曾 瑜，張仁貢，劉進寶，厲 莎

(1.浙江同濟科技職業(yè)學院 水利工程系，杭州 311231；2.浙江禹貢信息科技有限公司，杭州 310052)

當前，隨著科技的進步，尤其是4G及5G通信技術、云數(shù)據(jù)庫及云服務技術、物聯(lián)網技術、移動互聯(lián)網APP技術、GIS技術等的進步[1,2]，為解決農村小型農業(yè)基地自動化智慧化的問題，包括：①采用人工農藥噴灑和人工水管灌溉等，容易損傷作物且成本較高。②安全問題。尤其是比較名貴的作物或藥物，安全管理存在問題，偷盜問題時有發(fā)生，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控效果難以達到。③集成化程度較差。往往安裝了多套功能單一的系統(tǒng)，如節(jié)水系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、視頻流系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)等[3]，操作非常不方便。④缺少互聯(lián)網移動APP平臺。一些大型大型農業(yè)基地或大型灌區(qū)的管理平臺不是很適用[4]，無用的功能多且價格昂貴。為此，急需研究開發(fā)一款經濟型、操作方便型、傻瓜型的現(xiàn)代化綜合管理云系統(tǒng)，以解決上述問題。

為此，筆者科研團隊通過五年多的科學實驗和研究，結合4G及5G通信技術、云數(shù)據(jù)庫及云服務技術、物聯(lián)網技術、移動互聯(lián)網APP技術、GIS技術等現(xiàn)代化技術[5]，發(fā)明了該系統(tǒng)。該系統(tǒng)獲得國家軟件著作權(2017SR228298)和水利部先進技術科技推廣證書(TZ2016067)。

1 框架設計

總體框架如圖1所示。從圖1可知如下內容：首先，4G通信是核心鏈路技術[6]，通過該技術，將視頻流數(shù)據(jù)與PLC控制器[7]和自主研發(fā)的雙核多功能物聯(lián)網裝置進行通信。其次，各種狀態(tài)量、開關量、模擬量、脈沖量等通過PLC與雙核多功能物聯(lián)網裝置進行通信，這里涉及雙核多功能物聯(lián)網裝置的發(fā)明專利，該裝置實現(xiàn)了多種信號的集中采集和處理，具體參見核心技術的研發(fā)[8]。再次，云技術服務中心的研發(fā)，該中心結合了云技術和云數(shù)據(jù)庫服務，可以租賃阿里巴巴云空間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫研發(fā)的云空間化，實現(xiàn)無需服務器實現(xiàn)多個農業(yè)基地的共享數(shù)據(jù)庫的應用。最后，云服務中心可以通過移動互聯(lián)網[9]，與APP、電腦終端監(jiān)管系統(tǒng)等鏈接通信。

圖1 綜合管理云系統(tǒng)總體構架Fig.1 General framework of integrated cloud management system for intelligent small agricultural base

2 雙核多功能物聯(lián)網采集裝置

經過自主研發(fā)發(fā)明的該雙核多功能物聯(lián)網采集裝置，目的是解決多個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的接口統(tǒng)一問題。該裝置可以接收視頻流、語音流、狀態(tài)流、脈沖流、模擬流等數(shù)據(jù)信號，采用了4G通信網絡的支持，帶有雙核多功能應用輸入輸出模塊[10]，其結構如圖2所示。

該裝置以RTU+CPU為核心單元，屬于雙核裝置，使用多種傳感器采集各類參數(shù)，利用GPRS網絡傳送數(shù)據(jù)，支持太陽能極板供電。工作方式是采用隨機和定時相結合的2種自報工作方式，這種方式功耗低，便于供電[11]，結構簡單，可靠性高，實時性強，能很好地反映數(shù)據(jù)等變化的全過程[12]。隨機自報方式的時間間隔大于0.5 s時，表明被測量裝置有增減變化，會自動向數(shù)據(jù)信息中心傳輸一次數(shù)據(jù)。而定時自報方式，顧名思義是不管被測參數(shù)是否變化，都將每隔1 s向數(shù)據(jù)信息中心傳輸一次數(shù)據(jù)。

該設備支持與調度中心管理主機和手機雙向信息交互功能，工作人員可通過手機APP實現(xiàn)對設備終端的參數(shù)設置、工作狀態(tài)查詢等操作。

該裝置的主要功能包括：①“省電”模式，實現(xiàn)較低的功耗。GPRS終端模塊可以設定上報時間，當需要上報是主動打開采集模塊電源，信息發(fā)送完畢切斷采集模塊電源；②系統(tǒng)能夠響應云服務中心發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其存儲于本地服務器中[13]；③可以實現(xiàn)多種參數(shù)的測量，包括視頻流、語音流以及脈沖量；④可設置GPS時鐘，包括時鐘點號、定時值、間隔秒數(shù)、系統(tǒng)時鐘記錄等；⑤可以定時定間隔報送數(shù)據(jù)；⑥可以設置數(shù)據(jù)報送的周期；⑦可以采用可再生能源和新能源，如太陽能、風能等，包括配合蓄電池進行供電[14]；⑧可以記錄數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)系統(tǒng)時間，可以精確到秒級[15]；⑨具有光電隔離功能，抗外部干擾能力強[16]。

3 電磁閥控制微系統(tǒng)

該系統(tǒng)可以采用現(xiàn)地手動人工控制、半自動的現(xiàn)地控制和全自動的遠程控制控制三層控制系統(tǒng)[17]，現(xiàn)地手動人工控制優(yōu)先級最高，其次為半自動的現(xiàn)地控制優(yōu)先級，全自動的遠程控制控制的優(yōu)先級別為最低，且具有互鎖功能[18]。系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

4 云服務GIS設計

基于XML 進行信息交互的GIS 信息是屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的結合，其中比較突出的問題是數(shù)據(jù)量比較大、位置分散[19]，通過國際統(tǒng)一格式標準實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫云服務中心與終端APP的互交通信，通信采用了XMLDOM對象，該對象采用XML數(shù)據(jù)傳輸格式，由XMLDOM語句處理XML 標準數(shù)據(jù)，其中DOM動態(tài)鏈接庫模塊，在接收到APP端響應時，會啟動ASP 文件的URL鏈接，通過創(chuàng)建XMLDOM對象，調用XMLDOM對象的load 方法，由云服務器的WEB端的ASP 文件調用XMLDOM對象的有關屬性和方法，主要代碼為：

圖2 雙核多功能物聯(lián)網采集裝置結構圖Fig.2 Dual core multi-function network collection device structure diagram

圖3 電磁閥控制微系統(tǒng)結構圖Fig.3 Microsystem Structure of Electromagnetic Valve Control

ZenYustrURL =“query.asp ? ID = 1001”∥ ZenYustrURL為構造URL ，1001 為渠道ID 號

Set ZenYudocSubmit = CreateObject (“Microsoft.XMLDOM”)∥ 創(chuàng)建XMLDOM對象

ZenYudocSubmit.load(strURL)∥ 裝載XML 數(shù)據(jù)

Set ZenYudocReceive = CreateObject (“Microsoft.XMLDOM”)

ZenYudocReceive.async = False

ZenYudocReceive.load(“result.xml”)∥ 調用服務器端生成的XML

5 交互集成技術

由于系統(tǒng)涉及APP的一張圖現(xiàn)實，或多個基地點的一張圖訪問機制。本系統(tǒng)采用MapInfo 與VB的互交技術，該技術的服務端通過OLE鏈接庫文件開放式實現(xiàn)MapInfo的處理數(shù)據(jù)與云服務中心的鏈接，例如可以用VB 編程工具，采用OLE 嵌入并生成MapInfo 對象，由MapInfo.CallBack屬性實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問和調用，Class Module中的MapCallBack 包含GetSelectPoint 和GetLength兩個過程函數(shù)，可以通過這兩個過程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回調，主要代碼如下：

Public ZenYUmapApp as Object ∥ 定義名為mapApp 的MapInfo 對象

Public ZenYUcallback as Object ∥ 定義名為callback 的回調對象

ZenYUMapApp.do“Set ZenYUApplication Windows” &MainForm.Hwnd /設置apInfo句柄

Set ZenYUcallback = New MapCallBack

ZenYUMapApp.SetCallBack callback ∥ 獲取回調函數(shù)

ZenYUMapApp.do “Create Buttonpad” “ICallBack” “as Toolbutton ID 2002 DrawMode 34 Cursor 0 Calling OLE”“

GetSelectPoint“”∥ 獲取點擊處的位置

ZenYUmapApp.do“Create Buttonpad”“WcallBack”“as Toolbutton ID 2018 DrawMode 36 Cursor 138 Calling OLE”

6 實例分析

該應用案例基地位于嘉興海寧市錢塘江江畔，實施面積1.333 hm2，要求采用上述互聯(lián)網云服務的設計體系。①該農業(yè)基地包括水池基礎(20 m3及以上)、水泵和增壓泵，電磁閥、管道、視頻基座、控制房等；②現(xiàn)地控制單元LCU包括溫度、濕度、水位等模擬量物聯(lián)網采集裝置、電磁閥開關量、RS-485通訊串行接口設備、西門子PLC單元控制系統(tǒng)、光端機、組態(tài)軟件、觸摸屏系統(tǒng)等；③視頻流監(jiān)視系統(tǒng)包括球形攝像機、無線通信、360旋轉云臺、APP終端系統(tǒng)等；④云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括SPACE云空間、云DABE數(shù)據(jù)庫、MIS系統(tǒng)、安全配置等[20]；⑤移動APP平臺包括各類功能的實現(xiàn)等。

6.1 云服務器數(shù)據(jù)訪問措施

首先通過APP的設置，實現(xiàn)現(xiàn)地與APP的訪問，由現(xiàn)地觸摸屏，實現(xiàn)云端服務器的注冊。同時通過ZenYUstrings字符串實現(xiàn)安全配置，包括用戶名和密碼。然后進行數(shù)據(jù)的初始化，同時配置云端服務器與現(xiàn)地存儲單元的備份機制，保持同步更新，有利于基地的數(shù)據(jù)的長期保存。

6.2 WebGis對接ArcGIS

在本項目經費有限，通過一段時間的努力，采用該系統(tǒng)節(jié)約了成本，又一次完成要達到的功能。尤其是在APP開發(fā)上，在基本功能滿足的條件下，通過InfoGAP的諸多現(xiàn)存的屬性、函數(shù)和方法，實現(xiàn)功能的APP設置，實現(xiàn)APP顯示的豐富內容，便于用戶操作。圖片存儲和導出盡量采用通用的手機訪問格式，不但蘋果手機還是安卓手機都能夠接受，如png或jpeg等格式。開發(fā)接口Arcgis Server，實現(xiàn)一張圖的高級格式化輸出，有利于訪問的實時性，同時采用公用平臺的云服務，節(jié)約了服務器的成本，節(jié)約了投資，符合解決農村農業(yè)基地經費不足的問題。

6.3 數(shù)據(jù)庫對接和整合相關信息

系統(tǒng)軟件鏈接和安裝完成后，完成數(shù)據(jù)庫的配置，這需要采用MISDABES的數(shù)據(jù)管理功能，可以采用SQl2008語句，實現(xiàn)基于WEB的SQL設置和開發(fā)，可以采用SETSQL、UPDATESQL、ADDSQL等語法，實現(xiàn)云數(shù)據(jù)庫與WEB APP終端軟件的無縫對接[21]，具體云數(shù)據(jù)庫服務設計框架如圖4所示。

圖4 嘉興海寧市錢塘江農業(yè)基地節(jié)水灌溉云系統(tǒng)框架Fig.4 Framework of water-saving irrigation cloud system for Qiantang River agricultural base in Haining,Jiaxing

從圖4可知，云技術服務中采用無線云網，實現(xiàn)了與移動用戶的鏈接，采用Dispose模式，在云服務中，設計了安全體系?；谝苿覣PP互聯(lián)系統(tǒng)與現(xiàn)地控制單元西門子PLC-200型智能控制器LCU的動態(tài)鏈接，采用DOM的協(xié)助管理觸摸屏程序。本系統(tǒng)需要接入智慧錢塘江綜合管理系統(tǒng)，故通過大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過云鏈路接口，實現(xiàn)接口的接入。圖5為案例界面。

7 結 語

目前，本系統(tǒng)已應用到全國200多個小型農村農業(yè)基地，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，成本低廉，操作簡單，有效解決了小型農村農業(yè)基地的諸多問題。我們的下一步研究將把重心放在開辟協(xié)助農業(yè)基地產品發(fā)布的商業(yè)云鏈接等，通過大數(shù)據(jù)分析上，針對不同的植物使灌溉更加精準，愿通過本系統(tǒng)的研究和開發(fā)，能為全國農業(yè)基地的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計提供借鑒。