基于GPRS通信的自動化節水灌溉系統研發

何 巍，袁 亮，崔春亮

(烏魯木齊天工興水環保科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

基于GPRS通信的自動化節水灌溉系統研發

何 巍，袁 亮，崔春亮

(烏魯木齊天工興水環保科技有限公司，新疆 烏魯木齊830000)

為節約農田灌溉用水,提高水資源利用效率，利用JAVA技術、嵌入式技術和自動化技術等先進科學技術,建成一套集數據采集、遠程控制、信息共享、運行管理、遠程通信于一體的自動化節水灌溉系統。初步試驗表明,該系統穩定可靠,能準確采集田間管路的流量壓力信息,進行節水灌溉控制,為農田灌溉提供了一套全新、精準、適時的灌溉設備。

節水灌溉;自動化;監控系統

0 引言

我國節灌水的利用率不足,灌溉管理自動化是發展高效農業的重要手段。我國目前主要的局限是節水灌溉工程措施的推廣以及應用，灌溉系統自動化水平制約著我國農業的發展[1]。利用當今的 3G 網絡組網技術，結合GSM 網絡實現遠程監控的技術現在已經非常成熟，利用手機應用來實現報警推送、超遠程遙控節水灌溉設備并上傳傳輸數據就成為了可能[2]。灌溉自動控制模式與人工控制方式相比，具有節省水、肥、能耗、殺蟲劑、人工開支等優點，并可基本消除在灌溉過程中人為因素造成的不利影響，提高操作的準確性，有利于灌溉過程的科學管理和先進灌溉技術的推廣[3]。

本文主要介紹了一套整合智能手機應用、田間硬件設備以及上位機軟件服務器的自動化節水灌溉系統。

1 系統架構

自動化節水灌溉系統主要由田間硬件系統和軟件服務器兩部分組成,其中田間系統通過基站通信與軟件服務器進行通信完成數據交換，用戶可以通過手持終端(如智能手機)或使用PC實現對系統的交互操作，系統的組成如圖1所示。

圖1 系統組成

1.1田間硬件系統

田間硬件系統主要由首部通信服務器和RTU電磁頭控制器兩部分組成，如圖2所示。

圖2 田間系統組成

首部通信服務器由數據傳輸單元(DTU)和通信中繼兩大核心部件組成，為便于開發調試，DTU選用產品設備，通信中繼自行開發完成。通信中繼與RTU通過433 MHz自組網,通信中繼與DTU通過串口RS485/232通信,首部通信服務器的能源供給采用太陽能與蓄電池雙電源的方式。

RTU電磁頭控制器控制兩路電磁頭閥控開關和兩路流量壓力傳感器，為保證開發效率以及系統的穩定性，采用自保持式直流電磁閥，其具有功耗低、集成反饋與集成流壓傳感器的優點，RTU的能量供給同樣采用太陽能與蓄電池雙電源的方式。

1.2軟件服務器

軟件服務器用于為用戶提供可視化服務，統計田間硬件系統上傳的管路流量、壓力數據、反饋電磁頭的狀態，軟件服務器要求高可用，其主要由數據庫服務器、通信服務器、應用服務器組成,如圖3所示。

圖3 軟件服務器組成

數據庫服務器采用MYSQL數據庫作為服務的主體，主要用作收集數據，持久化系統運行產生的數據。

通信服務器主要負責與田間硬件設備的信息交換。

應用服務器采用Apache旗下的Tomcat，負責提供面向用戶的服務，并提供可視化的方式使用戶能夠輕松地使用系統。

2 硬件選型

田間硬件設備的選型需要考慮系統的穩定性、通信的可靠性、數據轉發的準確性，綜合考慮田間的數據中繼選用成熟的STM32F103ZET6芯片作為硬件系統的主控單元，RTU的主控單元則選取供能相對通信中繼較低的STM8。系統的工作流程如圖4所示。

圖4 系統的工作流程

3 軟件設計

軟件運行在軟件服務器上，作為為用戶提供服務的主要接口，軟件的設計應當滿足安全性、易用性、穩定性這3個基本條件，針對這些要求，對服務軟件的設計應當采用分層設計，軟件系統間的各模塊應當滿足低耦合、高內聚的要求。為提升開發效率，節約開發成本，軟件編程語言選用JAVA，開發工具集成環境(IDE)選為Eclipse，系統的數據庫選為MySQL，系統的運行環境為CentOS Linux。

軟件系統的層次為安全層、數據鏈路層、數據持久層、核心邏輯層、表現層。

安全層采用Apache旗下的Shiro框架，為系統的數據安全作出屏障。

數據鏈路層采用Apache旗下的Mina高性能網絡開發框架，其采用非阻塞I/O模型，能夠提升軟件服務器與田間硬件設備之間的通信能力，是系統的通信服務器核心模塊。

數據持久層底層使用MySQL數據庫，并通過JAVA數據庫連接驅動(JDBC)，使用JAVA操作數據庫，為提高開發效率，采用進一步封裝JDBC的Hibernate框架，完成數據持久層的開發。

核心邏輯層是軟件系統的核心，系統各組件之間的解耦以及整合全部需要依靠核心邏輯層完成，為此采用Spring框架作為核心邏輯層。Spring框架能夠完美地整合Shiro框架、Hibernate框架和Mina框架，并提供統一接口為系統各組件提供調用服務。

表現層的部分采用Spring旗下的輕量級組件SpringMVC框架完成，表現層的主要作用是為用戶提供直接的圖形界面，使用戶能夠與系統進行交互。表現層的數據報表采用Bootstrap框架和EasyUI框架完成，其圖表等數據可視化采用HighChartJS完成。

軟件系統的功能結構圖如圖5所示。

圖5 功能結構圖

4 系統運行測試

在硬件系統搭建完成后應當對硬件系統進行系統級別的測試，即在設定完成后系統應當能夠向軟件服務器發送數據，軟件服務器應當能夠接收數據。為方便測試，可以在軟件服務器端編寫用于測試的模塊，這里筆者采用JUNIT測試單元完成，硬件的測試結果如圖6所示。

圖6 硬件測試圖

通過分析測試結果可以發現，系統在實驗室室內的通信比較靈敏，在自組網完成、DTU與系統建立連接后，數據能夠較快地上傳至服務器。

5 結束語

通過自動化技術以及軟件編程等先進科學手段，建立了自動化節水灌溉系統，并通過測試可以得出，本系統能夠穩定運行，能夠采集田間數據，完成統計并進行灌溉控制。

[1] 李秀春，劉洪祿.節水灌溉自動化測控系統研究[J].節水灌溉，2002(2):27-29.

[2] 張秋汝，楊雙，徐瀟禹.基于3G和GSM技術高度自動化節水灌溉系統的研究[J].科技信息，2012(5):100-101.

[3] 楊海，陳江波.節水灌溉綜合自動化監控系統的設計與實現[J].中國水利，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通信的自動化節水灌溉系統研發J.微型機與應用，2017,36(21)：90-91,99.

2017-06-04)

何巍(1994-),男,碩士研究生,主要研究方向: 機械故障診斷。

袁亮(1972-),男,博士,教授,博士生導師,主要研究方向:機器人控制、計算機視覺與圖像處理。