劉天宇，徐曉輝，宋 濤，蘇彥莽，吳 迪

(河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津 300401)

0 引 言

當前遠程控制技術在我國各行業(yè)獲得了前所未有的廣泛應用，農(nóng)業(yè)灌溉進入了自動化監(jiān)控與調(diào)度時代?，F(xiàn)代智能控制器作為田間管理的有效手段和工具，有利于灌溉過程的科學管理，降低操作者本身素質(zhì)的要求，更高效地給作物補充養(yǎng)分。

以往灌溉控制器工作模式是按照設定的時間點或時間間隔進行灌溉，對環(huán)境參數(shù)的控制也僅是限于閥值控制，高溫通風、低溫加熱等，其本質(zhì)仍是定時器或流量控制器[1]。且傳統(tǒng)的單片機控制器由于其存儲空間小和計算能力差等缺點導致系統(tǒng)簡單、控制模式單一，已不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的管理需要。Android 平臺采取軟件層疊的方式構建系統(tǒng)框架，由應用程序層、應用程序框架層、系統(tǒng)運行庫層和Linux核心層構成基本架構[2]。它具備WIFI驅動、3G驅動，可滿足各種無線通信需要，可嵌入高速處理器，大容量內(nèi)存。為了克服以上缺點，本文選擇了內(nèi)存大，計算能力強的安卓系統(tǒng)，設計結合Android的特點開發(fā)了兼具B/S和C/S 2種模式的多元化數(shù)據(jù)處理和良好的交互體驗的智能控制系統(tǒng)。

1 智能系統(tǒng)整體設計

基于Android的溫室智能控制與實現(xiàn)的自適應農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)[3]見圖1。主要包括土壤墑情傳感器、溫度傳感器、水位水質(zhì)傳感器等數(shù)據(jù)采集設備；MCU控制系統(tǒng)；農(nóng)田氣象采集系統(tǒng)；PLC控制器(含水費刷卡計價功能)[4,5]；由電磁閥控制的灌溉泵、肥料泵等執(zhí)行器以及終端主機和安卓移動終端。在本系統(tǒng)中首先由傳感器采集土壤墑情、溫室溫度、濕度、CO2等信息并通過485總線將數(shù)據(jù)傳入MCU(Micro Controller Unit，微控制單元)，由MCU作處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC近端顯示、無線數(shù)據(jù)遠傳模塊和485轉WIFI模塊實現(xiàn)遠程監(jiān)控[6,7]。

圖1 系統(tǒng)總體設計

2 軟件客戶端架構設計

本系統(tǒng)設計了C/S與B/S結合的控制模式。B/S模式下，移動終端通過Http通信協(xié)議將請求發(fā)送到Web服務器，Web服務器將請求轉發(fā)給云端數(shù)據(jù)庫[8]。C/S模式下安卓終端為客戶端，MCU控制單元為服務器。MCU外接485轉WIFI模塊作為AP熱點，移動終端通過SSID接入無線局域網(wǎng)實現(xiàn)與溫室的指令交互[9,10]。在無線網(wǎng)信號較弱時可通過GSM模式直接將指令以短信的形式直接發(fā)給MCU上的GSM模塊再由控制設備緊急啟停[11]。Android移動終端的軟件架構見圖2。

圖2 移動終端軟件架構

3 智能灌溉策略

3.1 數(shù)據(jù)庫的建立

建立智能數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)智能灌溉的基礎，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫主要由Shared Preferences和SQL Server 2個部分組成，分別實現(xiàn)對本地數(shù)據(jù)和云端數(shù)據(jù)的儲存。SharedPreferences是Android平臺上一個輕量級的存儲類，處理時Dalvik會通過底層自帶的本地XML Parser解析數(shù)據(jù)。讀寫速度快故常用來保存系統(tǒng)配置，例如IP地址和端口號、用戶登錄信息等。 植物生長相關的海量數(shù)據(jù)則利用Web服務器發(fā)送至云端SQL Server數(shù)據(jù)庫，利用“CREATE TABLE tablename”語句建表，并將Web服務器發(fā)送來的數(shù)據(jù)加載到表中，通過HTTP協(xié)議以及調(diào)用Input Stream和Out put Stream類實現(xiàn)與安卓終端的通信[12]。用戶身份信息和水費余額等重要信息保存在遠程數(shù)據(jù)庫中，用戶登錄、查詢余額均需要遠程匹配,增強了安全性和可維護性。

3.2 智能數(shù)據(jù)計算

(1)數(shù)據(jù)圖表化。數(shù)據(jù)庫的建立為接下來的計算提供了技術基礎，傳感器采集到的數(shù)據(jù)在移動終端內(nèi)通過Intent相互傳遞數(shù)據(jù)，并使用add Category()方法為Intent對象添加Category屬性，可將土壤墑情、CO2濃度、光照強度、pH值等數(shù)據(jù)歸類、整理，最后顯示在交互界面(見圖3)。在程序內(nèi)調(diào)用AChart Engine方法將數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)特征分別繪制成柱狀圖、折線圖，見圖4和圖5。

圖3 溫室數(shù)據(jù)

圖4 灌溉用水量對比

圖5 肥料用量對比

(2)刷卡階梯水價計費。我國農(nóng)業(yè)種植面積大，灌溉用水情況復雜，實行階梯水費計價政策勢在必行。本系統(tǒng)在PLC控制器上設計了FRID射頻刷卡用水功能，用戶繳費買水，用水量信息保存在射頻卡中。安卓移動終端可自動查詢最新水價公告，并與PLC內(nèi)射頻識別的用戶用水量對接，實時根據(jù)耗水量、水價政策計算水費，并在余額不足時提示用戶繳費，消除了傳統(tǒng)單片機系統(tǒng)到現(xiàn)場刷卡才能查詢余額的弊端，實現(xiàn)了智能、科學的計費方式。

3.3 智能灌溉決策

Android客戶端內(nèi)的數(shù)據(jù)通過Web服務器上傳到云端農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)會與農(nóng)業(yè)植物生長大數(shù)據(jù)進行比對。實時數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)偏差過大則發(fā)送指令指導執(zhí)行器的開關動作(見圖6)，土壤墑情傳感器采集到土壤濕度傳遞給安卓客戶端，客戶端歸類、整理數(shù)據(jù)并傳到云端農(nóng)業(yè)庫[13]。對比得出土壤濕度過低時，開啟灌溉泵澆灌，達到要求濕度時反饋到客戶端并通過MCU向電磁閥發(fā)送指令關閉水泵。云端服務器內(nèi)置灌溉決策模型，基于現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)及當?shù)貧庀笮畔⑦M行灌溉決策，并控制水泵、電磁閥、肥料泵等設備，執(zhí)行灌溉決策。智能灌溉決策與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)控制器的區(qū)別在于其可根據(jù)未來天氣及植物生長規(guī)律自動調(diào)整灌溉方案，實現(xiàn)真正的智能灌溉。具體區(qū)別見表1。

由表1可看出，本文設計的智能溫室控制系統(tǒng)在調(diào)控參數(shù)平緩化、精準化和節(jié)約水資源、電量4個方面表現(xiàn)良好，打破人工預設閥值的常規(guī)模式，實現(xiàn)了自動根據(jù)氣象變化而自行調(diào)整的智能化控制。

圖6 智能灌溉決策流程

農(nóng)田狀況 傳統(tǒng)灌溉智能灌溉結論明天降溫溫室溫度降到限值時開啟暖風根據(jù)氣象信息提前預熱調(diào)控溫度更平緩4 h后降雨正常灌溉減少灌溉量并打開集雨器節(jié)約水量CO2濃度超標室外大風開啟排風扇直至CO2濃度合格開啟通風窗節(jié)約電量連續(xù)陰天用戶自己設置補光強度根據(jù)光線傳感器與理想差值自動設定光強調(diào)控光強更精準

4 結 語

本系統(tǒng)建成了一個集信息采集、傳輸、分析、管理與控制決策于一體的基于Android系統(tǒng)的高效溫室控制系統(tǒng)。通過B/S與C/S 2種模式的配合管理，使系統(tǒng)能適應多種不同情況下對多塊溫室參數(shù)的遠程監(jiān)測和控制。GSM模式提供了安全保障。數(shù)據(jù)歸類、整理之后上傳云端與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的融合為植物生長參數(shù)控制提供了精確的理論指導，是本設計的一大亮點。經(jīng)實測本系統(tǒng)可有效地節(jié)約人力成本，提高管理效率和控制精度，具有廣闊的應用前景。

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