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基于物联网Android平台的远程智能节水灌溉系统设计分析论文
基于物联网Android平台的远程智能节水灌溉系统设计分析 论文 基于物联网Android平台的远程智能节水灌溉系统设计分析全文如下：【摘要】：针对农业灌溉中的水资源浪费问题和灌溉远程控制问题,对物联 网相关技术进行研究,设计了基于物联网Android平台的农业远程智能节水灌溉系 统,实现了对多传感器节点(空气温湿度、光照、土壤湿度、电磁阀、变频器等)远 程采集和控制,以及对多个控制器节点的远程监测与控制。系统不受时间地域限制, 用户可以通过Android移动终端实现对智能节水灌溉系统的监测和控制。系统采 用CC2 5 3 0作为无线传感器芯片、OK6 4 1 0作为控制器节点芯片。实测结果验 证了该设计的可行性和有效性,可为远程智能节水灌溉提供平台支持,能够满足农 业节水灌溉的需要。
【关键词】：
节水灌溉 远程 智能 物联网 Android 引言 我国是一个干旱缺水严重的国家，淡水资源总量为2. 8 万亿m3 ，占 全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第4 位;
但人均只有0. 22 万m3 ，仅为世界平均水平的1 /4，是全球13 个人均水资源最贫乏的国家之 一。淡水资源中灌溉用水总量约占全国总用水量的1 /2 以上，而且灌溉用水效率 相当低，平均灌溉水利用率仅约40%，发展节水灌溉是缓解我国水资源紧缺和促 进农业可持续发展的关键所在。农业要发展，水利要先行，我国水资源缺乏，有 效合理地利用水资源就必须要大力发展节水灌溉，同时节水灌溉也是农业现代化 的一个标志，其增产增效、节约劳动力和提高土地的利用率等诸多的优越性决定 了它是未来发展的必然趋势。
物联网就是通过条码与二维码、射频标签( RFID) 、全球定位系统 ( GPS) 、红外感应器、激光扫描器及传感器网络等自动标识与信息传感设备及 系统，按照约定的通信协议，通过各种局域网、接入网、互联网将物与物、人与 物、人与人连接起来，进行信息交换与通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、 监控和管理的一种信息网络。
随着我国国民经济的迅速发展，农业生产必将采用各种各样先进的技 术，以提高农作物产量，节约资源。本研究针对传统灌溉和灌溉控制方式的各种缺点，通过WCDMA 技术和无线传感器网络技术的结合，实现了利用Android 移 动终端对灌溉系统的远程控制，并通过基于土壤湿度的控制方式实现对农田进行 自动适时适量的灌溉。
1 系统总体设计 智能节水灌溉系统中分布多个环境传感器节点、电磁阀控制节点和变 频器控制节点。土壤环境、空气环境参数由环境传感器节点采集，滴灌管道由电 磁阀控制节点实施开关控制。为了确保灌溉供水的稳定性和可靠性，达到节水目 的，设置一个变频器控制节点来实现全自动变频恒压供水。控制器节点通过 Zig-Bee 网络采集环境传感器节点、电磁阀控制节点和变频器控制节点信息，控 制电磁阀控制节点和变频器控节点状态;
现场采集的信息通过移动互联网络和 Internet互联网由控制器节点负责发送到远程监控中心，Android 移动终端接收远 程监控中心传送过来的采集信息，可对智能节水灌溉系统进行实时的监控。远程 智能节水灌溉系统的结构组成为: 无线环境传感器节点、无线电磁阀控制节点、 无线变频器控制节点、控制器节点、远程监控中心及Android 移动终端。
为了解决智能节水灌溉系统的供电技术问题，系统采用太阳能供电方 式对环境传感器节点、电磁阀控制节点、变频器控制节点、控制器节点进行供电。
无线传感器模块选用ZigBee 技术的新一代SOC 芯片CC2530。该模块主要负责 对空气温度、空气湿度、光照和土壤湿度等环境参数的实时采集，使用ZigBee 协 议将采集到的数据发送到控制器节点ZigBee 模块，同时接收来自控制器节点 ZigBee 模块的控制命令。土壤湿度传感器采用锦州利诚LC - TS2 型FDR 土壤 湿度传感器。控制器节点主要用于收发ZigBee 模块数据并通过Internet 和移动互 联网络与远程监控中心进行网络通信。Android 移动终端主要完成同远程监控中 心的数据交互及网络通信等功能。
2 控制器节点设计 控制器节点作为物联网应用系统网关，功能比较复杂，因此主控芯片 采用高性能的ARM11 内核的嵌入式处理器S3C6410。为减低系统设计的复杂性， 选用飞凌嵌入式技术有限公司的OK6410 嵌入式模块，该模块已经集成了 S3C6410 最小系统以及相应的NOR Flash、NAND Flash、SDRAM、RS232 及USB 接口等常用模块。WCDMA 通信模块选用中兴通讯生产的MG3732 模块，该模 块是一款WCDMA/GSM 双模移动互联网通信模块，支持上下行非对称数据传输， MG3732 模块在通信接口上具有比以往无线通信模块更加灵活的特性，可以支持异步串口( UART) 和通用串行总线接口( USB) 两种通信接口，以满足不同主控 设备的特性要求。另外，模块内部还集成了标准的TCP / IP 协议栈，支持TCP 协 议和UDP 协议传输，可以很方便地连接到Internet 进行网络传输。控制器节点是 无线传感器网络的汇聚节点，负责管理节水灌溉系统现场的ZigBee 网络，同时 还作为现场的一个主控单元，配有相应的液晶屏和触摸屏，可实时展示节水灌溉 系统中的相关信息以及对现场的电磁阀进行控制。
3 远程监控中心设计 远程监控中心由1 台移动终端可以直接访问的联网微机组成，通过 Internet 互联网和移动互联网与现场控制器节点中的WCDMA 模块建立连接进 行通信。远程监控中心把现场采集的信息存入数据库中，以便以后分析处理。同 时，还能根据需要对现场中的电磁阀进行控制，具有手动和自动两种灌溉控制方 式。自动灌溉控制基于土壤湿度，当土壤湿度达到湿度下线自动启动灌溉系统。
监控中心软件采用Java语言编写，它是完全面向对象的编程语言。数据库选用 MySQL5. 0。远程监控中心的软件包括两部分:WebService 服务器端监控程序和 基于Java Web 的智能节水灌溉系统演示网站。
4 Android 客户端平台设计 4. 1 Android 客户端功能架构 Android 是美国Google 公司开发的基于Linux 平台的开源嵌入式操 作系统，包括操作系统、用户界面和应用程序。该系统采用客户机/ 服务器模式， 服务端部分用Java 开发的WebService 和Socket 编程技术来实现，客户端部分是 采用基于Socket 通信方式的Android Java 开发技术实现;
编译最终生成在任何 Android移动终端都可以运行的APK 文件，直接安装后就可以在Android 移动终 端上使用。相比传统的远程节水灌溉系统，该系统不受时间、环境、地理位置等 因素限制，在用户移动终端上设计控制界面，操作方便、灵活。
4. 2 Android 客户端界面设计 Android 系统采用XML 可扩展标记语言完成界面设计，本系统主要 包含登录界面、主功能界面和主控制界面。在主功能界面中，可以点击进入各级 主控制界面。1 号节点的主控制界面如图3 所示。在该控制界面可以实时接收1 号节点的空气温度、湿度、光照、土壤湿度等环境参数并显示，还可以设置自动灌溉和手动灌溉模式。
Fig. 3 1 node main control interface 4. 3 Android 客户端功能设计 Android 客户端系统测试采用联想A750 手机，Android4. 0. 3 版本， 内核Linux3. 0. 8 版本;
开发环境为ADT Bundle + Java JDK7，服务器可以同时与 多个Android 手机客户端进行通信，为每个客户端分配1个端口号;
用户合法登录 进入系统之后首先进入主功能界面，在主功能界面选择某控制节点进入控制节点 界面。
本系统主要包含4 个Activity，Activity 与Activity之间通过Intent 进 行通信和变量的数据传递，每个文件的属性及权限在全局配置文件manifest. xml 中定义。
4. 3. 1 Socket 网络通信功能 Socket 通信是指双方采用Socket 机制交换数据，常用的通信协议有 TCP 和UDP 两种。TCP 协议是可靠的、面向连接的协议;
而UDP 数据报协议 是不可靠的、无连接的协议。本文网络编程采用的是UDP 通信协议，通过UDP 协 议向远程监控中心发送控制信息。
4. 3. 2 灌溉模式处理模块 主控制界面可以通过按钮设置自动灌溉和手动灌溉模式。自动灌溉控 制基于土壤湿度，当土壤湿度达到湿度下线自动启动灌溉系统;
手动灌溉控制由 用户通过Android 移动终端进行设置。节水灌溉系统工作模式关键代码如下: if ( event. getAction( ) = = MotionEvent. ACTION_DOWN) { if ( v. getId( ) = = ManualButton. getId( ) ) { / /手动灌溉模式 com. riwis. utils. Configuration. isDefend = false;
;
} if ( v. getId( ) = = AutoButton. getId( ) ) { / / 自动灌溉模式 com. riwis. utils. Configuration. isDefend =true;}} 5 结语 为了能有效提高农业灌溉用水的资源利用率、科学实施农业灌溉，开 发了基于物联网Android 平台的远程智能节水灌溉系统。同时，介绍了系统总体 架构，设计了无线传感器节点、控制器节点的硬件、远程监控中心、Android 客 户端。在Android 移动终端上实现了远程智能节水灌溉，具有硬件成本低、性价 比高、智能化、低功耗等特点，为精细高效农业信息采集和节水灌溉智能控制提 供有效的技术手段。该系统在济源农业科学院进行了原型试验，结果表明: 系统 运行效果良好，操作界面人性化，控制方便，实时性好，具有一定的推广价值。
