安卓高效節水灌溉遠程監控系統設計研究

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摘要：設計基于Android智能手機的高效節水灌溉遠程監控管理系統，系統由數據采集、視頻監控、泵站安防、數據傳輸、展示操作等組成，對灌溉區域作物生長環境及狀態參數實時監測、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，實現對灌溉系統信息化、科學化管理，達到管理模式的創新，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，對促進高效節水灌溉可持續發展具有重要意義。

關鍵詞：Android；高效節水灌溉；監控系統；遠程控制

0引言

高效節水灌溉包括管灌、噴灌和微灌等形式，具有根據作物需水規律和水源條件適時、適量灌溉，促進作物生長，節水、省工、增產等優點，近年來在我國得到了越來越多的應用，取得了良好的經濟和社會效益。至2013年底，我國高效節水灌溉面積約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，而高效節水灌溉泵站呈現出點多、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。隨著信息技術的發展，我國移動通信網絡和技術發展迅速，具有覆蓋面廣、信號較強、傳輸速度快、可以有效覆蓋偏遠農田的特點，同時智能手機也已普及，為高效節水灌溉遠程監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水灌溉遠程監控系統，采用廣泛使用的Android智能手機，利用智能控制技術、網絡通訊技術，實現了對多個泵站參數的監測和遠程控制，提高了管理運行水平。

1系統總體設計

基于Android的高效節水灌溉遠程監控系統是在灌溉系統的基礎上，配置了傳感器、視頻攝像機等采集設備和數據傳輸設備、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，實現了對灌溉系統的遠程監控。系統主要由采集控制層、數據傳輸層、數據處理層、數據傳輸層、應用系統層和展示操作層等部分組成。系統架構圖如圖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，泵站控制器實現對田間水泵、電磁閥的控制；數據傳輸層主要由數據總線、以太網和無線網絡組成，負責數據的發送和接收；數據處理層主要對采集的各種數據和操作進行記錄存儲，建立綜合數據庫；應用系統層實現對整個灌溉系統的監視和控制，由智能灌溉控制系統和監視系統組成；展示操作系統實現各種界面及數據的顯示，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系統的移動終端的實現。

2系統硬件設計

本系統硬件主要包括采集數據和信息的傳感器、攝像機，發送和接收信息的數據傳輸設備，處理、存儲數據和信息的服務器，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數據采集設備

數據是監控信息化系統最基本資料，只有獲取了這些數據，才能進行分析處理和決策，更好對系統進行控制和管理。本系統采用各種傳感器對各項參數進行采集，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。數據包括環境參數和運行設備參數，環境參數有溫度、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。通過無線傳感器網絡的采集節點采集并傳輸至泵站控制器。設備運行參數包括電壓、電流、壓力、流量、水位、電磁閥開關狀態等，通過這些參數可以了解設備的運行狀態，便于控制、調整和監測設備。采用高精度、高靈敏的傳感器以測量實際實時的變化。將采集的信息數字化，并轉換成4～20mA的標準輸出。

2．2視頻監控設備

視頻監控設備主要包括各種攝像機、硬盤錄像機等。視頻數據量很大，傳輸時要很大的帶寬，從而數據流量費用也很高，本系統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的時間段、分辨率和幀數，把視頻傳輸到服務器，從而大大減少了傳輸流量，節省了費用。

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控和紅外感應的遠程安防報警系統。在報警被啟動后，當紅外感應偵測到非法闖入時，啟動視頻監控系統并以報警方式顯示在監控屏上，對應管理人員的手機終端上也會收到相應的報警信息，同時泵站內觸發啟動高分貝報警器，進行警告和威懾，嚇阻闖入人員的進一步行動。

2．4數據傳輸設備

數據傳輸設備包括田間數據傳輸網絡和遠程數據傳輸網絡。田間數據主要有土壤墑情、環境參數、視頻等農作物生長環境信息及設備控制參數，土壤墑情、環境參數、電磁閥參數由田間控制箱通過有線方式采集、發送和接收，再通過自建無線網絡（Zigbee）傳輸至泵站控制器，水泵、施肥、視頻及安防等設備數據通過有線方式與泵站控制器進行傳輸。4G網絡具有傳輸距離遠、帶寬大、速度快、建網成本低等特點，因而對于泵站和監控中心間的數據采用4G網絡進行傳輸。所有數據傳輸至監控中心后，經過決策系統分析，形成灌溉控制指令，再通過無線網絡，反饋到現場執行系統，借助已建成的恒壓灌溉供水系統和水肥一體化設備，實現遠程智能化灌溉。

2．5展示操作設備

系統的所有功能、操作和成果需要利用展現部分通過圖像形式展示出來。展現部分由圖像顯示工作站、監視器、視頻服務器和移動終端等組成。視頻服務器運行應用程序，監視各站點視頻設備運行狀態、信息，發出指令控制各站點的運行等。監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，還能對設備進行設置和操作。

3系統軟件設計

3．1系統軟件架構

本系統基于Android平臺開發，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調用的函數必須帶有＠Javascrip－tInterface，然后使用webView．addJavascriptInter－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協議實時獲取現場設備采集的數據，并將實時數據存入數據庫，Android客戶端通過HTTP向服務器發送請求，請求成功獲取服務器端返回的JSON數組，并展現在Android界面。

3．2Android與服務器交互

Android端通過HTTP協議訪問服務器，HTTP是一個屬于應用層的面向對象的協議，由于其簡捷、快速的方式，適用于分布式超媒體信息系統。在An－droid上發送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，實現田間信息采集和灌溉的遠程智能化控制。系統根據不同作物在各個生長期內的需水量和需水規律，結合農藝數據，建立作物的需水模型，對所收集和存儲的數據進行分析，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據庫中，形成符合本地實際的決策模型。系統運行時將采集的農業現場環境信息由決策支持系統計算、分析后，給出作物的精確灌溉時間和最佳灌水量，灌溉工作則由監控系統根據決策支持系統的指令，通過WEB網頁或者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，系統功能主要由六個模塊組成，分別是新聞動態、排灌分布、站點監控、運行日志、站點啟停和天氣預報模塊。新聞動態模塊可以實時獲取網絡最新新聞，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，站點監控模塊顯示各個泵站視頻監控情況和實時監測數據信息，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地天氣情況。

4系統應用

本系統在南京市江寧區湯山街道進行了實際應用。湯山街道依托水利部高效節水灌溉重點縣項目，從2013年開始，建成了面積800hm2的高效節水灌溉區，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。為了集中統一管理，本系統針對湯山街道高效節水灌溉現狀，在湯山街道水利站建成了一座監控中心，監控中心內配置了服務器、操作計算機、顯示大屏、視頻監視器、管理系統軟件等軟硬件設備，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進行參數設置、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和泵站的管理維護任務。同時只要在Android系統手機安裝軟件，就可隨時隨地實現對灌溉系統的查詢和查看，方便多人對系統的監管和了解。系統每天自動運行，對各泵站的運行狀況、各參數自動記錄并處理成報表，保證了整個灌溉系統的完好運行，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的高效節水灌溉遠程監控系統，實現了對多個泵站參數的監測和遠程控制，提高了管理運行水平，達到了管理模式的創新，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可以對整個灌溉系統進行參數設置、設備控制、視頻查看和信息查詢，把分散的泵站集中統一遠程管理，有效地解決了管理人員短缺、維護成本高的問題。系統運行時可靠性、實時性高，有力地保證了高效節水灌溉系統的使用效率，對高效節水灌溉應用推廣具有較好的促進作用。

參考文獻

［1］人民網．水利部：力爭2020年節水灌溉面積占有效灌溉面積超60％［EB／OL］．http：／／politics．people．com．cn／n／2014／0929／c1001—25759350．html，2014．

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［3］楊林楠，郜魯濤，林爾升，等．基于Android系統手機的甜玉米病蟲害智能診斷系統［J］．農業工程學報，2012，28（18）：163～16

作者：金永奎 袁圓 顏愛忠 單位：農業部南京農業機械化研究所 南京市水利局 江蘇科工科技有限公司