基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺(tái)的遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析論文
基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺(tái)的遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(wèn)題已不僅僅是資源問(wèn)題,更是關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和長(zhǎng)治久安的重大戰(zhàn)略問(wèn)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(shì),推廣節(jié)水灌溉也已成為世界各國(guó)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(tái)的遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái)的遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析全文如下：
【摘要】：針對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉中的水資源浪費(fèi)問(wèn)題和灌溉遠(yuǎn)程控制問(wèn)題,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺(tái)的農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)多個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。系統(tǒng)不受時(shí)間地域限制,用戶(hù)可以通過(guò)Android移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制。系統(tǒng)采用CC2 5 3 0作為無(wú)線(xiàn)傳感器芯片、OK6 4 1 0作為控制器節(jié)點(diǎn)芯片。實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性和有效性,可為遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉提供平臺(tái)支持,能夠滿(mǎn)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(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家，淡水資源總量為2. 8 萬(wàn)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(wàn)m3 ，僅為世界平均水平的1 /4，是全球13 個(gè)人均水資源最貧乏的國(guó)家之一。淡水資源中灌溉用水總量約占全國(guó)總用水量的1 /2 以上，而且灌溉用水效率相當(dāng)?shù)停骄喔人寐蕛H約40%，發(fā)展節(jié)水灌溉是緩解我國(guó)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(guó)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(shí)節(jié)水灌溉也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)標(biāo)志，其增產(chǎn)增效、節(jié)約勞動(dòng)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(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
物聯(lián)網(wǎng)就是通過(guò)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(dòng)標(biāo)識(shí)與信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)，按照約定的通信協(xié)議，通過(guò)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(lái)，進(jìn)行信息交換與通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種信息網(wǎng)絡(luò)。
隨著我國(guó)國(guó)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(duì)傳統(tǒng)灌溉和灌溉控制方式的各種缺點(diǎn)，通過(guò)WCDMA 技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了利用Android 移動(dòng)終端對(duì)灌溉系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，并通過(guò)基于土壤濕度的控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行自動(dòng)適時(shí)適量的灌溉。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)中分布多個(gè)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(kāi)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(gè)變頻器控制節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)變頻恒壓供水?？刂破鞴?jié)點(diǎn)通過(guò)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(chǎng)采集的信息通過(guò)移動(dòng)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(dòng)終端接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心傳送過(guò)來(lái)的采集信息，可對(duì)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(wú)線(xiàn)環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)電磁閥控制節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)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(dòng)終端。
為了解決智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的供電技術(shù)問(wèn)題，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電方式對(duì)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(wú)線(xiàn)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(duì)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(shí)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(shí)接收來(lái)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(chéng)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(guò)Internet 和移動(dòng)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(dòng)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(jì)
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(jì)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信模塊，支持上下行非對(duì)稱(chēng)數(shù)據(jù)傳輸，MG3732 模塊在通信接口上具有比以往無(wú)線(xiàn)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(xiàn)接口( USB) 兩種通信接口，以滿(mǎn)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?？刂破鞴?jié)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)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(chǎng)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還作為現(xiàn)場(chǎng)的一個(gè)主控單元，配有相應(yīng)的液晶屏和觸摸屏，可實(shí)時(shí)展示節(jié)水灌溉系統(tǒng)中的相關(guān)信息以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電磁閥進(jìn)行控制。
3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程監(jiān)控中心由1 臺(tái)移動(dòng)終端可以直接訪問(wèn)的聯(lián)網(wǎng)微機(jī)組成，通過(guò)Internet 互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)采集的信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便以后分析處理。同時(shí)，還能根據(jù)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中的電磁閥進(jìn)行控制，具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種灌溉控制方式。自動(dòng)灌溉控制基于土壤濕度，當(dāng)土壤濕度達(dá)到濕度下線(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)灌溉系統(tǒng)。監(jiān)控中心軟件采用Java語(yǔ)言編寫(xiě)，它是完全面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言。數(shù)據(jù)庫(kù)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(hù)端平臺(tái)設(shè)計(jì)
4. 1 Android 客戶(hù)端功能架構(gòu)
Android 是美國(guó)Google 公司開(kāi)發(fā)的基于Linux 平臺(tái)的開(kāi)源嵌入式操作系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)、用戶(hù)界面和應(yīng)用程序。該系統(tǒng)采用客戶(hù)機(jī)/ 服務(wù)器模式，服務(wù)端部分用Java 開(kāi)發(fā)的WebService 和Socket 編程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，客戶(hù)端部分是采用基于Socket 通信方式的Android Java 開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn); 編譯最終生成在任何Android移動(dòng)終端都可以運(yùn)行的APK 文件，直接安裝后就可以在Android 移動(dòng)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(shí)間、環(huán)境、地理位置等因素限制，在用戶(hù)移動(dòng)終端上設(shè)計(jì)控制界面，操作方便、靈活。
4. 2 Android 客戶(hù)端界面設(shè)計(jì)
Android 系統(tǒng)采用XML 可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言完成界面設(shè)計(jì)，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(jí)主控制界面。1 號(hào)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(shí)接收1 號(hào)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(dòng)灌溉和手動(dòng)灌溉模式。
Fig. 3 1 node main control interface
4. 3 Android 客戶(hù)端功能設(shè)計(jì)
Android 客戶(hù)端系統(tǒng)測(cè)試采用聯(lián)想A750 手機(jī)，Android4. 0. 3 版本，內(nèi)核Linux3. 0. 8 版本; 開(kāi)發(fā)環(huán)境為ADT Bundle + Java JDK7，服務(wù)器可以同時(shí)與多個(gè)Android 手機(jī)客戶(hù)端進(jìn)行通信，為每個(gè)客戶(hù)端分配1個(gè)端口號(hào); 用戶(hù)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(gè)Activity，Activity 與Activity之間通過(guò)Intent 進(jìn)行通信和變量的數(shù)據(jù)傳遞，每個(gè)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(bào)協(xié)議是不可靠的、無(wú)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(guò)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(guò)按鈕設(shè)置自動(dòng)灌溉和手動(dòng)灌溉模式。自動(dòng)灌溉控制基于土壤濕度，當(dāng)土壤濕度達(dá)到濕度下線(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)灌溉系統(tǒng); 手動(dòng)灌溉控制由用戶(hù)通過(guò)Android 移動(dòng)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(dòng)灌溉模式
com. riwis. utils. Configuration. isDefend = false; ;
}
if ( v. getId( ) = = AutoButton. getId( ) ) { / / 自動(dòng)灌溉模式
com. riwis. utils. Configuration. isDefend =
true;}}
5 結(jié)語(yǔ)
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(kāi)發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)Android 平臺(tái)的遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。同時(shí)，介紹了系統(tǒng)總體架構(gòu)，設(shè)計(jì)了無(wú)線(xiàn)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(hù)端。在Android 移動(dòng)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?xún)r(jià)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(yàn)，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(shí)性好，具有一定的推廣價(jià)值。
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