楊 洋，孫兆軍,2

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 銀川 750021 ；2.寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院， 銀川 750021)

0 引 言

生命起源于水，人類生活需要水，自然發(fā)展更加需要水，水是一切的源頭，在任何領(lǐng)域都扮演著極其重要的角色[1]，隨著國(guó)家城市化的快速推進(jìn)，社會(huì)需求的快速發(fā)展，水的需求量在逐步增長(zhǎng)，在中國(guó)的重中之重的農(nóng)業(yè)發(fā)展中，水的重要性更加要得到重視，然而，農(nóng)業(yè)用水比例并不高，甚至很少。并且由于灌溉系統(tǒng)并不完全，技術(shù)落后，造成了農(nóng)業(yè)用水的大面積的浪費(fèi)，因此節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展就顯得尤為重要。根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，可以研究開發(fā)基于UWP技術(shù)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)。

UWP(Universal Windows Platform)是微軟推出的Windows通用應(yīng)用平臺(tái)，在Win 10 Mobile/Surface(Windows平板電腦)/PC/Xbox/HoloLens等平臺(tái)上運(yùn)行，UWP不同于傳統(tǒng)pc上的exe應(yīng)用也跟只適用于手機(jī)端的app有本質(zhì)區(qū)別[2,3]。本文針對(duì)傳統(tǒng)灌溉和灌溉控制方式的各種缺點(diǎn)，通過新型WWP技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了利用Windows 10各種不同平臺(tái)對(duì)灌溉系統(tǒng)的控制，并通過基于土壤濕度的控制方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)適量的灌溉。針對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)，隨著電腦軟硬件的升級(jí)換代，有必要研究設(shè)計(jì)一套UWP技術(shù)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)集中管理并以不同終端展現(xiàn)給各類用戶，提供一個(gè)新的平臺(tái)。

1 UWP技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

通用Windows平臺(tái)(Universal Windows Platform，簡(jiǎn)稱UWP)是微軟公司創(chuàng)建并在Windows 10中首次引入的一個(gè)同質(zhì)應(yīng)用架構(gòu)平臺(tái)。此軟件平臺(tái)的目的是幫助發(fā)展Metro樣式的應(yīng)用，便于軟件可以在Windows 10和Windows 10 Mobile上運(yùn)行而無需重寫。它支持使用C++、C#、VB.NET或XAML開發(fā)的Windows應(yīng)用[4]。2015年7月開始，微軟 Windows 10在全球190個(gè)國(guó)家同步上市匹配資格的 Windows 7 或 Windows 8.1 設(shè)備均能免費(fèi)升級(jí)，預(yù)估全球?qū)⒂袛?shù)億 Windows 用戶受惠，針對(duì)這次免費(fèi)升級(jí)，諸多的優(yōu)點(diǎn)決定了UWP是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

UWP是Windows Runtime的一個(gè)擴(kuò)展。采用UWP創(chuàng)建的“通用Windows應(yīng)用”在其清單(manifest)構(gòu)建中不再采用對(duì)特定操作系統(tǒng)的寫法，相反，它們采用“通用Windows平臺(tái)橋梁”針對(duì)一個(gè)或多個(gè)設(shè)備族，因此，使用通用Windows平臺(tái)開發(fā)智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)可以用在個(gè)人電腦，智能手機(jī)、平板電腦和Xbox One等多種設(shè)備。這些擴(kuò)展允許應(yīng)用程序自動(dòng)利用當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備中可用的功能[5]。智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)即可以運(yùn)行在智能手機(jī)上，也可以運(yùn)行在平板電腦上，可以用于不同的微軟移動(dòng)平臺(tái)。如果手機(jī)連接到一臺(tái)桌面電腦或者一個(gè)合適的擴(kuò)展塢，其上運(yùn)行的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)還可能呈現(xiàn)為平板電腦上的體驗(yàn)[6]。其次基于UWP的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整控件、字體和其他用戶界面元素的大小，以使它們?cè)谒性O(shè)備上清晰可見，這些都源于UWP提供的一組內(nèi)置功能和通用構(gòu)建基塊。圖1是一個(gè)Windows平臺(tái)。

圖1 Windows平臺(tái)

2 智能灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

新型的UWP智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)不同于一般的灌溉系統(tǒng)，在這套系統(tǒng)上，使用了服務(wù)器設(shè)備、便攜式計(jì)算機(jī)、多個(gè)直動(dòng)式電磁閥以及不同種類的多個(gè)環(huán)境傳感器，通過互聯(lián)網(wǎng)，將這些設(shè)備連接在一起，使用UWP技術(shù)創(chuàng)建分布式系統(tǒng)平臺(tái)，方便人員對(duì)農(nóng)田或者大棚進(jìn)行監(jiān)控管理，通過視頻監(jiān)控進(jìn)行全區(qū)監(jiān)控。建成統(tǒng)一的信息集成平臺(tái)，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)信息共享與交換，確保管理信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性與唯一性(圖2)。

1-溫度控制器；2-增溫器；3-水源；4-供水管；5-總水閥；6-壓力表；7-干管；8-水表；9-磁閥；10-土槽；11-滴灌帶；12-信號(hào)線(二、四芯)；13-濕溫度傳感器；14-控制器；15-保溫箱；16-室內(nèi)溫度計(jì)；17-攝像頭；18-無線網(wǎng)絡(luò)；19-移動(dòng)設(shè)備終端圖2 智能灌溉系統(tǒng)工作圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是硬件主要包含信息采集，信息傳感器，攝像頭，發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)設(shè)備(通過GPRS終端服務(wù))，處理、存儲(chǔ)和展示的服務(wù)器，對(duì)電磁閥，灌水閥，施肥閥的控制以及展示操作的計(jì)算機(jī)終端、移動(dòng)終端等。

智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)主要包括ThinkPad電腦一體機(jī)，可觸屏，手機(jī)移動(dòng)終端、匯川PLC、模擬量輸入/輸出拓展模塊H2U，匯川變頻器以及若干控制器開關(guān)和交流接觸器等。通過CANlink協(xié)議將匯川PLC、電腦一體機(jī)、變頻器通訊連接，土壤溫濕度傳感器等測(cè)量的模擬量信號(hào)連接到H2U模塊中，實(shí)現(xiàn)了無線傳輸功能，上下線通過采用以DTD433M無線數(shù)據(jù)終端直接替代RS232RS485等傳統(tǒng)有線方案, 并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)模型，其中傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)，是一切資料的基礎(chǔ)，沒有數(shù)據(jù)，就沒有辦法進(jìn)行資料的處理分析，所以只有對(duì)數(shù)據(jù)的更好地利用，才能夠達(dá)到對(duì)系統(tǒng)更加好的掌控的目的。而新型的節(jié)水灌溉系統(tǒng)對(duì)于其每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目的參數(shù)進(jìn)行記錄，而系統(tǒng)中的傳感器將分布在土地中，其將采用新型的太陽(yáng)能供電以及無線傳輸系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

視頻監(jiān)控設(shè)備：攝像機(jī)、儲(chǔ)存硬盤的硬盤組成了該系統(tǒng)的視頻監(jiān)控設(shè)備。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)在的監(jiān)控設(shè)備都是朝著清晰化的方向去走，所以所錄取的視頻的數(shù)據(jù)會(huì)比較大，因此最好選用比較好的寬帶，但是這樣的話就會(huì)產(chǎn)生高額的流量費(fèi)用。而本節(jié)能系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)系統(tǒng)，本系統(tǒng)現(xiàn)將已經(jīng)錄制好的影響資料備份在硬盤中，結(jié)合相關(guān)的軟件處理，把視頻通過特定的方式傳輸?shù)椒?wù)器，這樣就可以大大的節(jié)省流量，從而節(jié)省費(fèi)用。

傳感器等設(shè)備：節(jié)點(diǎn)通過土壤溫濕度傳感器來完成土壤參數(shù)的信息采集． 設(shè)計(jì)所采用傳感器及其技術(shù)參數(shù)：土壤溫濕度傳感器FDR-100W，電壓0～2 V DC，誤差范圍內(nèi)為±3%，接口為I2C；STAL-2土壤氮磷鉀養(yǎng)分測(cè)定儀，測(cè)定項(xiàng)目有速效氮，速效磷，速效鉀，全氮，全磷，全鉀，以及有機(jī)質(zhì)/腐殖酸，誤差范圍內(nèi)為±3%，儀器采用“比色法標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量”，測(cè)試精度高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測(cè)量范圍：0.01%～100%。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)主要分為4個(gè)主模塊，每個(gè)主模塊又分為若干個(gè)二級(jí)模塊：

(1)信息管理。主要分為二層：人員管理和地塊信息管理。

人員管理：管理員對(duì)各部門人員管理，賦予管理員權(quán)限，信息展示等。

地塊信息管理：針對(duì)地塊信息管理和展示部分?jǐn)?shù)據(jù)，比如地塊大小，氮磷鉀的含量等。

(2)灌區(qū)模塊。主要分三層：灌區(qū)信息、灌水量、設(shè)備控制。

灌區(qū)信息：主要根據(jù)土壤濕度傳感器和溫度傳感器等實(shí)時(shí)顯示土壤濕度和土壤溫度等，顯示灌區(qū)的基本信息，實(shí)時(shí)分析土壤氮磷鉀含量，根據(jù)土壤溫濕度傳感器和氮磷鉀在線顯示大棚或者田間作物的土壤濕度溫度和大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度，以利于操作人員隨時(shí)了解大棚內(nèi)土壤濕度和溫度，并且通過自動(dòng)灌溉裝置以便操作人員采取措施。

灌水量：主要針對(duì)灌水量、時(shí)長(zhǎng)和周期操作等，可以自動(dòng)控制土壤濕度上限值下限值，當(dāng)土壤濕度上限值和下限值設(shè)置為0時(shí)，代表手動(dòng)控制電磁閥的開關(guān)，而不是根據(jù)上限值和下限值灌水，根據(jù)不同的農(nóng)作物可以達(dá)到定時(shí)定額灌水。

設(shè)備控制：針對(duì)不同灌溉閥門的控制，輪灌續(xù)灌的選擇，施肥次數(shù)和施肥方式的選擇。

(3)歷史數(shù)據(jù)展示。展示歷史的土壤溫度、濕度等信息，采用兩種方式顯示，一種列表形式實(shí)時(shí)顯示，另外一種是圖表實(shí)時(shí)顯示。歷史數(shù)據(jù)報(bào)表界面可以把采集到的土壤濕度、溫度等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并生成歷史數(shù)據(jù)報(bào)表．該系統(tǒng)同時(shí)支持U盤導(dǎo)出，工作人員可以通過輸入時(shí)間范圍方便地查詢各個(gè)時(shí)期的歷史數(shù)據(jù)，為日后系統(tǒng)優(yōu)化以及農(nóng)業(yè)研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源[7]。

(4)視頻監(jiān)控。監(jiān)控灌溉的濕潤(rùn)、灌溉情況，有必要可以顯示人員工作情況，在視頻硬盤盒中進(jìn)行錄制，可以查閱硬盤翻閱歷史錄制情況。

各模塊的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖4所示，表現(xiàn)了不同模塊之間的相互聯(lián)系。同時(shí)對(duì)應(yīng)每塊的平板局部如圖所示，圖5是整個(gè)系統(tǒng)分類選項(xiàng)，圖6是人員信息管理，而圖7是地塊信息管理，他們都在信息管理目錄中。

圖4 模塊結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

圖5 系統(tǒng)分類選項(xiàng)圖

圖6 人員信息管理圖

圖7 地塊信息管理圖

灌區(qū)模塊主要分為3個(gè)部分：灌區(qū)信息、灌水量以及設(shè)備控制(分別如圖8、9、10所示)，由于缺水導(dǎo)致了植物的各種生理功能不正常的干擾稱為水脅迫。楊艷芬等[8]、 杜太生等[9]對(duì)不同作物在生長(zhǎng)過程中土壤含水率變化做了相關(guān)研究，通過大量的數(shù)據(jù)研究總結(jié)，他們發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物需求水的變化規(guī)律取決于土壤的含水率。當(dāng)土壤中的含水率不低于農(nóng)作物所需水的值的時(shí)候，農(nóng)作物方可健康生長(zhǎng)。所以掌握土壤的含水率以及農(nóng)作物需水閾值尤為重要。

圖8 灌區(qū)信息圖

圖9 灌水量圖

圖10 設(shè)備控制圖

第三模塊為歷史數(shù)據(jù)的列表展示和圖表展示情況，該試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用寧夏大學(xué)A區(qū)科技樓高溫干旱節(jié)水實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采集，如圖11、12所示。

圖11 數(shù)據(jù)列表圖

圖12 數(shù)據(jù)曲線圖

最后是視頻監(jiān)控，可以清晰地看到土壤濕潤(rùn)的情況，也方便故障檢查，如圖13所示。

圖13 視頻監(jiān)控

農(nóng)田通常采取的是定期或者定額灌溉的方式， 在土壤水分缺失的情況下進(jìn)行灌溉，土壤含水率隨時(shí)間的變化而不斷升高，灌溉達(dá)到的時(shí)間內(nèi)，農(nóng)田土壤處于一個(gè)濕潤(rùn)的狀態(tài)， 土壤含水率會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界值，也就是最大田間持水率。用Excel軟件將歷史數(shù)據(jù)的土壤含水率擬合一條曲線，如圖14所示。

圖14 土壤含水率曲線

軟件系統(tǒng)平臺(tái)為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，通過層層網(wǎng)關(guān)達(dá)到安全性，保證前臺(tái)顯示和后臺(tái)處理的同步有效進(jìn)行，并提供系統(tǒng)的用戶管理、權(quán)限接口，可由后臺(tái)數(shù)據(jù)人員進(jìn)行調(diào)用，提供后臺(tái)的修改數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)同步功能，本系統(tǒng)提供UWP基于sdk的借口調(diào)用方式，后臺(tái)工作人員可以通過Blend for Visual Studio 2015等更好高版本進(jìn)行調(diào)試軟件前臺(tái)顯示功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖16 后臺(tái)C#代碼

代碼的基礎(chǔ)語(yǔ)音使用C#語(yǔ)言，Windows10環(huán)境下Visual Studio 2015的Universal框架，部分代碼截圖如16圖所示，在一定程度上能夠把數(shù)據(jù)自動(dòng)的推送到mysql服務(wù)器上，并且是結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)過程以及觸發(fā)器的方式來實(shí)現(xiàn)，這就是數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)的目的。編寫Stored Procedure “SP_SEND_REQUEST”，實(shí)踐通過“HTTP”協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸，傳輸?shù)椒?wù)器端，當(dāng)有新的數(shù)據(jù)庫(kù)插入數(shù)據(jù)庫(kù)中，觸發(fā)相應(yīng)的事件，所以在數(shù)據(jù)庫(kù)mysql表中創(chuàng)建事件觸發(fā)器“TRIGGER_ INSERT”，并調(diào)用存儲(chǔ)過程“SP_SEND_REQUEST”。

圖17 mysql表圖

3 結(jié) 論

(1)本系統(tǒng)已經(jīng)完成了基于UWP技術(shù)跨不同平臺(tái)，比如移動(dòng)設(shè)備、電腦等的正常使用土壤濕度溫度以及氮磷鉀含量的監(jiān)測(cè)功能，達(dá)到了最新的微軟系統(tǒng)并已接軌，并且實(shí)現(xiàn)了無線傳輸功能，上下線通過采用以DTD433M無線數(shù)據(jù)終端直接替代RS232RS485等傳統(tǒng)有線方案, 并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)模型，通過采集并分析作物種植區(qū)域土壤水勢(shì)與農(nóng)田肥力相結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)與適量灌溉和施肥。 通過初步試驗(yàn)表明, 該系統(tǒng)通信可靠、控制準(zhǔn)確性高、運(yùn)行狀況良好。

(2)該系統(tǒng)的灌溉控制中, 可以根據(jù)土壤溫度濕度的曲線情況，反演出作物的需水量, 并做出相應(yīng)的灌溉控制, 在某種程度上，可以促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)，并且節(jié)水節(jié)能，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

(3)采用智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)給農(nóng)作物提供優(yōu)質(zhì)的生長(zhǎng)環(huán)境，大大提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量[10,11]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)果表明，本次設(shè)計(jì)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的，并可推動(dòng)農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，保證土壤中的含水率高于農(nóng)作物所需水的值。

(4)通過本系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)和開發(fā)，基于UWP技術(shù)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)可以達(dá)到同步采集數(shù)據(jù)，同步顯示數(shù)據(jù)和同步操作等實(shí)時(shí)的性能，該方法主要依據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣龋赨WP的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可以同時(shí)運(yùn)用到相關(guān)的行業(yè)中，比如農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)和農(nóng)業(yè)大田水肥控制系統(tǒng)的開發(fā)，針對(duì)不同的系統(tǒng)，可以進(jìn)行相應(yīng)的二次開發(fā)。

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