基于GPRS通信的自动化节水灌溉系统研发

何 巍，袁 亮，崔春亮

(乌鲁木齐天工兴水环保科技有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

基于GPRS通信的自动化节水灌溉系统研发

何 巍，袁 亮，崔春亮

(乌鲁木齐天工兴水环保科技有限公司，新疆 乌鲁木齐830000)

为节约农田灌溉用水,提高水资源利用效率，利用JAVA技术、嵌入式技术和自动化技术等先进科学技术,建成一套集数据采集、远程控制、信息共享、运行管理、远程通信于一体的自动化节水灌溉系统。初步试验表明,该系统稳定可靠,能准确采集田间管路的流量压力信息,进行节水灌溉控制,为农田灌溉提供了一套全新、精准、适时的灌溉设备。

节水灌溉;自动化;监控系统

0 引言

我国节灌水的利用率不足,灌溉管理自动化是发展高效农业的重要手段。我国目前主要的局限是节水灌溉工程措施的推广以及应用，灌溉系统自动化水平制约着我国农业的发展[1]。利用当今的 3G 网络组网技术，结合GSM 网络实现远程监控的技术现在已经非常成熟，利用手机应用来实现报警推送、超远程遥控节水灌溉设备并上传传输数据就成为了可能[2]。灌溉自动控制模式与人工控制方式相比，具有节省水、肥、能耗、杀虫剂、人工开支等优点，并可基本消除在灌溉过程中人为因素造成的不利影响，提高操作的准确性，有利于灌溉过程的科学管理和先进灌溉技术的推广[3]。

本文主要介绍了一套整合智能手机应用、田间硬件设备以及上位机软件服务器的自动化节水灌溉系统。

1 系统架构

自动化节水灌溉系统主要由田间硬件系统和软件服务器两部分组成,其中田间系统通过基站通信与软件服务器进行通信完成数据交换，用户可以通过手持终端(如智能手机)或使用PC实现对系统的交互操作，系统的组成如图1所示。

图1 系统组成

1.1田间硬件系统

田间硬件系统主要由首部通信服务器和RTU电磁头控制器两部分组成，如图2所示。

图2 田间系统组成

首部通信服务器由数据传输单元(DTU)和通信中继两大核心部件组成，为便于开发调试，DTU选用产品设备，通信中继自行开发完成。通信中继与RTU通过433 MHz自组网,通信中继与DTU通过串口RS485/232通信,首部通信服务器的能源供给采用太阳能与蓄电池双电源的方式。

RTU电磁头控制器控制两路电磁头阀控开关和两路流量压力传感器，为保证开发效率以及系统的稳定性，采用自保持式直流电磁阀，其具有功耗低、集成反馈与集成流压传感器的优点，RTU的能量供给同样采用太阳能与蓄电池双电源的方式。

1.2软件服务器

软件服务器用于为用户提供可视化服务，统计田间硬件系统上传的管路流量、压力数据、反馈电磁头的状态，软件服务器要求高可用，其主要由数据库服务器、通信服务器、应用服务器组成,如图3所示。

图3 软件服务器组成

数据库服务器采用MYSQL数据库作为服务的主体，主要用作收集数据，持久化系统运行产生的数据。

通信服务器主要负责与田间硬件设备的信息交换。

应用服务器采用Apache旗下的Tomcat，负责提供面向用户的服务，并提供可视化的方式使用户能够轻松地使用系统。

2 硬件选型

田间硬件设备的选型需要考虑系统的稳定性、通信的可靠性、数据转发的准确性，综合考虑田间的数据中继选用成熟的STM32F103ZET6芯片作为硬件系统的主控单元，RTU的主控单元则选取供能相对通信中继较低的STM8。系统的工作流程如图4所示。

图4 系统的工作流程

3 软件设计

软件运行在软件服务器上，作为为用户提供服务的主要接口，软件的设计应当满足安全性、易用性、稳定性这3个基本条件，针对这些要求，对服务软件的设计应当采用分层设计，软件系统间的各模块应当满足低耦合、高内聚的要求。为提升开发效率，节约开发成本，软件编程语言选用JAVA，开发工具集成环境(IDE)选为Eclipse，系统的数据库选为MySQL，系统的运行环境为CentOS Linux。

软件系统的层次为安全层、数据链路层、数据持久层、核心逻辑层、表现层。

安全层采用Apache旗下的Shiro框架，为系统的数据安全作出屏障。

数据链路层采用Apache旗下的Mina高性能网络开发框架，其采用非阻塞I/O模型，能够提升软件服务器与田间硬件设备之间的通信能力，是系统的通信服务器核心模块。

数据持久层底层使用MySQL数据库，并通过JAVA数据库连接驱动(JDBC)，使用JAVA操作数据库，为提高开发效率，采用进一步封装JDBC的Hibernate框架，完成数据持久层的开发。

核心逻辑层是软件系统的核心，系统各组件之间的解耦以及整合全部需要依靠核心逻辑层完成，为此采用Spring框架作为核心逻辑层。Spring框架能够完美地整合Shiro框架、Hibernate框架和Mina框架，并提供统一接口为系统各组件提供调用服务。

表现层的部分采用Spring旗下的轻量级组件SpringMVC框架完成，表现层的主要作用是为用户提供直接的图形界面，使用户能够与系统进行交互。表现层的数据报表采用Bootstrap框架和EasyUI框架完成，其图表等数据可视化采用HighChartJS完成。

软件系统的功能结构图如图5所示。

图5 功能结构图

4 系统运行测试

在硬件系统搭建完成后应当对硬件系统进行系统级别的测试，即在设定完成后系统应当能够向软件服务器发送数据，软件服务器应当能够接收数据。为方便测试，可以在软件服务器端编写用于测试的模块，这里笔者采用JUNIT测试单元完成，硬件的测试结果如图6所示。

图6 硬件测试图

通过分析测试结果可以发现，系统在实验室室内的通信比较灵敏，在自组网完成、DTU与系统建立连接后，数据能够较快地上传至服务器。

5 结束语

通过自动化技术以及软件编程等先进科学手段，建立了自动化节水灌溉系统，并通过测试可以得出，本系统能够稳定运行，能够采集田间数据，完成统计并进行灌溉控制。

[1] 李秀春，刘洪禄.节水灌溉自动化测控系统研究[J].节水灌溉，2002(2):27-29.

[2] 张秋汝，杨双，徐潇禹.基于3G和GSM技术高度自动化节水灌溉系统的研究[J].科技信息，2012(5):100-101.

[3] 杨海，陈江波.节水灌溉综合自动化监控系统的设计与实现[J].中国水利，2017(6): 53-56.

Research and development of automatic water-saving irrigation system based on GPRS communication

He Wei，Yuan Liang，Cui Chunliang

(Urumqi Tangent Environmental Sic-Tech Co.，Ltd，Urumqi 830000，China)

In order to save irrigated water and increase water use efficiency，advanced technologies such as computer-based technology，communication and automation have been adopted, and a comprehensive automatic monitoring system of water-saving irrigation that integrates information collection，data measurement，remote control，data sharing，operation and management and remote communication was created.The experiment of integrating software management with automatic monitoring demonstrates that the system is reliable and can collection accurate data of soil moisture and conduct water-saving irrigation control.A complete new, accurate and timely irrigation system has been developed for agriculture irrigation.

water-saving irrigation; automation; monitoring system

TP311

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.026

何巍，袁亮，崔春亮.基于GPRS通信的自动化节水灌溉系统研发J.微型机与应用，2017,36(21)：90-91,99.

2017-06-04)

何巍(1994-),男,硕士研究生,主要研究方向: 机械故障诊断。

袁亮(1972-),男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向:机器人控制、计算机视觉与图像处理。