基于物联网Android 平台的远程智能节水灌溉系统设计分析

引言

我国是一个干旱缺水严重的国家，淡水资源总量为2. 8 万亿m3 ，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第4 位; 但人均只有0. 22 万m3 ，仅为世界平均水平的1 /4，是全球13 个人均水资源最贫乏的国家之一。淡水资源中灌溉用水总量约占全国总用水量的1 /2 以上，而且灌溉用水效率相当低，平均灌溉水利用率仅约40%，发展节水灌溉是缓解我国水资源紧缺和促进农业可持续发展的关键所在。农业要发展，水利要先行，我国水资源缺乏，有效合理地利用水资源就必须要大力发展节水灌溉，同时节水灌溉也是农业现代化的一个标志，其增产增效、节约劳动力和提高土地的利用率等诸多的优越性决定了它是未来发展的必然趋势。

物联网就是通过条码与二维码、射频标签( RFID) 、全球定位系统( GPS) 、红外感应器、激光扫描器及传感器网络等自动标识与信息传感设备及系统，按照约定的通信协议，通过各种局域网、接入网、互联网将物与物、人与物、人与人连接起来，进行信息交换与通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。

随着我国国民经济的迅速发展，农业生产必将采用各种各样先进的技术，以提高农作物产量，节约资源。本研究针对传统灌溉和灌溉控制方式的各种缺点，通过WCDMA 技术和无线传感器网络技术的结合，实现了利用Android 移动终端对灌溉系统的远程控制，并通过基于土壤湿度的控制方式实现对农田进行自动适时适量的灌溉。

1 系统总体设计

智能节水灌溉系统中分布多个环境传感器节点、电磁阀控制节点和变频器控制节点。土壤环境、空气环境参数由环境传感器节点采集，滴灌管道由电磁阀控制节点实施开关控制。为了确保灌溉供水的稳定性和可靠性，达到节水目的，设置一个变频器控制节点来实现全自动变频恒压供水。控制器节点通过Zig-Bee 网络采集环境传感器节点、电磁阀控制节点和变频器控制节点信息，控制电磁阀控制节点和变频器控节点状态; 现场采集的信息通过移动互联网络和Internet互联网由控制器节点负责发送到远程监控中心，Android 移动终端接收远程监控中心传送过来的采集信息，可对智能节水灌溉系统进行实时的监控。远程智能节水灌溉系统的结构组成为: 无线环境传感器节点、无线电磁阀控制节点、无线变频器控制节点、控制器节点、远程监控中心及Android 移动终端。

为了解决智能节水灌溉系统的供电技术问题，系统采用太阳能供电方式对环境传感器节点、电磁阀控制节点、变频器控制节点、控制器节点进行供电。无线传感器模块选用ZigBee 技术的新一代SOC 芯片CC2530。该模块主要负责对空气温度、空气湿度、光照和土壤湿度等环境参数的实时采集，使用ZigBee 协议将采集到的数据发送到控制器节点ZigBee 模块，同时接收来自控制器节点ZigBee 模块的控制命令。土壤湿度传感器采用锦州利诚LC - TS2 型FDR 土壤湿度传感器。控制器节点主要用于收发ZigBee 模块数据并通过Internet 和移动互联网络与远程监控中心进行网络通信。Android 移动终端主要完成同远程监控中心的数据交互及网络通信等功能。

2 控制器节点设计

控制器节点作为物联网应用系统网关，功能比较复杂，因此主控芯片采用高性能的ARM11 内核的嵌入式处理器S3C6410。为减低系统设计的复杂性，选用飞凌嵌入式技术有限公司的OK6410 嵌入式模块，该模块已经集成了S3C6410 最小系统以及相应的NOR Flash、NAND Flash、SDRAM、RS232 及USB 接口等常用模块。WCDMA 通信模块选用中兴通讯生产的MG3732 模块，该模块是一款WCDMA/GSM 双模移动互联网通信模块，支持上下行非对称数据传输，MG3732 模块在通信接口上具有比以往无线通信模块更加灵活的特性，可以支持异步串口( UART) 和通用串行总线接口( USB) 两种通信接口，以满足不同主控设备的特性要求。另外，模块内部还集成了标准的TCP / IP 协议栈，支持TCP 协议和UDP 协议传输，可以很方便地连接到Internet 进行网络传输。控制器节点是无线传感器网络的汇聚节点，负责管理节水灌溉系统现场的ZigBee 网络，同时还作为现场的一个主控单元，配有相应的液晶屏和触摸屏，可实时展示节水灌溉系统中的相关信息以及对现场的电磁阀进行控制。

3 远程监控中心设计

远程监控中心由1 台移动终端可以直接访问的联网微机组成，通过Internet 互联网和移动互联网与现场控制器节点中的WCDMA 模块建立连接进行通信。远程监控中心把现场采集的信息存入数据库中，以便以后分析处理。同时，还能根据需要对现场中的电磁阀进行控制，具有手动和自动两种灌溉控制方式。自动灌溉控制基于土壤湿度，当土壤湿度达到湿度下线自动启动灌溉系统。监控中心软件采用Java语言编写，它是完全面向对象的编程语言。数据库选用MySQL5. 0。远程监控中心的软件包括两部分:WebService 服务器端监控程序和基于Java Web 的智能节水灌溉系统演示网站。

4 Android 客户端平台设计

4. 1 Android 客户端功能架构

Android 是美国Google 公司开发的基于Linux 平台的开源嵌入式操作系统，包括操作系统、用户界面和应用程序。该系统采用客户机/ 服务器模式，服务端部分用Java 开发的WebService 和Socket 编程技术来实现，客户端部分是采用基于Socket 通信方式的Android Java 开发技术实现; 编译最终生成在任何Android移动终端都可以运行的APK 文件，直接安装后就可以在Android 移动终端上使用。相比传统的远程节水灌溉系统，该系统不受时间、环境、地理位置等因素限制，在用户移动终端上设计控制界面，操作方便、灵活。

4. 2 Android 客户端界面设计

Android 系统采用XML 可扩展标记语言完成界面设计，本系统主要包含登录界面、主功能界面和主控制界面。在主功能界面中，可以点击进入各级主控制界面。1 号节点的主控制界面如图3 所示。在该控制界面可以实时接收1 号节点的空气温度、湿度、光照、土壤湿度等环境参数并显示，还可以设置自动灌溉和手动灌溉模式。

Fig. 3 1 node main control interface

4. 3 Android 客户端功能设计

Android 客户端系统测试采用联想A750 手机，Android4. 0. 3 版本，内核Linux3. 0. 8 版本; 开发环境为ADT Bundle + Java JDK7，服务器可以同时与多个Android 手机客户端进行通信，为每个客户端分配1个端口号; 用户合法登录进入系统之后首先进入主功能界面，在主功能界面选择某控制节点进入控制节点界面。

本系统主要包含4 个Activity，Activity 与Activity之间通过Intent 进行通信和变量的数据传递，每个文件的属性及权限在全局配置文件manifest. xml 中定义。

4. 3. 1 Socket 网络通信功能

Socket 通信是指双方采用Socket 机制交换数据，常用的通信协议有TCP 和UDP 两种。TCP 协议是可靠的、面向连接的协议; 而UDP 数据报协议是不可靠的、无连接的协议。本文网络编程采用的是UDP 通信协议，通过UDP 协议向远程监控中心发送控制信息。

4. 3. 2 灌溉模式处理模块

主控制界面可以通过按钮设置自动灌溉和手动灌溉模式。自动灌溉控制基于土壤湿度，当土壤湿度达到湿度下线自动启动灌溉系统; 手动灌溉控制由用户通过Android 移动终端进行设置。节水灌溉系统工作模式关键代码如下:

if ( event. getAction( ) = = MotionEvent. ACTION_DOWN) {

if ( v. getId( ) = = ManualButton. getId( ) ) { / /手动灌溉模式

com. riwis. utils. Configuration. isDefend = false; ;

}

if ( v. getId( ) = = AutoButton. getId( ) ) { / / 自动灌溉模式

com. riwis. utils. Configuration. isDefend =

true;

}

}

5 结语

为了能有效提高农业灌溉用水的资源利用率、科学实施农业灌溉，开发了基于物联网Android 平台的远程智能节水灌溉系统。同时，介绍了系统总体架构，设计了无线传感器节点、控制器节点的硬件、远程监控中心、Android 客户端。在Android 移动终端上实现了远程智能节水灌溉，具有硬件成本低、性价比高、智能化、低功耗等特点，为精细高效农业信息采集和节水灌溉智能控制提供有效的技术手段。该系统在济源农业科学院进行了原型试验，结果表明: 系统运行效果良好，操作界面人性化，控制方便，实时性好，具有一定的推广价值。