基于多線程的灌區灌溉自動化監控系統設計

佟 強

(沈陽市遼中區農業技術推廣與行政執法中心，遼寧 沈陽 110200)

目前，國內外對于灌溉監控系統，已經研究出基于太陽能的監控系統、無線遙控監控系統、總線控制監控系統等幾種[1]。錢彬等[2]將光電子信息處理技術與灌溉監控系統相結合，以光伏電池為能源，采用Huffman算法傳輸數據，設計系統執行、能源、數據采集、操作界面、控制中心等模塊，監控灌區灌溉。駱東松等[3]在監控系統中，設計了氣象、溫濕度、土壤等因素采集板塊，以及遠程控制操作界面，遠程監控灌區灌溉。李雪純等[4]設計了豐富的監控管理界面，加強了用戶身份審核功能，監控灌區灌溉，避免作物補水產生的水浪費。賴俊桂等[5]采用多傳感器網絡，調整了系統的控制單元，監控灌區灌溉。張鑫等[6]選擇STM32監控土壤情況，控制上位機灌溉。徐聰等[7]將PLC和總線網絡相結合，設計系統通信單元，增強數據采集和信息傳輸的聯系性。在上述研究的基礎上，此次研究引入多線程，增強系統通信能力，設計基于多線程的灌區灌溉自動化監控系統。

1 灌區灌溉自動化監控系統硬件結構設計

此次設計系統硬件結構，將在前人研究確定的硬件設備基礎上，考慮可拓展、安全經濟、可靠實用、先進等原則[8]。結合系統主要應用功能，將系統分為監控、通信、終端等部分，設計系統硬件結構，如圖1所示。

圖1 系統硬件結構

從圖1中可以看出，雨量—水位檢測儀、移動站點、水質檢測儀、攝像機等設備為監控系統的監控設備，觀察灌區水位情況，判斷是否需要灌溉，避免出現過量灌溉現象，當雨量-水位檢測儀、水質檢測儀、攝像機等設備檢測到的數據不清晰時，移動站點會重新檢測灌區水位情況，以保證數據的精確度。

視頻服務器與攝像機相結合，實現視頻數字化，從而在監控中心，實時監控灌區情況，也可以通過視頻服務器，判斷攝像機參數是否需要調整，保證監控視頻數據的清晰度。

監控中心為系統的核心，采用網絡連接控制中心的安全設備、交換機、存儲設備、太陽能電源、網絡路由、終端管控設備、服務器、監控播放器等，控制系統的運行。

系統采用無線傳輸的方式，采用網橋、天線、中繼器等設備連接系統的各個組成部分，并設置了避雷設備，保障系統在雷雨天氣正常運行。

此外，考慮系統監控灌區所處地理位置，選擇太陽能光伏組件，作為系統太陽能能源，驅動系統長時間地運行。

2 基于多線程的灌區灌溉自動化監控系統軟件設計

此次設計灌區灌溉自動化監控系統，將在此次設計的系統硬件結構基礎上，確定系統主要監控功能，規范系統運行流程，設計系統通信方式和系統功能模塊交互方式，使系統具有自動化監控灌區灌溉功能。

2.1 確定系統功能

此次設計灌區灌溉自動化監控系統，將在系統中設計系統控制、視頻壓縮編碼、視頻圖像顯示、存儲、網絡通信、警報控制、視頻采集、系統管理等七個模塊，作為系統運行主要功能模型。

系統的主要控制程序為系統控制模塊，管理系統所有功能模塊，可以調整系統所有參數，具有絕對的控制權。

視頻采集模塊采集到的灌區數據，要想上傳至控制中心，需要使用視頻壓縮編碼模塊壓縮數據，增加數據傳輸速度。傳輸數據時，需要先解碼，解碼后才能查看監控視頻，其編解碼過程如下：

(1)編碼：讀取視頻采集模塊源文件；在文件中輸入編碼屬性；針對文件進行編碼；整理文件碼流；釋放系統內存，完成文件編碼[9]。

(2)解碼：讀取編碼后的源文件；顯示每一碼每一幀的圖像；顯示解碼系列；對文件進行解碼，并顯示解碼結果[10]。

處理后的視頻，將在圖像顯示模塊展現，在新建的媒體播放對象中，形成數據流緩沖區，讀取視頻數據。此時，初始化顯示模塊，重新分配系統空間內存，顯示視頻數據。

在數據存儲模塊中，設計存儲內容覆蓋功能，讓系統根據磁盤空間內存情況，覆蓋最早時間的數據，完成新數據的存儲。

網絡通信模塊控制系統所有模塊的連接，包括報警通信、視頻傳輸、用戶登錄通信等。

警報控制模塊會根據時間具體情況，發出不同聲響的警報聲，迅速啟動程序，并將警報信號傳遞至控制中心。

系統管理模塊主要負責用戶登錄、權限控制、事件記錄、突發情況報警等系統基礎事件處理。

2.2 規范系統運行流程

從此次設計的系統硬件結構和系統功能可以看出，系統的控制中心為系統的主機，系統的各種遠程終端，為系統的從機，然而，從遠程終端看，系統需要根據終端采集到的灌區信息，做出相應的執行命令。此時，遠程終端為系統的主機，控制中心為系統的從機。此次設計的灌區灌溉自動化監控系統運行流程，如圖2所示。

圖2 系統運行流程

從圖2中可以看出，系統的運行流程可以歸屬于一個圓形結構，由控制中心操控遠程終端，采集灌區信息，傳遞給控制中心，控制中心根據信息具體情況，對灌區灌溉裝備進行操控。

2.3 基于多線程設計通信方式

基于此次設計的網絡傳輸方式，設計的通信協議，分為控制中心接收數據、遠程終端采集灌區數據開關量、遠程終端采集灌區數據三種通信協議，如圖3所示。

圖3中，S表示長度為6bit的同步字符；A表示在0～28之間的遠程終端地址碼；G表示10字符的遠程終端模擬量；C表示控制中心接收數據校驗冗余碼字節；數據開關量為8位，1字節；0～4位遠程終端開關；5～7位暫未使用，歸零；A2和M2暫未使用，歸零；M1表示命令控制開關[11-12]。

控制中心接收數據SAGC遠程終端采集灌區數據開關量01234567遠程終端采集灌區數據SA1A2M1M2C

基于圖3所示的通信協議，在C++環境下，編寫DT、GT和輔助三種通信協議線程，DT線程用于發送接收數據；GT線程用于傳遞監控中心命令；輔助線程用于監視系統串口通信狀態。

2.4 系統主要模塊交互方式

此次研究確定的系統主要模塊，集中在Web服務器中，其在服務器中的交互過程如圖4所示。

圖4 系統主要功能交互關系

從圖4中可以看出，灌區灌溉管理人員，通過監控中心的操作界面，根據系統監控設備，遠程操作灌區灌溉設備。此外，在操作的過程中，系統還具有歷史查詢功能，訪問系統歷史操作數據庫，查詢該灌區以往情況。查詢當前信息功能，可以立即反饋該時間段，系統監控設備采集到的灌區數據。監控中心按照此次研究設計的通信協議，控制著系統數據采集設備。

綜合上述所有章節內容，將系統的通信協議、運行流程和交互方式等按照圖1所示的系統硬件結構布置，系統即具有自動化監控灌區灌溉功能。至此，完成灌區灌溉自動化監控系統設計。

3 系統測試

選擇兩組傳統灌區灌溉監控系統，采用對比測試的方式，以某區域的灌區灌溉田為實驗對象，驗證此次設計的灌區灌溉自動化監控系統。比較三組監控系統通信穩定性。

3.1 試驗準備

為避免此次試驗選擇的三組系統軟硬件存在故障，影響系統測試結果，針對三組系統中的各種硬件電路，在PCB板上進行測試；針對系統軟件，搭建如圖5所示的系統軟件運行環境，檢測系統軟件。系統軟硬件測試過程如下：

圖5 系統軟件運行環境

(1)采用PCB電路板，查看系統電路是否存在線路故障、短路、焊接不嚴、斷路、負載、接觸不良等問題。(2)檢測三組系統硬件設備是否齊全，檢測設備是否處于正常工作狀態。(3)當系統硬件不存在問題時，在圖5所示的系統軟件運行環境中，嵌入操作系統和系統通信協議。(4)單獨測試系統中所有驅動程序，重點檢測灌區灌溉數據采集設備和通信模塊的驅動程序。(5)使用控制設備，分別控制系統程序，查看控制程序運行是否正常。(6)當確定系統的驅動程序和控制程序處于正常運行狀態時，將系統全部程序下載至系統相應的芯片中。(7)檢測系統中的各個灌區灌溉信息采集設備與系統控制中心是否處于正常通信狀態，查看系統控制中心是否可以顯示灌區灌溉數據。

基于此次試驗，設計的三組系統軟硬件檢測過程，確定此次測試的三組系統，不存在軟硬件故障問題，均處于正常運行狀態，可以進行系統測試。

此次系統采集灌區灌溉信息過程如下：依據此次試驗選擇的三組測試系統，在系統灌區灌溉數據采集程序中，設定為每隔一小時三十分鐘采集一次灌區灌溉數據。系統采集灌區灌溉數據時間持續十五分鐘。此次試驗設置的數據采集時間包括系統本身啟動的時間。每次采集完灌區灌溉數據后，系統會自動進入休眠期，降低系統能源損耗。此次試驗，采集數據時間為期1 d。

根據上述設置的灌區灌溉信息采集過程所采集到的信息，將水位、pH值、溫度等信息傳輸至系統控制中心，檢測系統在傳輸數據過程中，是否存在掉線問題，上傳至監控中心的數據是否存在丟失和重復問題。

3.2 試驗結果

3.2.1 第一組試驗結果

基于此次試驗設計的數據采集過程，將三組系統采集到的水位數據上傳，監控中心所收到的水位數據，如表1所示。

表1 灌區灌溉水位數據傳輸結果 cm

從表1中可以看出，傳統系統1傳輸灌區灌溉水位數據，控制中心接收到的數據存在重復問題；傳統系統2傳輸灌區灌溉水位數據，控制中心接收到的數據存在數據丟失問題；而設計系統傳輸灌區灌溉水位數據，控制中心接收到的數據在合理范圍內，數據完整，不存在重復丟失問題。可見，設計系統具有較優的通信穩定性。

3.2.2 第二組試驗結果

依據第一組試驗結果，監控中心所收到的灌區灌溉pH值數據，如表2所示。

表2 灌區灌溉pH值數據傳輸結果

從表2中可以看出，兩組傳統系統在通信的過程中出現掉線現象，導致控制中心接收到的數據丟失；而設計系統傳輸灌區灌溉水位數據，控制中心接收到的數據在合理范圍內，數據完整。可見，設計系統具有較優的通信穩定性。

3.2.3 第三組試驗結果

在前兩組試驗的基礎上，監控中心所收到的灌區灌溉溫度數據，如表3所示。

從表3中可以看出，兩組傳統系統在通信的過程中掉線，導致控制中心接收到的數據丟失，數據不符合變化規律，通信穩定性較差；而設計系統傳輸灌區灌溉水位數據，控制中心接收到的數據在合理范圍內，不存在重復丟失問題。可見，設計系統具有較優的通信穩定性。

表3 灌區灌溉溫度數據傳輸結果 ℃

4 結 論

在此次設計中，提出了基于多線程的灌區灌溉自動化監控系統，主要用于監控灌區灌溉情況，如灌區水位、降雨量、水質等灌區灌溉必須環境要素，從而讓系統用戶可以根據灌區情況，控制灌區灌溉設備，灌溉灌區農作物。因此，監控系統需要較優的通信功能，為此引入多線程技術，設計三種線程，保障系統通信穩定性。經試驗驗證，此次設計的監控系統，在通信的過程中，不會出現通信掉線，數據丟失、重復、不符合規律等問題，具有較優的通信穩定性。