茶園遠程監控智能終端系統研究

毛林，成維莉，夏偉偉，楊明全

(江蘇農牧科技職業學院，江蘇 泰州 225300)

農業物聯網綜合運用微電子、嵌入式、無線通信、RFID等技術，通過無線傳感等設備，按約定通信協議將物與物相連接進行信息互聯互通、交換和共享，使茶葉生產管理從傳統方式快速向現代管理方式轉變。茶葉環境監控系統是基于物聯網的自動化管理系統，在智慧農業發展中充當重要角色，對茶葉生產環境進行精準識別、定位、感知、監控，提升茶葉生產管理信息化、自動化、智能化水平，實現管理效能和經濟效益最大化目標。

茶園環境遠程監控物聯網系統能夠支持以網站、瀏覽器、視頻等客戶端訪問方式提供遠程監測與控制管理。隨著3G/4G通信技術與裝備的快速發展與應用，運用移動互聯技術構建面向智能終端應用的遠程監控系統，可隨時隨地為用戶提供方便快捷的服務。本文結合江蘇農牧科技職業學院茶園基地物聯網平臺-JTP平臺，進行移動終端業務流程分析及功能設計，重點研究服務數據交換、數據轉換、客戶端通信、數據解析等關鍵技術及實現方法，提出基于Android的茶園環境遠程監控智能終端解決方案，對提升茶園自動化、智能化管理效能和服務質量，具有重要現實意義。

1 JTP平臺及工作原理

JTP平臺分本地系統(下位機)、遠程系統(上位機)與中間網絡，由底層硬件系統、無線傳感網絡(WSN)、網關和遠程服務器、客戶機、監控屏幕構成。底層(感知層)無線傳感網絡是平臺環境數據的主要來源，采用層次分簇異構增強型結構[1]，縱向及橫向上具有良好伸縮性、可擴展性，適應感知對象、監測范圍、覆蓋密度、感知數據、通信距離等變化要求，滿足大規模復雜形態的服務質量需求[2]。平臺包括數據采集、遠程監測、歷史數據查看、遠程控制、視頻監控、緊急報警等功能模塊，采用基于J2EE的SSI框架部署、整合應用程序，實現總體整體業務聯動。

JTP平臺業務流程包括數據采集與處理、遠程傳輸、統計分析、實時瀏覽、報警、視頻監控。通過平臺業務流程，對現場實時環境數據進行采集、轉換、壓縮、融合處理和遠程傳輸，提供數據持久化存儲、統計分析處理。用戶可隨時隨地登錄平臺進行環境監控，瀏覽現場溫度、濕度、光照、土壤成分等環境因子變化，查看歷史數據、監測報警、瀏覽監控視頻，實現遠程控制。

2 系統設計

2.1 系統架構

智能終端系統采用基于C/S的三層結構，即Android客戶端、4G移動通信網絡、服務端。客戶端系統部署在智能終端設備(如Android手機、Ipad等)，提供無線通信接口、數據解析等中間層業務組件，為用戶查詢、控制等應用服務所調用。底層Android操作系統、硬件、移動網絡、軟件工具作為應用服務的支撐平臺。移動終端存儲空間和計算資源有限，本地數據存儲、處理要求不高時，可滿足輕量級應用需求，保證客戶端系統基本性能要求[3]。

服務端構建于JTP平臺服務器，平臺服務器搭建云計算平臺，包括IaaS、PaaS、SaaS三層，提供多操作系統、虛擬化硬軟件資源，統一調度管理資源使用，承擔海量數據存儲、計算、復雜業務處理，快速提供用戶所需服務[4]。在JTP平臺開發服務端數據交換接口、數據轉換處理等業務組件，滿足客戶端數據訪問需求。

2.2 業務流程

平臺服務器為智能終端客戶端提供遠程訪問、查詢環境數據。客戶端登錄后進入軟件操作界面，發送監測、查詢、控制遠程訪問請求時，經ISP移動通信網絡提交至服務器，首先訪問服務端接口，測試與平臺服務端建立連接。連接成功后，服務端與客戶端建立會話，服務端生成客戶端唯一的會話標識SessionID，保存客戶端標識，在會話期間識別客戶端。服務端交換接口接受訪問請求信息，調用相關業務組件查詢數據庫，獲取所需信息內容，轉換為預定交換格式數據后返回給服務端接口，連同客戶端標識一并發送至客戶端。客戶端驗證來自服務端傳輸數據后，接收數據并解析數據，通過操作系統將最終結果展示到客戶端用戶頁面[3]。

2.3 開發工具

Android為Google發布的主流開源智能終端操作系統，是基于Linux的開放式嵌入式系統，具有版本更新快、功能強大、開發效率高等特點。Android智能終端(手機、iPad、PDA)用戶使用廣，占據目前國內市場80%以上份額。Android包括Activity(活動)、Service(服務)、Broadcast Receiver(組播接收器)、Content Provider(內容提供商)四大組件，內置控件箱擁有豐富、美觀的UI控件，支持輕量級數據庫SQLite數據存取，提供網絡接口通信、多媒體、GPS功能和通用工具類等服務[5]。

本設計選用Google開源IDE工具Android Studio開發客戶端系統。Android Studio集成了Android所有開發工具包SDK(包括ADT、第三方開源庫等)，開發環境更易于搭建、配置簡單，功能、效率和便捷性高[5]。服務端基于J2EE架構的MVC設計模式[4]，部署SSI輕量級開源框架[6]，保存與JTP平臺相一致。Struts框架使Web服務交換層與控制層相互分離，iBatis充當DAO層數據庫訪問組件，Spring框架組裝和管理全局應用程序，實現數據交換接口與數據庫的交互。SSI自適應、可擴展的半成品框架特性，使服務端應用開發與維護更加快捷、便利與高效。

3 系統實現

3.1 服務端實現

服務端部署于JTP平臺服務器，在服務端應用程序工作區src的com.jsmy.jtp.mobile包下分層，包括webservice層(Web服務交換)、action層(控制)、biz層(業務)、dao層(數據訪問)、po層(持久化)，各層僅含一個組件，組件內定義和實現業務方法，避免組件過多引起服務端資源開銷過大，利用SSI框架簡化應用程序組裝，以即插即用方式管理全局應用程序，降低軟件模塊耦合度，減少系統開銷、提高運行效率。

3.1.1 數據交換

Web服務接口實現服務端、客戶端之間的交互和數據交換。Web服務運用SOAP、WSDD、UDDI在服務端應用程序上對外共享開放式網絡服務，提供客戶端遠程訪問服務端功能，運用消息或請求服務發現處理機制，接收網絡請求、做出響應[3]。互聯網應用中，HTTP協議是網絡通信的普適標準[7]，提供webservice層數據交換接口規則描述，被網絡信息系統廣泛采用，用以Internet網絡資源定位與交換服務。

基于Webservice及HTTP規則開發服務交換接口，開發過程為：設置Web服務交換地址，JTP平臺服務端應用程序主要包括用戶登錄、實時監測、遠程控制、緊急報警、歷史查詢、基礎設置等六大服務接口，接口形式為http：//localhost：8080/jmob/jmob_XXX.action，分別與客戶端通信接口地址URL對應；設置接口交換規則。依據HTTP協議定義交換接口數據交換規則，包括請求參數、HTTP請求方法、消息類型及處理方式、返回值等，接口規則除請求參數種類與個數、功能不同外，其他規則類同；配置和發布Web服務，在JTP平臺項目WebRoot/WEB-INF目錄deploy.wsdd文件中配置，指示對外共享的Web服務類MobService；配置完成后，使用Apache axis2發布工具AdminClient發布Web服務，在服務端IE瀏覽器地址欄中輸入http：//localhost：8080/AxisWebService/servlet/Axis Servlet測試，顯示發布成功信息。

交換接口通過業務組件與底層數據庫交互，服務端數據交換過程是：Spring容器監聽來自客戶端通信請求，獲取請求訪問的服務端接口，傳遞給交換層組件MobileWebService；struts.xml中配置MobileWebService調用action層組件mobileAction業務方法，如login(登錄)、monitor(監測)、statistics(歷史查詢)、control(控制)等，將請求參數打包成持久化對象PO或HashMap對象；Spring框架定義action層、biz層、dao層組件調用，通過applicationContext.xml配置依賴注入(DI)和反轉控制(IoC)實現；在ibatis框架配置文件mobileDao.ibatis.xml中注冊sqlMap標簽訪問數據庫，執行指定SQL查詢操作。

3.1.2 數據轉換

數據交換接口接受客戶端HTTP請求做出響應，調用各層業務組件查詢數據庫，讀取到的數據包括HashMap、持久化對象Vo、ArrayList三種類型數據，進行JSON數據轉換處理后，通過網絡發送到客戶端。JSON為輕量級交換格式數據，有效壓縮了數據容量，網絡寬帶占用小、傳輸效率高，可快速送達客戶端。與XML、PULL、SAX相比[8]，JSON數據降低或消除了Android解析復雜性，客戶端讀取、解析簡單方便。

設計中利用action層mobileAction組件完成數據格式轉換。服務端數據轉換過程為：(1)在mobileAction中定義轉換方法parseDataToJson(data)，data為來自數據庫返回的數據，data包括HashMap、持久化對象Vo、ArrayList三種類型。(2)parseDataToJson中依據data類型，將data轉換成JSON格式數據，JSON數據通過JSONObject或JSONArray實例對象來存儲。(3)當data為HashMap或Vo時，以JSONObject保存JSON。HashMap使用get(key)取得鍵值對key-value，Vo使用getXXX屬性方法獲得鍵值對。通過JSONObject實例的put(key，value)保存鍵值對到JSONObject中。(4)data為ArrayList時，利用get方法依次取出Vo，將Vo中的鍵值對保存到JSONObject，再使用put將JSONObject保存到JSONArray。

3.2 客戶端實現

客戶端系統包含用戶登錄、環境監測、控制、歷史查詢、報警等功能模塊。Android中，視圖與業務是相互分離的。客戶端視圖UI包括登錄等用戶操作界面，界面中安置Button按鈕、ListView列表、Spinner下拉框、DatePicker時間、ImageView圖片等控件，添加HelloCharts 圖表繪制工具，界面布局、控件樣式通過LinearLayout、RelativeLayout等布局方式設置，在res/layout工程目錄xml文件中進行定義和編輯。Activity充當事件處理器，綁定視圖界面，接收事件對象或消息，進行業務處理，將處理結果展示到視圖界面。Activity通過AndroidManifest.xml注冊生效。Activity事件處理程序是，用戶進入界面時，首先由onCreate保存當前Activity狀態，setContentView鎖定視圖界面UI；當用戶操作時，監聽器onClickListener監聽事件對象，觸發onClick事件對用戶操作執行一次業務處理。Activity可通過Intent對象轉向另一個Activity，實現客戶端不同界面切換，響應速度快。客戶端功能實現中，接口通信、數據解析是Activity事件業務處理的關鍵。

3.2.1 接口通信

通信接口實現與遠程服務器交互，測試服務端連接、發送遠程請求與服務端建立會話、接收返回結果。本設計采用自定義外部公共類ClientUtility，類中定義重載方法getJSONByInterface來創建客戶端通信接口。通信接口實現過程為，在getJSONByInterface中為HttpURLConnection實例對象設置請求訪問的服務端交換地址URL、提交方式(GET/POST)、時延(Timeout)、協議頭類型(Content-Type)、是否允許緩存(UseCaches)等特性，設置參數由外部Activity調用時傳入；通過JSONObject將請求參數包裝成支持網絡傳輸編碼格式HTTP.UTF-8的鍵值對，存入JSONArray；JSONArray轉換成String字符串，再經getBytes轉換后寫入BufferedOutputStream(緩沖字節輸出流)，追加到URL，以POST方式提交，測試連接服務端；通過getResponseCode獲取服務端響應碼，判斷連接狀態，響應碼為200時表示已建立連接；連接成功后，獲取服務端響應數據，包裝成BufferedReader(緩沖字符流)，讀取BufferedReader保存為字符串responseData，再使用decodeUnicode解碼成UTF-8編碼格式的JSON數據。初次連接時通過HttpURLConnection的getHeaderFields獲取服務端分配的客戶端標識SessionId，存入客戶端Cookie中。

客戶端系統涉及登錄、實時監測、歷史查詢、遠程控制等操作，每項操作需執行接口通信、數據處理。用戶操作時，綁定視圖界面UI的Activity作為主線程，Activity內部onCreate、onClick開啟子線程來調用通信接口，通信結束后，關閉子線程、返回主線程，確保主線程暢通，增強用戶體驗。客戶端通信過程為：(1)初次登錄訪問時，Activity開啟子線程調用接口方法getJSONByInterface，傳遞登錄接口地址及帳號、密碼，提交至服務端；(2)與服務端連接成功后，服務端返回響應數據，讀取狀態碼驗證通過后，保存客戶端標識編號，返回主線程；(3)用戶點擊進入其他界面進行監測、查詢、控制等操作時，開啟子線程再次調用getJSONByInterface，傳入對應服務接口地址URL、客戶端SessionId等相關參數后提交服務端，服務端返回響應結果，讀取狀態碼有效且返回值不為空時，提取響應結果，經UTF-8解碼存儲JSON數據，進行后續解析處理。

3.2.2 數據解析

從服務端響應數據中提取JSON數據，數據解析是將JSON數據轉換為加載到可視化操作界面的顯示數據，包括數字、文本、符號、圖表等。JSON數據分鍵/值對集合對象、鍵/值對有序列表兩種類型。對于前者，解析時通過JSONObject獲取所有鍵/值對，封裝成持久化對象VO；對于后者，同時利用JSONArray和JSONObject將JSON數據轉換為持久化對象VO的列表ArrayList。本設計使用Google提供的GSON方法解析JSON數據[9]，使復雜類型數據解析和處理更為簡單。解析過程是，在ClientUtility類中自定義解析方法getDataFromJSON，通信接口子線程結束后，Activity主線程啟動子線程調用該方法，并傳遞JSON數據jsonResponse；分析JSON類型，通過Gson實例方法fromJson直接轉換，將JSONObject轉換為VO對象，JSONArray轉換為ArrayList；利用get等方法進行簡單處理，獲得各類數據綁定到視圖控件、圖表繪制工具上，呈現結果界面。

4 小結

以JTP平臺實際數據為樣本測試智能終端系統，用戶登錄后進入功能主界面。通過實時監測模塊可查看茶園環境實時監測數據，展示動態數值變化曲線，通過手動方式滾動查看；遠程控制模塊可根據當前環境狀態開啟/關閉執行機，調節溫濕度、光照度、土壤成分等數值至合理區間。通過歷史查詢模塊顯示某段時間內環境監測最高值、最低值、平均值信息，實現茶園監控地點異常情況的實時報警；基礎設置模塊可設置各項環境參數閾值。通過測試，能夠達到智能手機遠程監控管理的目標。

本研究將移動互聯與農業物聯網應用相融合，以智能手機快捷、便利方式，對茶園環境情況進行實時監控、報警和遠程控制，查詢歷史數據，實現茶葉生產環境自動化管理，提高了智能化、自動化管理服務效能。