jiān)視器可同時顯示多個站點的圖像，大屏幕顯示器與操作工作站顯示器同步顯示工作畫面。移動終端不僅能顯示圖像和參數(shù)，還能對設備進行設置和操作。

3系統(tǒng)軟件設計

3．1系統(tǒng)軟件架構

本系統(tǒng)基于Android平臺開發(fā)，Android平臺采用Html5＋JqueryMobile＋WebView框架，首先建立與javascript與android程序的綁定關系，Android4．2之后版本提供給js調用的函數(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提供一個接口支持，頁面js可以通過JsFace．xxx（）執(zhí)行這個Java中的方法，這是HTML頁面與Android后臺交互最重要的接口。服務器端通過MODBUS—TCP協(xié)議實時獲取現(xiàn)場設備采集的數(shù)據(jù)，并將實時數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，Android客戶端通過HTTP向服務器發(fā)送請求，請求成功獲取服務器端返回的JSON數(shù)組，并展現(xiàn)在Android界面。

3．2Android與服務器交互

Android端通過HTTP協(xié)議訪問服務器，HTTP是一個屬于應用層的面向對象的協(xié)議，由于其簡捷、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請求的方式一般有兩種，Htt－pURLConnection和HttpClient。本文采用的是Htt－pURLConnection，關鍵代碼如下：URLuri＝newURL（url）；／／創(chuàng)建URL對象HttpURLConnectionconn＝（HttpURLConnec－tion）url．openConnection（）；conn．setConnectTimeout（5000）；／／設置連接超時時間conn．setRequestMethod（“GET”）；／／設定請求方式為GETconn．connect（）；／／建立到遠程對象的實際連接InputStreamin＝conn．getInputStream（）；／／獲取服務器返回的輸入流conn．disconnection（）；／／關閉連接

3．3灌溉控制決策軟件設計

灌溉控制決策軟件以作物需水信息為基礎，同時綜合土壤、作物和氣象等環(huán)境因子，以計算機技術、自動控制技術、信息技術、智能控制技術為手段，實現(xiàn)田間信息采集和灌溉的遠程智能化控制。系統(tǒng)根據(jù)不同作物在各個生長期內(nèi)的需水量和需水規(guī)律，結合農(nóng)藝數(shù)據(jù)，建立作物的需水模型，對所收集和存儲的數(shù)據(jù)進行分析，處理成具有實際意義的物理量并逐步把處理結果儲存到相關數(shù)據(jù)庫中，形成符合本地實際的決策模型。系統(tǒng)運行時將采集的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場環(huán)境信息由決策支持系統(tǒng)計算、分析后，給出作物的精確灌溉時間和最佳灌水量，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手機端自動完成灌溉、施肥等工作。

3．4Android客戶端軟件設計

Android端主要功能結構如圖5所示，系統(tǒng)功能主要由六個模塊組成，分別是新聞動態(tài)、排灌分布、站點監(jiān)控、運行日志、站點啟停和天氣預報模塊。新聞動態(tài)模塊可以實時獲取網(wǎng)絡最新新聞，同時管理員也可以進行管理與，排灌分布模塊顯示各個泵站的基礎工程信息以及設備運行狀態(tài)，站點監(jiān)控模塊顯示各個泵站視頻監(jiān)控情況和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，站點啟停模塊可以控制泵站的開啟與關閉，天氣預報模塊顯示當?shù)靥鞖馇闆r。

4系統(tǒng)應用

本系統(tǒng)在南京市江寧區(qū)湯山街道進行了實際應用。湯山街道依托水利部高效節(jié)水灌溉重點縣項目，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個單元，每個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)配置了服務器、操作計算機、顯示大屏、視頻監(jiān)視器、管理系統(tǒng)軟件等軟硬件設備，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、紅外安防設備、無線網(wǎng)絡等設備，管理人員手機上安裝了APP軟件。通過手機可以對整個灌溉系統(tǒng)進行參數(shù)設置、設備控制、視頻查看和信息查詢。設備安裝調試好后，交由水利站負責運行管理，目前只需要1個專職工作人員通過手機即可完成整個系統(tǒng)和泵站的管理維護任務。同時只要在Android系統(tǒng)手機安裝軟件，就可隨時隨地實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的查詢和查看，方便多人對系統(tǒng)的監(jiān)管和了解。系統(tǒng)每天自動運行，對各泵站的運行狀況、各參數(shù)自動記錄并處理成報表，保證了整個灌溉系統(tǒng)的完好運行，取得了良好的效果。圖6為手機APP軟件界面。

5結語

本系統(tǒng)建成了一個集信息智能采集、傳輸、管理、應用與指揮決策于一體、基于Android的高效節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多個泵站參數(shù)的監(jiān)測和遠程控制，提高了管理運行水平，達到了管理模式的創(chuàng)新，具有較好的實用價值和應用前景。應用運行結果證明，通過實際應用表明該系統(tǒng)可以對整個灌溉系統(tǒng)進行參數(shù)設置、設備控制、視頻查看和信息查詢，把分散的泵站集中統(tǒng)一遠程管理，有效地解決了管理人員短缺、維護成本高的問題。系統(tǒng)運行時可靠性、實時性高，有力地保證了高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)的使用效率，對高效節(jié)水灌溉應用推廣具有較好的促進作用。

參考文獻

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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)機械化研究所 南京市水利局 江蘇科工科技有限公司