茶园远程监控智能终端系统研究

毛林，成维莉，夏伟伟，杨明全

(江苏农牧科技职业学院，江苏 泰州 225300)

农业物联网综合运用微电子、嵌入式、无线通信、RFID等技术，通过无线传感等设备，按约定通信协议将物与物相连接进行信息互联互通、交换和共享，使茶叶生产管理从传统方式快速向现代管理方式转变。茶叶环境监控系统是基于物联网的自动化管理系统，在智慧农业发展中充当重要角色，对茶叶生产环境进行精准识别、定位、感知、监控，提升茶叶生产管理信息化、自动化、智能化水平，实现管理效能和经济效益最大化目标。

茶园环境远程监控物联网系统能够支持以网站、浏览器、视频等客户端访问方式提供远程监测与控制管理。随着3G/4G通信技术与装备的快速发展与应用，运用移动互联技术构建面向智能终端应用的远程监控系统，可随时随地为用户提供方便快捷的服务。本文结合江苏农牧科技职业学院茶园基地物联网平台-JTP平台，进行移动终端业务流程分析及功能设计，重点研究服务数据交换、数据转换、客户端通信、数据解析等关键技术及实现方法，提出基于Android的茶园环境远程监控智能终端解决方案，对提升茶园自动化、智能化管理效能和服务质量，具有重要现实意义。

1 JTP平台及工作原理

JTP平台分本地系统(下位机)、远程系统(上位机)与中间网络，由底层硬件系统、无线传感网络(WSN)、网关和远程服务器、客户机、监控屏幕构成。底层(感知层)无线传感网络是平台环境数据的主要来源，采用层次分簇异构增强型结构[1]，纵向及横向上具有良好伸缩性、可扩展性，适应感知对象、监测范围、覆盖密度、感知数据、通信距离等变化要求，满足大规模复杂形态的服务质量需求[2]。平台包括数据采集、远程监测、历史数据查看、远程控制、视频监控、紧急报警等功能模块，采用基于J2EE的SSI框架部署、整合应用程序，实现总体整体业务联动。

JTP平台业务流程包括数据采集与处理、远程传输、统计分析、实时浏览、报警、视频监控。通过平台业务流程，对现场实时环境数据进行采集、转换、压缩、融合处理和远程传输，提供数据持久化存储、统计分析处理。用户可随时随地登录平台进行环境监控，浏览现场温度、湿度、光照、土壤成分等环境因子变化，查看历史数据、监测报警、浏览监控视频，实现远程控制。

2 系统设计

2.1 系统架构

智能终端系统采用基于C/S的三层结构，即Android客户端、4G移动通信网络、服务端。客户端系统部署在智能终端设备(如Android手机、Ipad等)，提供无线通信接口、数据解析等中间层业务组件，为用户查询、控制等应用服务所调用。底层Android操作系统、硬件、移动网络、软件工具作为应用服务的支撑平台。移动终端存储空间和计算资源有限，本地数据存储、处理要求不高时，可满足轻量级应用需求，保证客户端系统基本性能要求[3]。

服务端构建于JTP平台服务器，平台服务器搭建云计算平台，包括IaaS、PaaS、SaaS三层，提供多操作系统、虚拟化硬软件资源，统一调度管理资源使用，承担海量数据存储、计算、复杂业务处理，快速提供用户所需服务[4]。在JTP平台开发服务端数据交换接口、数据转换处理等业务组件，满足客户端数据访问需求。

2.2 业务流程

平台服务器为智能终端客户端提供远程访问、查询环境数据。客户端登录后进入软件操作界面，发送监测、查询、控制远程访问请求时，经ISP移动通信网络提交至服务器，首先访问服务端接口，测试与平台服务端建立连接。连接成功后，服务端与客户端建立会话，服务端生成客户端唯一的会话标识SessionID，保存客户端标识，在会话期间识别客户端。服务端交换接口接受访问请求信息，调用相关业务组件查询数据库，获取所需信息内容，转换为预定交换格式数据后返回给服务端接口，连同客户端标识一并发送至客户端。客户端验证来自服务端传输数据后，接收数据并解析数据，通过操作系统将最终结果展示到客户端用户页面[3]。

2.3 开发工具

Android为Google发布的主流开源智能终端操作系统，是基于Linux的开放式嵌入式系统，具有版本更新快、功能强大、开发效率高等特点。Android智能终端(手机、iPad、PDA)用户使用广，占据目前国内市场80%以上份额。Android包括Activity(活动)、Service(服务)、Broadcast Receiver(组播接收器)、Content Provider(内容提供商)四大组件，内置控件箱拥有丰富、美观的UI控件，支持轻量级数据库SQLite数据存取，提供网络接口通信、多媒体、GPS功能和通用工具类等服务[5]。

本设计选用Google开源IDE工具Android Studio开发客户端系统。Android Studio集成了Android所有开发工具包SDK(包括ADT、第三方开源库等)，开发环境更易于搭建、配置简单，功能、效率和便捷性高[5]。服务端基于J2EE架构的MVC设计模式[4]，部署SSI轻量级开源框架[6]，保存与JTP平台相一致。Struts框架使Web服务交换层与控制层相互分离，iBatis充当DAO层数据库访问组件，Spring框架组装和管理全局应用程序，实现数据交换接口与数据库的交互。SSI自适应、可扩展的半成品框架特性，使服务端应用开发与维护更加快捷、便利与高效。

3 系统实现

3.1 服务端实现

服务端部署于JTP平台服务器，在服务端应用程序工作区src的com.jsmy.jtp.mobile包下分层，包括webservice层(Web服务交换)、action层(控制)、biz层(业务)、dao层(数据访问)、po层(持久化)，各层仅含一个组件，组件内定义和实现业务方法，避免组件过多引起服务端资源开销过大，利用SSI框架简化应用程序组装，以即插即用方式管理全局应用程序，降低软件模块耦合度，减少系统开销、提高运行效率。

3.1.1 数据交换

Web服务接口实现服务端、客户端之间的交互和数据交换。Web服务运用SOAP、WSDD、UDDI在服务端应用程序上对外共享开放式网络服务，提供客户端远程访问服务端功能，运用消息或请求服务发现处理机制，接收网络请求、做出响应[3]。互联网应用中，HTTP协议是网络通信的普适标准[7]，提供webservice层数据交换接口规则描述，被网络信息系统广泛采用，用以Internet网络资源定位与交换服务。

基于Webservice及HTTP规则开发服务交换接口，开发过程为：设置Web服务交换地址，JTP平台服务端应用程序主要包括用户登录、实时监测、远程控制、紧急报警、历史查询、基础设置等六大服务接口，接口形式为http：//localhost：8080/jmob/jmob_XXX.action，分别与客户端通信接口地址URL对应；设置接口交换规则。依据HTTP协议定义交换接口数据交换规则，包括请求参数、HTTP请求方法、消息类型及处理方式、返回值等，接口规则除请求参数种类与个数、功能不同外，其他规则类同；配置和发布Web服务，在JTP平台项目WebRoot/WEB-INF目录deploy.wsdd文件中配置，指示对外共享的Web服务类MobService；配置完成后，使用Apache axis2发布工具AdminClient发布Web服务，在服务端IE浏览器地址栏中输入http：//localhost：8080/AxisWebService/servlet/Axis Servlet测试，显示发布成功信息。

交换接口通过业务组件与底层数据库交互，服务端数据交换过程是：Spring容器监听来自客户端通信请求，获取请求访问的服务端接口，传递给交换层组件MobileWebService；struts.xml中配置MobileWebService调用action层组件mobileAction业务方法，如login(登录)、monitor(监测)、statistics(历史查询)、control(控制)等，将请求参数打包成持久化对象PO或HashMap对象；Spring框架定义action层、biz层、dao层组件调用，通过applicationContext.xml配置依赖注入(DI)和反转控制(IoC)实现；在ibatis框架配置文件mobileDao.ibatis.xml中注册sqlMap标签访问数据库，执行指定SQL查询操作。

3.1.2 数据转换

数据交换接口接受客户端HTTP请求做出响应，调用各层业务组件查询数据库，读取到的数据包括HashMap、持久化对象Vo、ArrayList三种类型数据，进行JSON数据转换处理后，通过网络发送到客户端。JSON为轻量级交换格式数据，有效压缩了数据容量，网络宽带占用小、传输效率高，可快速送达客户端。与XML、PULL、SAX相比[8]，JSON数据降低或消除了Android解析复杂性，客户端读取、解析简单方便。

设计中利用action层mobileAction组件完成数据格式转换。服务端数据转换过程为：(1)在mobileAction中定义转换方法parseDataToJson(data)，data为来自数据库返回的数据，data包括HashMap、持久化对象Vo、ArrayList三种类型。(2)parseDataToJson中依据data类型，将data转换成JSON格式数据，JSON数据通过JSONObject或JSONArray实例对象来存储。(3)当data为HashMap或Vo时，以JSONObject保存JSON。HashMap使用get(key)取得键值对key-value，Vo使用getXXX属性方法获得键值对。通过JSONObject实例的put(key，value)保存键值对到JSONObject中。(4)data为ArrayList时，利用get方法依次取出Vo，将Vo中的键值对保存到JSONObject，再使用put将JSONObject保存到JSONArray。

3.2 客户端实现

客户端系统包含用户登录、环境监测、控制、历史查询、报警等功能模块。Android中，视图与业务是相互分离的。客户端视图UI包括登录等用户操作界面，界面中安置Button按钮、ListView列表、Spinner下拉框、DatePicker时间、ImageView图片等控件，添加HelloCharts 图表绘制工具，界面布局、控件样式通过LinearLayout、RelativeLayout等布局方式设置，在res/layout工程目录xml文件中进行定义和编辑。Activity充当事件处理器，绑定视图界面，接收事件对象或消息，进行业务处理，将处理结果展示到视图界面。Activity通过AndroidManifest.xml注册生效。Activity事件处理程序是，用户进入界面时，首先由onCreate保存当前Activity状态，setContentView锁定视图界面UI；当用户操作时，监听器onClickListener监听事件对象，触发onClick事件对用户操作执行一次业务处理。Activity可通过Intent对象转向另一个Activity，实现客户端不同界面切换，响应速度快。客户端功能实现中，接口通信、数据解析是Activity事件业务处理的关键。

3.2.1 接口通信

通信接口实现与远程服务器交互，测试服务端连接、发送远程请求与服务端建立会话、接收返回结果。本设计采用自定义外部公共类ClientUtility，类中定义重载方法getJSONByInterface来创建客户端通信接口。通信接口实现过程为，在getJSONByInterface中为HttpURLConnection实例对象设置请求访问的服务端交换地址URL、提交方式(GET/POST)、时延(Timeout)、协议头类型(Content-Type)、是否允许缓存(UseCaches)等特性，设置参数由外部Activity调用时传入；通过JSONObject将请求参数包装成支持网络传输编码格式HTTP.UTF-8的键值对，存入JSONArray；JSONArray转换成String字符串，再经getBytes转换后写入BufferedOutputStream(缓冲字节输出流)，追加到URL，以POST方式提交，测试连接服务端；通过getResponseCode获取服务端响应码，判断连接状态，响应码为200时表示已建立连接；连接成功后，获取服务端响应数据，包装成BufferedReader(缓冲字符流)，读取BufferedReader保存为字符串responseData，再使用decodeUnicode解码成UTF-8编码格式的JSON数据。初次连接时通过HttpURLConnection的getHeaderFields获取服务端分配的客户端标识SessionId，存入客户端Cookie中。

客户端系统涉及登录、实时监测、历史查询、远程控制等操作，每项操作需执行接口通信、数据处理。用户操作时，绑定视图界面UI的Activity作为主线程，Activity内部onCreate、onClick开启子线程来调用通信接口，通信结束后，关闭子线程、返回主线程，确保主线程畅通，增强用户体验。客户端通信过程为：(1)初次登录访问时，Activity开启子线程调用接口方法getJSONByInterface，传递登录接口地址及帐号、密码，提交至服务端；(2)与服务端连接成功后，服务端返回响应数据，读取状态码验证通过后，保存客户端标识编号，返回主线程；(3)用户点击进入其他界面进行监测、查询、控制等操作时，开启子线程再次调用getJSONByInterface，传入对应服务接口地址URL、客户端SessionId等相关参数后提交服务端，服务端返回响应结果，读取状态码有效且返回值不为空时，提取响应结果，经UTF-8解码存储JSON数据，进行后续解析处理。

3.2.2 数据解析

从服务端响应数据中提取JSON数据，数据解析是将JSON数据转换为加载到可视化操作界面的显示数据，包括数字、文本、符号、图表等。JSON数据分键/值对集合对象、键/值对有序列表两种类型。对于前者，解析时通过JSONObject获取所有键/值对，封装成持久化对象VO；对于后者，同时利用JSONArray和JSONObject将JSON数据转换为持久化对象VO的列表ArrayList。本设计使用Google提供的GSON方法解析JSON数据[9]，使复杂类型数据解析和处理更为简单。解析过程是，在ClientUtility类中自定义解析方法getDataFromJSON，通信接口子线程结束后，Activity主线程启动子线程调用该方法，并传递JSON数据jsonResponse；分析JSON类型，通过Gson实例方法fromJson直接转换，将JSONObject转换为VO对象，JSONArray转换为ArrayList；利用get等方法进行简单处理，获得各类数据绑定到视图控件、图表绘制工具上，呈现结果界面。

4 小结

以JTP平台实际数据为样本测试智能终端系统，用户登录后进入功能主界面。通过实时监测模块可查看茶园环境实时监测数据，展示动态数值变化曲线，通过手动方式滚动查看；远程控制模块可根据当前环境状态开启/关闭执行机，调节温湿度、光照度、土壤成分等数值至合理区间。通过历史查询模块显示某段时间内环境监测最高值、最低值、平均值信息，实现茶园监控地点异常情况的实时报警；基础设置模块可设置各项环境参数阈值。通过测试，能够达到智能手机远程监控管理的目标。

本研究将移动互联与农业物联网应用相融合，以智能手机快捷、便利方式，对茶园环境情况进行实时监控、报警和远程控制，查询历史数据，实现茶叶生产环境自动化管理，提高了智能化、自动化管理服务效能。