何 巍，袁 亮，崔春亮

(烏魯木齊天工興水環(huán)?？萍加邢薰?，新疆 烏魯木齊 830000)

基于GPRS通信的自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)研發(fā)

何 巍，袁 亮，崔春亮

(烏魯木齊天工興水環(huán)保科技有限公司，新疆 烏魯木齊830000)

為節(jié)約農(nóng)田灌溉用水,提高水資源利用效率，利用JAVA技術(shù)、嵌入式技術(shù)和自動化技術(shù)等先進科學(xué)技術(shù),建成一套集數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、信息共享、運行管理、遠(yuǎn)程通信于一體的自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)。初步試驗表明,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,能準(zhǔn)確采集田間管路的流量壓力信息,進行節(jié)水灌溉控制,為農(nóng)田灌溉提供了一套全新、精準(zhǔn)、適時的灌溉設(shè)備。

節(jié)水灌溉;自動化;監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

我國節(jié)灌水的利用率不足,灌溉管理自動化是發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要手段。我國目前主要的局限是節(jié)水灌溉工程措施的推廣以及應(yīng)用，灌溉系統(tǒng)自動化水平制約著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1]。利用當(dāng)今的 3G 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合GSM 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，利用手機應(yīng)用來實現(xiàn)報警推送、超遠(yuǎn)程遙控節(jié)水灌溉設(shè)備并上傳傳輸數(shù)據(jù)就成為了可能[2]。灌溉自動控制模式與人工控制方式相比，具有節(jié)省水、肥、能耗、殺蟲劑、人工開支等優(yōu)點，并可基本消除在灌溉過程中人為因素造成的不利影響，提高操作的準(zhǔn)確性，有利于灌溉過程的科學(xué)管理和先進灌溉技術(shù)的推廣[3]。

本文主要介紹了一套整合智能手機應(yīng)用、田間硬件設(shè)備以及上位機軟件服務(wù)器的自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)主要由田間硬件系統(tǒng)和軟件服務(wù)器兩部分組成,其中田間系統(tǒng)通過基站通信與軟件服務(wù)器進行通信完成數(shù)據(jù)交換，用戶可以通過手持終端(如智能手機)或使用PC實現(xiàn)對系統(tǒng)的交互操作，系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

1.1田間硬件系統(tǒng)

田間硬件系統(tǒng)主要由首部通信服務(wù)器和RTU電磁頭控制器兩部分組成，如圖2所示。

圖2 田間系統(tǒng)組成

首部通信服務(wù)器由數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)和通信中繼兩大核心部件組成，為便于開發(fā)調(diào)試，DTU選用產(chǎn)品設(shè)備，通信中繼自行開發(fā)完成。通信中繼與RTU通過433 MHz自組網(wǎng),通信中繼與DTU通過串口RS485/232通信,首部通信服務(wù)器的能源供給采用太陽能與蓄電池雙電源的方式。

RTU電磁頭控制器控制兩路電磁頭閥控開關(guān)和兩路流量壓力傳感器，為保證開發(fā)效率以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用自保持式直流電磁閥，其具有功耗低、集成反饋與集成流壓傳感器的優(yōu)點，RTU的能量供給同樣采用太陽能與蓄電池雙電源的方式。

1.2軟件服務(wù)器

軟件服務(wù)器用于為用戶提供可視化服務(wù)，統(tǒng)計田間硬件系統(tǒng)上傳的管路流量、壓力數(shù)據(jù)、反饋電磁頭的狀態(tài)，軟件服務(wù)器要求高可用，其主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器組成,如圖3所示。

圖3 軟件服務(wù)器組成

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用MYSQL數(shù)據(jù)庫作為服務(wù)的主體，主要用作收集數(shù)據(jù)，持久化系統(tǒng)運行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

通信服務(wù)器主要負(fù)責(zé)與田間硬件設(shè)備的信息交換。

應(yīng)用服務(wù)器采用Apache旗下的Tomcat，負(fù)責(zé)提供面向用戶的服務(wù)，并提供可視化的方式使用戶能夠輕松地使用系統(tǒng)。

2 硬件選型

田間硬件設(shè)備的選型需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、通信的可靠性、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的準(zhǔn)確性，綜合考慮田間的數(shù)據(jù)中繼選用成熟的STM32F103ZET6芯片作為硬件系統(tǒng)的主控單元，RTU的主控單元則選取供能相對通信中繼較低的STM8。系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的工作流程

3 軟件設(shè)計

軟件運行在軟件服務(wù)器上，作為為用戶提供服務(wù)的主要接口，軟件的設(shè)計應(yīng)當(dāng)滿足安全性、易用性、穩(wěn)定性這3個基本條件，針對這些要求，對服務(wù)軟件的設(shè)計應(yīng)當(dāng)采用分層設(shè)計，軟件系統(tǒng)間的各模塊應(yīng)當(dāng)滿足低耦合、高內(nèi)聚的要求。為提升開發(fā)效率，節(jié)約開發(fā)成本，軟件編程語言選用JAVA，開發(fā)工具集成環(huán)境(IDE)選為Eclipse，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫選為MySQL，系統(tǒng)的運行環(huán)境為CentOS Linux。

軟件系統(tǒng)的層次為安全層、數(shù)據(jù)鏈路層、數(shù)據(jù)持久層、核心邏輯層、表現(xiàn)層。

安全層采用Apache旗下的Shiro框架，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全作出屏障。

數(shù)據(jù)鏈路層采用Apache旗下的Mina高性能網(wǎng)絡(luò)開發(fā)框架，其采用非阻塞I/O模型，能夠提升軟件服務(wù)器與田間硬件設(shè)備之間的通信能力，是系統(tǒng)的通信服務(wù)器核心模塊。

數(shù)據(jù)持久層底層使用MySQL數(shù)據(jù)庫，并通過JAVA數(shù)據(jù)庫連接驅(qū)動(JDBC)，使用JAVA操作數(shù)據(jù)庫，為提高開發(fā)效率，采用進一步封裝JDBC的Hibernate框架，完成數(shù)據(jù)持久層的開發(fā)。

核心邏輯層是軟件系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)各組件之間的解耦以及整合全部需要依靠核心邏輯層完成，為此采用Spring框架作為核心邏輯層。Spring框架能夠完美地整合Shiro框架、Hibernate框架和Mina框架，并提供統(tǒng)一接口為系統(tǒng)各組件提供調(diào)用服務(wù)。

表現(xiàn)層的部分采用Spring旗下的輕量級組件SpringMVC框架完成，表現(xiàn)層的主要作用是為用戶提供直接的圖形界面，使用戶能夠與系統(tǒng)進行交互。表現(xiàn)層的數(shù)據(jù)報表采用Bootstrap框架和EasyUI框架完成，其圖表等數(shù)據(jù)可視化采用HighChartJS完成。

軟件系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 功能結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)運行測試

在硬件系統(tǒng)搭建完成后應(yīng)當(dāng)對硬件系統(tǒng)進行系統(tǒng)級別的測試，即在設(shè)定完成后系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠向軟件服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，軟件服務(wù)器應(yīng)當(dāng)能夠接收數(shù)據(jù)。為方便測試，可以在軟件服務(wù)器端編寫用于測試的模塊，這里筆者采用JUNIT測試單元完成，硬件的測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 硬件測試圖

通過分析測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在實驗室室內(nèi)的通信比較靈敏，在自組網(wǎng)完成、DTU與系統(tǒng)建立連接后，數(shù)據(jù)能夠較快地上傳至服務(wù)器。

5 結(jié)束語

通過自動化技術(shù)以及軟件編程等先進科學(xué)手段，建立了自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，并通過測試可以得出，本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，能夠采集田間數(shù)據(jù)，完成統(tǒng)計并進行灌溉控制。

[1] 李秀春，劉洪祿.節(jié)水灌溉自動化測控系統(tǒng)研究[J].節(jié)水灌溉，2002(2):27-29.

[2] 張秋汝，楊雙，徐瀟禹.基于3G和GSM技術(shù)高度自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究[J].科技信息，2012(5):100-101.

[3] 楊海，陳江波.節(jié)水灌溉綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國水利，2017(6): 53-56.

Research and development of automatic water-saving irrigation system based on GPRS communication

He Wei，Yuan Liang，Cui Chunliang

(Urumqi Tangent Environmental Sic-Tech Co.，Ltd，Urumqi 830000，China)

In order to save irrigated water and increase water use efficiency，advanced technologies such as computer-based technology，communication and automation have been adopted, and a comprehensive automatic monitoring system of water-saving irrigation that integrates information collection，data measurement，remote control，data sharing，operation and management and remote communication was created.The experiment of integrating software management with automatic monitoring demonstrates that the system is reliable and can collection accurate data of soil moisture and conduct water-saving irrigation control.A complete new, accurate and timely irrigation system has been developed for agriculture irrigation.

water-saving irrigation; automation; monitoring system

TP311

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.026

何巍，袁亮，崔春亮.基于GPRS通信的自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)研發(fā)J.微型機與應(yīng)用，2017,36(21)：90-91,99.

2017-06-04)

何巍(1994-),男,碩士研究生,主要研究方向: 機械故障診斷。

袁亮(1972-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:機器人控制、計算機視覺與圖像處理。