农田灌溉监控系统的设计与实现

农田灌溉监控系统的设计与实现

马平平

上海顶新工程规划设计有限公司上海201315

摘要：农田灌溉是农业生产的重要内容之一，随着我国农业技术的发展，农田灌溉将向着自动化和智能化的方向发展，以节约人力成本，提高生产效率和质量。

关键词：农田灌溉；监控系统；设计与实现

引言

灌溉是现代农业生产的重要环节。传统的灌溉方式受到地理环境和降雨的限制，当恶劣的天气需要依靠人水灌溉时，水量和流速都非常有限，直接影响到农产品的生长和产量，限制了农民的利益。随着供水压力的增加，传统的灌溉方式不能满足现代农业灌溉的要求，必须采用高效的灌溉方式。

1系统说明

本文所设计的农田灌溉监测系统是在传统农业生成过程中，融入科技与互联网元素，使之能够智能化的监测农田灌溉的情况，即在现有农田灌溉的基础上，将微型采集器加入到农田灌溉的应用现场，采集器可以采集农田灌溉的信息，以及控制农田灌溉开关，同时，微型采集器可以通过网络，如GPRS，将农田灌溉的信息上传到主站，管理人员可以通过Web服务器查看每个微型采集器所采集到农田光的信息，同时使用上位机软件配置每个采集器的相关参数。农田灌溉监控系统的整体结构如图1所示。

图1农田灌溉监控系统整体结构图

2农田灌溉监控系统特点

2.1灵活可扩展性

由于农田的范围、数量以及种植的作物会随着需求变化，因此部署在农田里的微型采集器也需要具有灵活性，能够适应不同的应用场景。因此，在设计微型采集器时，需要尽可能满足各种特殊情况，能够应对应用场景的变化；微型采集器的数据接口可预留几个串口，可灵活增加监控传感器以及控制模块；微型传感器上传数据至主站，在设计传输数据帧格式，考虑可扩展性。

2.2自动化、智能化

自动化是指在工业生产过程中，采用机器或工控设备，代替人工的部分工作，从而实现监测、控制自动化控制；在某些恶劣、不适合人工参与的环境下，使用自动化设备，完成工作目标。而在本项目中的农田灌溉监控系统，无需人工参与，使用微型采集器获取农田的基本信息，包括温度、湿度、灌溉情况，通过GPRS将采集到的基本信息上传到主站。微型采集器可通过串口或网络配置主站信息，部署后，微型采集器可以主动连接主站，上送采集到的数据。主站能够自动分析微型采集器上传的数据，判断是否出现异常数据，若出现异常数据，则及时警告通知工作人员；主站将数据保存到数据库中，便于对历史数据进行抽象、建模、分析、决策，积累农田管理的经验，以科技作为辅助，提高生产决策准确性；农田灌溉自动化，可以允许用户通过浏览器方式访问Web服务器，查看灌溉的信息。

3农田灌溉监控系统的设计与实现

3.1无线传感器终端节点设计

无线传感器终端（简称为WSN）是传感器网络的构成单元，负责农田温湿信息的采集和传输功能，与水泵和水管电磁阀配合构成监测和控制回路，根据实际需要分布于农田监测区域节点，是农田灌溉系统的最基本单元。采用模块化设计思路，WSN终端主要有处理器模块、传感器模块、无线射频模块和电源模块构成，硬件结构框图如图2所示。

图2无线传感器终端节点结构图

WSN终端中，处理器选用TI公司的MSP430单片机，该芯片为16位微处理器，具有低功耗高可靠性的优点，且具有高集成度，片上集成了12位A/D、多个定时器、看门狗、串口、大量I/O接口和片内集成存储器，芯片价格低，功能强大且具有很强的抗扰能力，满足WSN节点的运算和存储需求。WSN节点主要通过传感器进行土壤的温湿度采集，在传感器方面，温度传感器选择SLST1-5，检测精度为±0.5℃，湿度传感器选择FDS100，测量精度误差不大于3%。WSN节点通过无线射频与基站进行通信，选用H8410无线模块，该模块为高集成度的半双工无线传输模块，数据采用透明式打包传输方式，数据传输稳定，工作频段为433MHz，速率为2400－57600bps，8－24V直流供电，低功耗。

3.2主站设计

主站的首要功能是群控管理微型采集器，能够对单个或多个微型采集器通过网络或串口进行参数配置、信息获取以及远程控制；主站实现良好的人机交互界面，允许用户方面的管理和查看微型采集器的信息，；主站系统的实现，可以选Java或C#，在本系统中，考虑到主站主要部署在Windows环境下，选用C#开发实现主站功能，基于.NetFramework实现主站客户端界面，使用HTTPLister引擎提供Webservice接口进行功能访问。

主站实现功能模块，能够通过网络或串口获得微型采集器采集到的数据，并对数据进行解析和分析。该功能模块运行在后台，采用多线程技术，监听来自串口和网络的数据，并自动进行解析；基于网络的数据传输可以使用Webservice，Socket或Http，在本系统中，考虑到的微型采集器数量较多且网络传输采用GPRS方式，因此选用Socket方式上传数据，可以减少GPRS流量消耗。由于现场有大量的微型采集器需要同时连接到一台主站上，因此如何有效处理好大量的数据并发是主站开发的主要难点。本系统中使用了Windows平台最高效的异步网络处理技术工OCP作为网络处理引擎，并将网络连接处理、数据转发、协议解析构造进行分层设计，逐级缓冲高并发访问对系统的影响，大大提高了系统的稳定性与工作效率。

主站部署数据库，能够将获得到的数据保存到数据库中，并定期对数据库数据进行冗余备份。常用的数据库包括DB2，Oracle，SqlServer，MySql数据库，DB2，Oracle，SqlServer属于大型商业数据库，MySql属于小型开发数据库，考虑到数据容量以及成本因素，在本系统中选用MySql数据库。

主站与Web服务器之间的交互采用了具有平台独立、低藕合的Webservice技术，它使用SOAP协议并基于HTTP协议在网络上传输，通过WSDL将主站描述为一个虚拟的远程调用接口集合，使得Web服务器通过主站与微型采集器进行交互以及与主站之间的交互变得十分方便。

3.3Web月旦务器架构设计

Web服务器的主要功能是满足用户通过浏览器管理、查看、配置所有的微型采集器。在本系统中，使用ASP.NET技术实现Web服务器。为了方便用户查看微型采集器的信息，可以使用地图、列表的形式查看每个微型采集器的信息：可以通过折线图、表格形式查看微型采集器的历史数据，允许用户设置数据时间段。Web服务器的功能模块主要包括以下部分：Web请求模块、数据库访问模块、与主站交互模块等。Web请求模块处理用户的请求，数据库访问模块作为数据库访问的接口，与主站的交互模块通过主站完成对微型采集器的远程控制以及实时数据查看。

结语

随着信息技术的飞速发展，越来越多的传统产业引入了信息技术，信息技术可以带来传统产业的增长点和利润增长点。大数据、云计算、物联网技术的兴起和发展，改变了许多行业运作的方式，如何整合信息技术和传统产业的整合，以实现相互促进的目标，成为众多学者的研究课题。农田监测是农业信息化的重要组成部分，信息化手段在农田监测中的应用可以提高农田管理的效率，科学地管理农田的生产活动。

参考文献

[1]孙忠富，杜克明，郑飞翔，等.大数据在智慧农业中研究与应用展望[J].中国农业科技导报，2013，15（6）：63-71.

[2J汪冰.我国农业信息化建设现状及发展研究田.安徽农业科学，2008，36（21）：9330-9331.