基于UWP技术的智能节水灌溉系统设计

杨 洋，孙兆军,2

(1.宁夏大学土木与水利工程学院， 银川 750021 ；2.宁夏大学环境工程研究院， 银川 750021)

0 引 言

生命起源于水，人类生活需要水，自然发展更加需要水，水是一切的源头，在任何领域都扮演着极其重要的角色[1]，随着国家城市化的快速推进，社会需求的快速发展，水的需求量在逐步增长，在中国的重中之重的农业发展中，水的重要性更加要得到重视，然而，农业用水比例并不高，甚至很少。并且由于灌溉系统并不完全，技术落后，造成了农业用水的大面积的浪费，因此节水灌溉技术的发展就显得尤为重要。根据现实情况，可以研究开发基于UWP技术的智能化节水灌溉系统。

UWP(Universal Windows Platform)是微软推出的Windows通用应用平台，在Win 10 Mobile/Surface(Windows平板电脑)/PC/Xbox/HoloLens等平台上运行，UWP不同于传统pc上的exe应用也跟只适用于手机端的app有本质区别[2,3]。本文针对传统灌溉和灌溉控制方式的各种缺点，通过新型WWP技术和无线传感器网络技术的结合，实现了利用Windows 10各种不同平台对灌溉系统的控制，并通过基于土壤湿度的控制方式实现实时适量的灌溉。针对未来发展趋势，随着电脑软硬件的升级换代，有必要研究设计一套UWP技术的节水灌溉系统集中管理并以不同终端展现给各类用户，提供一个新的平台。

1 UWP技术的优点

通用Windows平台(Universal Windows Platform，简称UWP)是微软公司创建并在Windows 10中首次引入的一个同质应用架构平台。此软件平台的目的是帮助发展Metro样式的应用，便于软件可以在Windows 10和Windows 10 Mobile上运行而无需重写。它支持使用C++、C#、VB.NET或XAML开发的Windows应用[4]。2015年7月开始，微软 Windows 10在全球190个国家同步上市匹配资格的 Windows 7 或 Windows 8.1 设备均能免费升级，预估全球将有数亿 Windows 用户受惠，针对这次免费升级，诸多的优点决定了UWP是未来发展的必然趋势。

UWP是Windows Runtime的一个扩展。采用UWP创建的“通用Windows应用”在其清单(manifest)构建中不再采用对特定操作系统的写法，相反，它们采用“通用Windows平台桥梁”针对一个或多个设备族，因此，使用通用Windows平台开发智能化节水灌溉系统可以用在个人电脑，智能手机、平板电脑和Xbox One等多种设备。这些扩展允许应用程序自动利用当前运行设备中可用的功能[5]。智能节水灌溉系统即可以运行在智能手机上，也可以运行在平板电脑上，可以用于不同的微软移动平台。如果手机连接到一台桌面电脑或者一个合适的扩展坞，其上运行的智能节水灌溉系统还可能呈现为平板电脑上的体验[6]。其次基于UWP的智能节水灌溉系统自动调整控件、字体和其他用户界面元素的大小，以使它们在所有设备上清晰可见，这些都源于UWP提供的一组内置功能和通用构建基块。图1是一个Windows平台。

图1 Windows平台

2 智能灌溉系统总体设计

新型的UWP智能节水灌溉系统不同于一般的灌溉系统，在这套系统上，使用了服务器设备、便携式计算机、多个直动式电磁阀以及不同种类的多个环境传感器，通过互联网，将这些设备连接在一起，使用UWP技术创建分布式系统平台，方便人员对农田或者大棚进行监控管理，通过视频监控进行全区监控。建成统一的信息集成平台，消除信息孤岛，实现信息共享与交换，确保管理信息数据的准确性、完整性与唯一性(图2)。

1-温度控制器；2-增温器；3-水源；4-供水管；5-总水阀；6-压力表；7-干管；8-水表；9-磁阀；10-土槽；11-滴灌带；12-信号线(二、四芯)；13-湿温度传感器；14-控制器；15-保温箱；16-室内温度计；17-摄像头；18-无线网络；19-移动设备终端图2 智能灌溉系统工作图

2.1 系统硬件设计

本系统主要是硬件主要包含信息采集，信息传感器，摄像头，发送数据、接收数据设备(通过GPRS终端服务)，处理、存储和展示的服务器，对电磁阀，灌水阀，施肥阀的控制以及展示操作的计算机终端、移动终端等。

智能节水灌溉系统电气结构主要包括ThinkPad电脑一体机，可触屏，手机移动终端、汇川PLC、模拟量输入/输出拓展模块H2U，汇川变频器以及若干控制器开关和交流接触器等。通过CANlink协议将汇川PLC、电脑一体机、变频器通讯连接，土壤温湿度传感器等测量的模拟量信号连接到H2U模块中，实现了无线传输功能，上下线通过采用以DTD433M无线数据终端直接替代RS232RS485等传统有线方案, 并建立相应的数据库模型，其中传感器节点结构图如图3所示。

图3 传感器节点结构图

数据采集：数据，是一切资料的基础，没有数据，就没有办法进行资料的处理分析，所以只有对数据的更好地利用，才能够达到对系统更加好的掌控的目的。而新型的节水灌溉系统对于其每个数据项目的参数进行记录，而系统中的传感器将分布在土地中，其将采用新型的太阳能供电以及无线传输系统来进行实现。

视频监控设备：摄像机、储存硬盘的硬盘组成了该系统的视频监控设备。随着科技的进步，现在的监控设备都是朝着清晰化的方向去走，所以所录取的视频的数据会比较大，因此最好选用比较好的宽带，但是这样的话就会产生高额的流量费用。而本节能系统有别于传统系统，本系统现将已经录制好的影响资料备份在硬盘中，结合相关的软件处理，把视频通过特定的方式传输到服务器，这样就可以大大的节省流量，从而节省费用。

传感器等设备：节点通过土壤温湿度传感器来完成土壤参数的信息采集． 设计所采用传感器及其技术参数：土壤温湿度传感器FDR-100W，电压0～2 V DC，误差范围内为±3%，接口为I2C；STAL-2土壤氮磷钾养分测定仪，测定项目有速效氮，速效磷，速效钾，全氮，全磷，全钾，以及有机质/腐殖酸，误差范围内为±3%，仪器采用“比色法标准测量”，测试精度高，数据稳定，测量范围：0.01%～100%。

2.2 系统软件设计

系统架构主要分为4个主模块，每个主模块又分为若干个二级模块：

(1)信息管理。主要分为二层：人员管理和地块信息管理。

人员管理：管理员对各部门人员管理，赋予管理员权限，信息展示等。

地块信息管理：针对地块信息管理和展示部分数据，比如地块大小，氮磷钾的含量等。

(2)灌区模块。主要分三层：灌区信息、灌水量、设备控制。

灌区信息：主要根据土壤湿度传感器和温度传感器等实时显示土壤湿度和土壤温度等，显示灌区的基本信息，实时分析土壤氮磷钾含量，根据土壤温湿度传感器和氮磷钾在线显示大棚或者田间作物的土壤湿度温度和大棚内的光照强度，以利于操作人员随时了解大棚内土壤湿度和温度，并且通过自动灌溉装置以便操作人员采取措施。

灌水量：主要针对灌水量、时长和周期操作等，可以自动控制土壤湿度上限值下限值，当土壤湿度上限值和下限值设置为0时，代表手动控制电磁阀的开关，而不是根据上限值和下限值灌水，根据不同的农作物可以达到定时定额灌水。

设备控制：针对不同灌溉阀门的控制，轮灌续灌的选择，施肥次数和施肥方式的选择。

(3)历史数据展示。展示历史的土壤温度、湿度等信息，采用两种方式显示，一种列表形式实时显示，另外一种是图表实时显示。历史数据报表界面可以把采集到的土壤湿度、温度等数据存储在系统数据库中，并生成历史数据报表．该系统同时支持U盘导出，工作人员可以通过输入时间范围方便地查询各个时期的历史数据，为日后系统优化以及农业研究提供了宝贵的数据资源[7]。

(4)视频监控。监控灌溉的湿润、灌溉情况，有必要可以显示人员工作情况，在视频硬盘盒中进行录制，可以查阅硬盘翻阅历史录制情况。

各模块的结构关系如图4所示，表现了不同模块之间的相互联系。同时对应每块的平板局部如图所示，图5是整个系统分类选项，图6是人员信息管理，而图7是地块信息管理，他们都在信息管理目录中。

图4 模块结构关系图

图5 系统分类选项图

图6 人员信息管理图

图7 地块信息管理图

灌区模块主要分为3个部分：灌区信息、灌水量以及设备控制(分别如图8、9、10所示)，由于缺水导致了植物的各种生理功能不正常的干扰称为水胁迫。杨艳芬等[8]、 杜太生等[9]对不同作物在生长过程中土壤含水率变化做了相关研究，通过大量的数据研究总结，他们发现农作物需求水的变化规律取决于土壤的含水率。当土壤中的含水率不低于农作物所需水的值的时候，农作物方可健康生长。所以掌握土壤的含水率以及农作物需水阈值尤为重要。

图8 灌区信息图

图9 灌水量图

图10 设备控制图

第三模块为历史数据的列表展示和图表展示情况，该试验数据采用宁夏大学A区科技楼高温干旱节水实验室内采集，如图11、12所示。

图11 数据列表图

图12 数据曲线图

最后是视频监控，可以清晰地看到土壤湿润的情况，也方便故障检查，如图13所示。

图13 视频监控

农田通常采取的是定期或者定额灌溉的方式， 在土壤水分缺失的情况下进行灌溉，土壤含水率随时间的变化而不断升高，灌溉达到的时间内，农田土壤处于一个湿润的状态， 土壤含水率会达到一个临界值，也就是最大田间持水率。用Excel软件将历史数据的土壤含水率拟合一条曲线，如图14所示。

图14 土壤含水率曲线

软件系统平台为了保证数据传输的安全性，通过层层网关达到安全性，保证前台显示和后台处理的同步有效进行，并提供系统的用户管理、权限接口，可由后台数据人员进行调用，提供后台的修改数据和数据同步功能，本系统提供UWP基于sdk的借口调用方式，后台工作人员可以通过Blend for Visual Studio 2015等更好高版本进行调试软件前台显示功能。系统结构如图15所示。

图15 系统结构

图16 后台C#代码

代码的基础语音使用C#语言，Windows10环境下Visual Studio 2015的Universal框架，部分代码截图如16图所示，在一定程度上能够把数据自动的推送到mysql服务器上，并且是结合数据库存储过程以及触发器的方式来实现，这就是数据库开发的目的。编写Stored Procedure “SP_SEND_REQUEST”，实践通过“HTTP”协议将采集到的数据通过无线传输，传输到服务器端，当有新的数据库插入数据库中，触发相应的事件，所以在数据库mysql表中创建事件触发器“TRIGGER_ INSERT”，并调用存储过程“SP_SEND_REQUEST”。

图17 mysql表图

3 结 论

(1)本系统已经完成了基于UWP技术跨不同平台，比如移动设备、电脑等的正常使用土壤湿度温度以及氮磷钾含量的监测功能，达到了最新的微软系统并已接轨，并且实现了无线传输功能，上下线通过采用以DTD433M无线数据终端直接替代RS232RS485等传统有线方案, 并建立相应的数据库模型，通过采集并分析作物种植区域土壤水势与农田肥力相结合, 实现自动实时与适量灌溉和施肥。 通过初步试验表明, 该系统通信可靠、控制准确性高、运行状况良好。

(2)该系统的灌溉控制中, 可以根据土壤温度湿度的曲线情况，反演出作物的需水量, 并做出相应的灌溉控制, 在某种程度上，可以促进农作物生长，并且节水节能，提高农作物产量。

(3)采用智能节水灌溉系统，在一定范围内给农作物提供优质的生长环境，大大提高了农作物的产量[10,11]。实验数据以及结果表明，本次设计的智能节水灌溉系统稳定可靠的，并可推动农业信息化的发展，保证土壤中的含水率高于农作物所需水的值。

(4)通过本系统研究、设计和开发，基于UWP技术的智能节水灌溉系统可以达到同步采集数据，同步显示数据和同步操作等实时的性能，该方法主要依据无线网络传输的速度，基于UWP的智能节水灌溉系统的设计方案可以同时运用到相关的行业中，比如农业物联网的监测和农业大田水肥控制系统的开发，针对不同的系统，可以进行相应的二次开发。

[1] 王 瑗,盛连喜,李 科,等. 中国水资源现状分析与可持续发展对策研究[J]. 水资源与水工程学报,2008,(3):10-14.

[2] 高晓红,李东升,赵 军,等. 基于植物器官尺寸检测的新型智能节水灌溉系统[J]. 林业机械与木工设备,2004,(11):17-20.

[3] Carmen A,Rischpater R. Microsoft Mapping: Geospatial Development in Windows 10 with Bing Maps and C#[M]. Berkeley CA: Bing Maps for Windows Universal Applications, 2015:133-145.

[4] Microsoft. What's a Universal Windows app? [Z]. MSDN,2015-10-09.

[5] Domingo, Michael. Inside the Universal Windows Platform Bridges[M]. Visual Studio Magazine, 2015.

[6] Microsoft. Guide to Universal Windows Platform (UWP) apps[M]. Windows Developers Center,2015.

[7] 孙文志．PLC在大棚自动生产控制系统中的应用与实践[J]．安徽农业科学， 2011，39(1)：471-472.

[8] 杨艳芬，王全九，白云岗， 等． 极端干旱地区滴灌条件下葡萄生长发育特征[J]． 农业工程学报， 2009， 25(12):45-50．

[9] 杜太生，康绍忠，夏桂敏， 等． 滴灌条件下不同根区交替湿润对葡萄生长和水分利用的影响[J]． 农业工程报，2005，21(11):43-48．

[10] Sam Moore Young， Han J， Ahmad Khalilian， et al． In-strumentation for variable-rate later al irrigation system[C] ∥2005 ASAE Annual International Meeting， 2005:17-20.

[11] Werner-Allen G，Johnson J，Ruiz M，et al． Monitoring volcanic eruptions with a wireless sensor network[C] ∥Proceedings of the Second European Workshop on Wireless Sensor Networks，2005，1:108-120．