基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺的遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計分析論文
基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺的遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計分析論文
21世紀(jì)水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源,水資源問題已不僅僅是資源問題,更是關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展和長治久安的重大戰(zhàn)略問題?；诖?采用節(jié)水、節(jié)能的灌溉方法已成為全世界灌溉技術(shù)發(fā)展的總趨勢,推廣節(jié)水灌溉也已成為世界各國為緩解水資源危機(jī)和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇。以下是學(xué)習(xí)啦小編為大家精心準(zhǔn)備的：基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺的遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計分析相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!
基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺的遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計分析全文如下：
【摘要】：針對農(nóng)業(yè)灌溉中的水資源浪費(fèi)問題和灌溉遠(yuǎn)程控制問題,對物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究,設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺的農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對多傳感器節(jié)點(diǎn)(空氣溫濕度、光照、土壤濕度、電磁閥、變頻器等)遠(yuǎn)程采集和控制,以及對多個控制器節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。系統(tǒng)不受時間地域限制,用戶可以通過Android移動終端實(shí)現(xiàn)對智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的監(jiān)測和控制。系統(tǒng)采用CC2 5 3 0作為無線傳感器芯片、OK6 4 1 0作為控制器節(jié)點(diǎn)芯片。實(shí)測結(jié)果驗證了該設(shè)計的可行性和有效性,可為遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉提供平臺支持,能夠滿足農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的需要。
【關(guān)鍵詞】： 節(jié)水灌溉 遠(yuǎn)程 智能 物聯(lián)網(wǎng) Android
引言
我國是一個干旱缺水嚴(yán)重的國家，淡水資源總量為2. 8 萬億m3 ，占全球水資源的6%，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第4 位; 但人均只有0. 22 萬m3 ，僅為世界平均水平的1 /4，是全球13 個人均水資源最貧乏的國家之一。淡水資源中灌溉用水總量約占全國總用水量的1 /2 以上，而且灌溉用水效率相當(dāng)?shù)?，平均灌溉水利用率僅約40%，發(fā)展節(jié)水灌溉是緩解我國水資源緊缺和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。農(nóng)業(yè)要發(fā)展，水利要先行，我國水資源缺乏，有效合理地利用水資源就必須要大力發(fā)展節(jié)水灌溉，同時節(jié)水灌溉也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個標(biāo)志，其增產(chǎn)增效、節(jié)約勞動力和提高土地的利用率等諸多的優(yōu)越性決定了它是未來發(fā)展的必然趨勢。
物聯(lián)網(wǎng)就是通過條碼與二維碼、射頻標(biāo)簽( RFID) 、全球定位系統(tǒng)( GPS) 、紅外感應(yīng)器、激光掃描器及傳感器網(wǎng)絡(luò)等自動標(biāo)識與信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)，按照約定的通信協(xié)議，通過各種局域網(wǎng)、接入網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)將物與物、人與物、人與人連接起來，進(jìn)行信息交換與通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種信息網(wǎng)絡(luò)。
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必將采用各種各樣先進(jìn)的技術(shù)，以提高農(nóng)作物產(chǎn)量，節(jié)約資源。本研究針對傳統(tǒng)灌溉和灌溉控制方式的各種缺點(diǎn)，通過WCDMA 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Android 移動終端對灌溉系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，并通過基于土壤濕度的控制方式實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田進(jìn)行自動適時適量的灌溉。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)中分布多個環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)、電磁閥控制節(jié)點(diǎn)和變頻器控制節(jié)點(diǎn)。土壤環(huán)境、空氣環(huán)境參數(shù)由環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)采集，滴灌管道由電磁閥控制節(jié)點(diǎn)實(shí)施開關(guān)控制。為了確保灌溉供水的穩(wěn)定性和可靠性，達(dá)到節(jié)水目的，設(shè)置一個變頻器控制節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)全自動變頻恒壓供水?？刂破鞴?jié)點(diǎn)通過Zig-Bee 網(wǎng)絡(luò)采集環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)、電磁閥控制節(jié)點(diǎn)和變頻器控制節(jié)點(diǎn)信息，控制電磁閥控制節(jié)點(diǎn)和變頻器控節(jié)點(diǎn)狀態(tài); 現(xiàn)場采集的信息通過移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和Internet互聯(lián)網(wǎng)由控制器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，Android 移動終端接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心傳送過來的采集信息，可對智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控。遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成為: 無線環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)、無線電磁閥控制節(jié)點(diǎn)、無線變頻器控制節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心及Android 移動終端。
為了解決智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的供電技術(shù)問題，系統(tǒng)采用太陽能供電方式對環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)、電磁閥控制節(jié)點(diǎn)、變頻器控制節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。無線傳感器模塊選用ZigBee 技術(shù)的新一代SOC 芯片CC2530。該模塊主要負(fù)責(zé)對空氣溫度、空氣濕度、光照和土壤濕度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時采集，使用ZigBee 協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器節(jié)點(diǎn)ZigBee 模塊，同時接收來自控制器節(jié)點(diǎn)ZigBee 模塊的控制命令。土壤濕度傳感器采用錦州利誠LC - TS2 型FDR 土壤濕度傳感器。控制器節(jié)點(diǎn)主要用于收發(fā)ZigBee 模塊數(shù)據(jù)并通過Internet 和移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。Android 移動終端主要完成同遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互及網(wǎng)絡(luò)通信等功能。
2 控制器節(jié)點(diǎn)設(shè)計
控制器節(jié)點(diǎn)作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，功能比較復(fù)雜，因此主控芯片采用高性能的ARM11 內(nèi)核的嵌入式處理器S3C6410。為減低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，選用飛凌嵌入式技術(shù)有限公司的OK6410 嵌入式模塊，該模塊已經(jīng)集成了S3C6410 最小系統(tǒng)以及相應(yīng)的NOR Flash、NAND Flash、SDRAM、RS232 及USB 接口等常用模塊。WCDMA 通信模塊選用中興通訊生產(chǎn)的MG3732 模塊，該模塊是一款WCDMA/GSM 雙模移動互聯(lián)網(wǎng)通信模塊，支持上下行非對稱數(shù)據(jù)傳輸，MG3732 模塊在通信接口上具有比以往無線通信模塊更加靈活的特性，可以支持異步串口( UART) 和通用串行總線接口( USB) 兩種通信接口，以滿足不同主控設(shè)備的特性要求。另外，模塊內(nèi)部還集成了標(biāo)準(zhǔn)的TCP / IP 協(xié)議棧，支持TCP 協(xié)議和UDP 協(xié)議傳輸，可以很方便地連接到Internet 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。控制器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)管理節(jié)水灌溉系統(tǒng)現(xiàn)場的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，同時還作為現(xiàn)場的一個主控單元，配有相應(yīng)的液晶屏和觸摸屏，可實(shí)時展示節(jié)水灌溉系統(tǒng)中的相關(guān)信息以及對現(xiàn)場的電磁閥進(jìn)行控制。
3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計
遠(yuǎn)程監(jiān)控中心由1 臺移動終端可以直接訪問的聯(lián)網(wǎng)微機(jī)組成，通過Internet 互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)場控制器節(jié)點(diǎn)中的WCDMA 模塊建立連接進(jìn)行通信。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心把現(xiàn)場采集的信息存入數(shù)據(jù)庫中，以便以后分析處理。同時，還能根據(jù)需要對現(xiàn)場中的電磁閥進(jìn)行控制，具有手動和自動兩種灌溉控制方式。自動灌溉控制基于土壤濕度，當(dāng)土壤濕度達(dá)到濕度下線自動啟動灌溉系統(tǒng)。監(jiān)控中心軟件采用Java語言編寫，它是完全面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。數(shù)據(jù)庫選用MySQL5. 0。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的軟件包括兩部分:WebService 服務(wù)器端監(jiān)控程序和基于Java Web 的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)演示網(wǎng)站。
4 Android 客戶端平臺設(shè)計
4. 1 Android 客戶端功能架構(gòu)
Android 是美國Google 公司開發(fā)的基于Linux 平臺的開源嵌入式操作系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)、用戶界面和應(yīng)用程序。該系統(tǒng)采用客戶機(jī)/ 服務(wù)器模式，服務(wù)端部分用Java 開發(fā)的WebService 和Socket 編程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，客戶端部分是采用基于Socket 通信方式的Android Java 開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn); 編譯最終生成在任何Android移動終端都可以運(yùn)行的APK 文件，直接安裝后就可以在Android 移動終端上使用。相比傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程節(jié)水灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)不受時間、環(huán)境、地理位置等因素限制，在用戶移動終端上設(shè)計控制界面，操作方便、靈活。
4. 2 Android 客戶端界面設(shè)計
Android 系統(tǒng)采用XML 可擴(kuò)展標(biāo)記語言完成界面設(shè)計，本系統(tǒng)主要包含登錄界面、主功能界面和主控制界面。在主功能界面中，可以點(diǎn)擊進(jìn)入各級主控制界面。1 號節(jié)點(diǎn)的主控制界面如圖3 所示。在該控制界面可以實(shí)時接收1 號節(jié)點(diǎn)的空氣溫度、濕度、光照、土壤濕度等環(huán)境參數(shù)并顯示，還可以設(shè)置自動灌溉和手動灌溉模式。
Fig. 3 1 node main control interface
4. 3 Android 客戶端功能設(shè)計
Android 客戶端系統(tǒng)測試采用聯(lián)想A750 手機(jī)，Android4. 0. 3 版本，內(nèi)核Linux3. 0. 8 版本; 開發(fā)環(huán)境為ADT Bundle + Java JDK7，服務(wù)器可以同時與多個Android 手機(jī)客戶端進(jìn)行通信，為每個客戶端分配1個端口號; 用戶合法登錄進(jìn)入系統(tǒng)之后首先進(jìn)入主功能界面，在主功能界面選擇某控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入控制節(jié)點(diǎn)界面。
本系統(tǒng)主要包含4 個Activity，Activity 與Activity之間通過Intent 進(jìn)行通信和變量的數(shù)據(jù)傳遞，每個文件的屬性及權(quán)限在全局配置文件manifest. xml 中定義。
4. 3. 1 Socket 網(wǎng)絡(luò)通信功能
Socket 通信是指雙方采用Socket 機(jī)制交換數(shù)據(jù)，常用的通信協(xié)議有TCP 和UDP 兩種。TCP 協(xié)議是可靠的、面向連接的協(xié)議; 而UDP 數(shù)據(jù)報協(xié)議是不可靠的、無連接的協(xié)議。本文網(wǎng)絡(luò)編程采用的是UDP 通信協(xié)議，通過UDP 協(xié)議向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送控制信息。
4. 3. 2 灌溉模式處理模塊
主控制界面可以通過按鈕設(shè)置自動灌溉和手動灌溉模式。自動灌溉控制基于土壤濕度，當(dāng)土壤濕度達(dá)到濕度下線自動啟動灌溉系統(tǒng); 手動灌溉控制由用戶通過Android 移動終端進(jìn)行設(shè)置。節(jié)水灌溉系統(tǒng)工作模式關(guān)鍵代碼如下:
if ( event. getAction( ) = = MotionEvent. ACTION_DOWN) {
if ( v. getId( ) = = ManualButton. getId( ) ) { / /手動灌溉模式
com. riwis. utils. Configuration. isDefend = false; ;
}
if ( v. getId( ) = = AutoButton. getId( ) ) { / / 自動灌溉模式
com. riwis. utils. Configuration. isDefend =
true;}}
5 結(jié)語
為了能有效提高農(nóng)業(yè)灌溉用水的資源利用率、科學(xué)實(shí)施農(nóng)業(yè)灌溉，開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)Android 平臺的遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。同時，介紹了系統(tǒng)總體架構(gòu)，設(shè)計了無線傳感器節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)的硬件、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、Android 客戶端。在Android 移動終端上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉，具有硬件成本低、性價比高、智能化、低功耗等特點(diǎn)，為精細(xì)高效農(nóng)業(yè)信息采集和節(jié)水灌溉智能控制提供有效的技術(shù)手段。該系統(tǒng)在濟(jì)源農(nóng)業(yè)科學(xué)院進(jìn)行了原型試驗，結(jié)果表明: 系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，操作界面人性化，控制方便，實(shí)時性好，具有一定的推廣價值。
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