安卓高效节水灌溉远程监控系统设计研究

摘要：设计基于Android智能手机的高效节水灌溉远程监控管理系统，系统由数据采集、视频监控、泵站安防、数据传输、展示操作等组成，对灌溉区域作物生长环境及状态参数实时监测、反馈。通过灌溉控制决策软件和Android智能手机远程控制泵、阀的启停，实现对灌溉系统信息化、科学化管理，达到管理模式的创新，提高工作人员的管理水平和工作效率。并在实际应用中取得良好效果，对促进高效节水灌溉可持续发展具有重要意义。

关键词：Android；高效节水灌溉；监控系统；远程控制

0引言

高效节水灌溉包括管灌、喷灌和微灌等形式，具有根据作物需水规律和水源条件适时、适量灌溉，促进作物生长，节水、省工、增产等优点，近年来在我国得到了越来越多的应用，取得了良好的经济和社会效益。至2013年底，我国高效节水灌溉面积约14666．67khm2，其中管灌7333．33khm2，喷灌3333．33khm2，微灌4000khm2，且增长速度迅速。目前高效节水灌溉单个泵站控制面积6．67～33．33hm2，采用人工／半自动控制方式，相配套的监控设备主要有小型控制器、变频恒压设备、传感器、电磁阀等。需要安排专人负责泵站设备的管理和运行维护，而高效节水灌溉泵站呈现出点多、面广、分散的特点，增加了管理的难度，造成了运行管理成本高、效率低。近年来，信息技术得到了广泛的应用，是一种先进的管理手段，能大大提高管理水平和工作效率。随着信息技术的发展，我国移动通信网络和技术发展迅速，具有覆盖面广、信号较强、传输速度快、可以有效覆盖偏远农田的特点，同时智能手机也已普及，为高效节水灌溉远程监控制管理提供了条件。于是本文提出了基于移动终端的高效节水灌溉远程监控系统，采用广泛使用的Android智能手机，利用智能控制技术、网络通讯技术，实现了对多个泵站参数的监测和远程控制，提高了管理运行水平。

1系统总体设计

基于Android的高效节水灌溉远程监控系统是在灌溉系统的基础上，配置了传感器、视频摄像机等采集设备和数据传输设备、服务器、控制计算机、智能移动终端等处理控制设备，通过智能控制软件，实现了对灌溉系统的远程监控。系统主要由采集控制层、数据传输层、数据处理层、数据传输层、应用系统层和展示操作层等部分组成。系统架构图如图1。采集控制层主要由信息采集和设备控制两部分组成，信息采集通过各种传感器实现，泵站控制器实现对田间水泵、电磁阀的控制；数据传输层主要由数据总线、以太网和无线网络组成，负责数据的发送和接收；数据处理层主要对采集的各种数据和操作进行记录存储，建立综合数据库；应用系统层实现对整个灌溉系统的监视和控制，由智能灌溉控制系统和监视系统组成；展示操作系统实现各种界面及数据的显示，并提供人机对话、操作的接口，主要由显示屏、智能移动终端等组成。本文侧重于在Android系统的移动终端的实现。

2系统硬件设计

本系统硬件主要包括采集数据和信息的传感器、摄像机，发送和接收信息的数据传输设备，处理、存储数据和信息的服务器，对设备进行控制的泵站控制器，以及展示和操作的计算机及移动终端。

2．1数据采集设备

数据是监控信息化系统最基本资料，只有获取了这些数据，才能进行分析处理和决策，更好对系统进行控制和管理。本系统采用各种传感器对各项参数进行采集，分布在田间的传感器采用太阳能供电和无线传输方式实现。数据包括环境参数和运行设备参数，环境参数有温度、湿度、光照、雨量、气压、风向、风速、土壤水分等，分别用高精度、高灵敏的小型气象观测站和土壤水分传感器采集。通过无线传感器网络的采集节点采集并传输至泵站控制器。设备运行参数包括电压、电流、压力、流量、水位、电磁阀开关状态等，通过这些参数可以了解设备的运行状态，便于控制、调整和监测设备。采用高精度、高灵敏的传感器以测量实际实时的变化。将采集的信息数字化，并转换成4～20mA的标准输出。

2．2视频监控设备

视频监控设备主要包括各种摄像机、硬盘录像机等。视频数据量很大，传输时要很大的带宽，从而数据流量费用也很高，本系统先把视频信号存储在硬盘录像机中，再编制处理软件，可以通过软件设定视频传输的时间段、分辨率和帧数，把视频传输到服务器，从而大大减少了传输流量，节省了费用。

2．3泵站安防设备

为了满足田间泵站无人值守的安全防范需要，每个泵站安装一套集视频监控和红外感应的远程安防报警系统。在报警被启动后，当红外感应侦测到非法闯入时，启动视频监控系统并以报警方式显示在监控屏上，对应管理人员的手机终端上也会收到相应的报警信息，同时泵站内触发启动高分贝报警器，进行警告和威慑，吓阻闯入人员的进一步行动。

2．4数据传输设备

数据传输设备包括田间数据传输网络和远程数据传输网络。田间数据主要有土壤墒情、环境参数、视频等农作物生长环境信息及设备控制参数，土壤墒情、环境参数、电磁阀参数由田间控制箱通过有线方式采集、发送和接收，再通过自建无线网络（Zigbee）传输至泵站控制器，水泵、施肥、视频及安防等设备数据通过有线方式与泵站控制器进行传输。4G网络具有传输距离远、带宽大、速度快、建网成本低等特点，因而对于泵站和监控中心间的数据采用4G网络进行传输。所有数据传输至监控中心后，经过决策系统分析，形成灌溉控制指令，再通过无线网络，反馈到现场执行系统，借助已建成的恒压灌溉供水系统和水肥一体化设备，实现远程智能化灌溉。

2．5展示操作设备

系统的所有功能、操作和成果需要利用展现部分通过图像形式展示出来。展现部分由图像显示工作站、监视器、视频服务器和移动终端等组成。视频服务器运行应用程序，监视各站点视频设备运行状态、信息，发出指令控制各站点的运行等。监视器可同时显示多个站点的图像，大屏幕显示器与操作工作站显示器同步显示工作画面。移动终端不仅能显示图像和参数，还能对设备进行设置和操作。

3系统软件设计

3．1系统软件架构

本系统基于Android平台开发，Android平台采用Html5＋JqueryMobile＋WebView框架，首先建立与javascript与android程序的绑定关系，Android4．2之后版本提供给js调用的函数必须带有＠Javascrip－tInterface，然后使用webView．addJavascriptInter－face（newJsFace（MainActivity．this），“jsFace”）用于给HTML页面的javascript提供一个接口支持，页面js可以通过JsFace．xxx（）执行这个Java中的方法，这是HTML页面与Android后台交互最重要的接口。服务器端通过MODBUS—TCP协议实时获取现场设备采集的数据，并将实时数据存入数据库，Android客户端通过HTTP向服务器发送请求，请求成功获取服务器端返回的JSON数组，并展现在Android界面。

3．2Android与服务器交互

Android端通过HTTP协议访问服务器，HTTP是一个属于应用层的面向对象的协议，由于其简捷、快速的方式，适用于分布式超媒体信息系统。在An－droid上发送HTTP请求的方式一般有两种，Htt－pURLConnection和HttpClient。本文采用的是Htt－pURLConnection，关键代码如下：URLuri＝newURL（url）；／／创建URL对象HttpURLConnectionconn＝（HttpURLConnec－tion）url．openConnection（）；conn．setConnectTimeout（5000）；／／设置连接超时时间conn．setRequestMethod（“GET”）；／／设定请求方式为GETconn．connect（）；／／建立到远程对象的实际连接InputStreamin＝conn．getInputStream（）；／／获取服务器返回的输入流conn．disconnection（）；／／关闭连接

3．3灌溉控制决策软件设计

灌溉控制决策软件以作物需水信息为基础，同时综合土壤、作物和气象等环境因子，以计算机技术、自动控制技术、信息技术、智能控制技术为手段，实现田间信息采集和灌溉的远程智能化控制。系统根据不同作物在各个生长期内的需水量和需水规律，结合农艺数据，建立作物的需水模型，对所收集和存储的数据进行分析，处理成具有实际意义的物理量并逐步把处理结果储存到相关数据库中，形成符合本地实际的决策模型。系统运行时将采集的农业现场环境信息由决策支持系统计算、分析后，给出作物的精确灌溉时间和最佳灌水量，灌溉工作则由监控系统根据决策支持系统的指令，通过WEB网页或者Android手机端自动完成灌溉、施肥等工作。

3．4Android客户端软件设计

Android端主要功能结构如图5所示，系统功能主要由六个模块组成，分别是新闻动态、排灌分布、站点监控、运行日志、站点启停和天气预报模块。新闻动态模块可以实时获取网络最新新闻，同时管理员也可以进行管理与，排灌分布模块显示各个泵站的基础工程信息以及设备运行状态，站点监控模块显示各个泵站视频监控情况和实时监测数据信息，站点启停模块可以控制泵站的开启与关闭，天气预报模块显示当地天气情况。

4系统应用

本系统在南京市江宁区汤山街道进行了实际应用。汤山街道依托水利部高效节水灌溉重点县项目，从2013年开始，建成了面积800hm2的高效节水灌溉区，主要作物为水稻、茶叶、苗木、果树和蔬菜等，灌溉形式为管灌、喷灌和微灌，分为46个单元，每个单元建有一座首部泵站。为了集中统一管理，本系统针对汤山街道高效节水灌溉现状，在汤山街道水利站建成了一座监控中心，监控中心内配置了服务器、操作计算机、显示大屏、视频监视器、管理系统软件等软硬件设备，在田间泵站安装了泵站控制器、田间控制器、各种传感器、摄像机、红外安防设备、无线网络等设备，管理人员手机上安装了APP软件。通过手机可以对整个灌溉系统进行参数设置、设备控制、视频查看和信息查询。设备安装调试好后，交由水利站负责运行管理，目前只需要1个专职工作人员通过手机即可完成整个系统和泵站的管理维护任务。同时只要在Android系统手机安装软件，就可随时随地实现对灌溉系统的查询和查看，方便多人对系统的监管和了解。系统每天自动运行，对各泵站的运行状况、各参数自动记录并处理成报表，保证了整个灌溉系统的完好运行，取得了良好的效果。图6为手机APP软件界面。

5结语

本系统建成了一个集信息智能采集、传输、管理、应用与指挥决策于一体、基于Android的高效节水灌溉远程监控系统，实现了对多个泵站参数的监测和远程控制，提高了管理运行水平，达到了管理模式的创新，具有较好的实用价值和应用前景。应用运行结果证明，通过实际应用表明该系统可以对整个灌溉系统进行参数设置、设备控制、视频查看和信息查询，把分散的泵站集中统一远程管理，有效地解决了管理人员短缺、维护成本高的问题。系统运行时可靠性、实时性高，有力地保证了高效节水灌溉系统的使用效率，对高效节水灌溉应用推广具有较好的促进作用。

参考文献

［1］人民网．水利部：力争2020年节水灌溉面积占有效灌溉面积超60％［EB／OL］．http：／／politics．people．com．cn／n／2014／0929／c1001—25759350．html，2014．

［2］杨丰盛．Android应用开发揭秘［M］．北京：机械工业出版社，2010．

［3］杨林楠，郜鲁涛，林尔升，等．基于Android系统手机的甜玉米病虫害智能诊断系统［J］．农业工程学报，2012，28（18）：163～16

作者：金永奎 袁圆 颜爱忠 单位：农业部南京农业机械化研究所 南京市水利局 江苏科工科技有限公司