上海農(nóng)場(chǎng)大田灌溉遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)展示與控制管理平臺(tái)的研發(fā)與探討

胡雯雯,王運(yùn)圣,徐識(shí)溥,劉 勇,吳穎靜

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息科技研究所,上海數(shù)字農(nóng)業(yè)工程與技術(shù)研究中心,上海 201403)

大田智能灌溉因結(jié)合地區(qū)水資源、氣候、地貌等因素,能夠有效開(kāi)展節(jié)水灌溉服務(wù),提高水資源利用率。 為此,多年來(lái)各國(guó)都在積極探索適宜各地的灌溉系統(tǒng),尤其是水資源匱乏國(guó)家,例如以色列采用智能滴灌技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)荒漠農(nóng)業(yè)[ 1-2];法國(guó)采用灌溉用水管理模式,以噴灌為主,逐步提高需水量管理水平[ 3];美國(guó)采用噴灌、微灌、低壓管道輸水灌溉等方式,節(jié)水的同時(shí)提高農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)[ 4-5]。 我國(guó)針對(duì)節(jié)水灌溉也進(jìn)行了相關(guān)探索,例如國(guó)亮等[ 6]分析了各國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn),結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況,提出了有針對(duì)性的措施和建議;趙文杰等[ 7]針對(duì)我國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)推廣,具體說(shuō)明灌溉技術(shù)推廣過(guò)程中的難點(diǎn)及對(duì)策研究。 由于我國(guó)在大面積節(jié)水應(yīng)用方面的案例較少,且東西部水資源分布不均,各地灌溉需求不同,若直接引進(jìn)國(guó)外灌溉系統(tǒng)會(huì)存在以下問(wèn)題:國(guó)外智能灌溉控制器較為成熟,價(jià)格昂貴,國(guó)內(nèi)無(wú)法大面積應(yīng)用;國(guó)外智能控制器不適用我國(guó)的自然、氣候、水資源等,無(wú)法普及;國(guó)外配套系統(tǒng)后期維護(hù)較難。 因此針對(duì)以上問(wèn)題,科技人員研發(fā)出一套適合上海農(nóng)場(chǎng)模式的智能灌溉系統(tǒng),并在2018 年應(yīng)用落地。

上海農(nóng)場(chǎng)耕地面積約為1.33 萬(wàn)hm2,其中智能灌溉應(yīng)用地區(qū)為川東七隊(duì)和慶豐七隊(duì),耕地面積達(dá)170 hm2,該地區(qū)為平原地帶,便于鋪設(shè)管道、傳感器、控制器等設(shè)備[ 8]。 該系統(tǒng)集成農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)電一體智能化控制,可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)施內(nèi)信息采集和環(huán)境控制、智能灌溉控制等功能。 經(jīng)應(yīng)用,每年直接節(jié)約人工費(fèi)約87%,節(jié)水減排在10%左右,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

上海農(nóng)場(chǎng)目前應(yīng)用的滬農(nóng)科灌溉嵌入式系統(tǒng),用戶只能現(xiàn)場(chǎng)操作,無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。 因此需在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一套基于html∕css、JavaScript 跨平臺(tái)客戶端展示與控制系統(tǒng),以可視化形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)指標(biāo)及智能化控制一體化平臺(tái),提供精準(zhǔn)遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能。 該系統(tǒng)提供的集成、可視化環(huán)境對(duì)于數(shù)據(jù)展示和后續(xù)數(shù)據(jù)分析有著重要作用。

1 構(gòu)思與設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

經(jīng)前期調(diào)研,系統(tǒng)平臺(tái)需實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的精準(zhǔn)控制、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警、氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、多平臺(tái)設(shè)備的交互控制等功能。 因此,將界面分為4 個(gè)模塊,分別為揚(yáng)水站控制模塊、農(nóng)渠控制模塊、氣象站監(jiān)測(cè)模塊、實(shí)時(shí)視頻模塊。 其中,揚(yáng)水站控制模塊內(nèi)容顯示當(dāng)前水泵電流、電壓、水位、功率數(shù)據(jù),以儀表盤(pán)顯示。 通過(guò)設(shè)置儀表盤(pán)安全區(qū)間,直觀反映當(dāng)前數(shù)據(jù)是否正常。 揚(yáng)水站控制模塊是用戶操作模塊,用戶可控制水泵開(kāi)啟、同步更新控制狀態(tài)。 氣象站監(jiān)測(cè)模塊顯示溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、光照等信息。

數(shù)據(jù)通信技術(shù)采用的是LORA 網(wǎng)關(guān),可通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)、WiFi 或有線以太網(wǎng)的方式,將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器端,平臺(tái)通過(guò)訪問(wèn)接口獲取并顯示。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

該平臺(tái)采用B∕S 架構(gòu),以數(shù)據(jù)展示和設(shè)備控制相結(jié)合(圖1)。 其中:數(shù)據(jù)展示的是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),包括當(dāng)前氣象數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);設(shè)備控制分為Web 平臺(tái)控制和多屏聯(lián)動(dòng)控制。 Web 平臺(tái)控制設(shè)備的方式采用Ajax 方式向云服務(wù)器發(fā)送設(shè)備狀態(tài)更改指令,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備同步操作[ 9];多屏聯(lián)動(dòng)控制指Pad 端平臺(tái)發(fā)出設(shè)備控制指令后,Web 平臺(tái)自動(dòng)彈出指令信息對(duì)話框,實(shí)現(xiàn)同步設(shè)備控制,并通過(guò)同域Json 解析,完成Web 平臺(tái)的局部數(shù)據(jù)刷新。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

采用Visual studio 2013 和Hbuilder X 作為開(kāi)發(fā)環(huán)境,以JavaScript、C#等作為主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,SQL Server 作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。 JavaScript 語(yǔ)言為前端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,其中Pad 端軟件采用純html 開(kāi)發(fā)。

2.2 主要界面

該平臺(tái)界面由兩部分組成,分為Web 平臺(tái)和Pad 平臺(tái)。 兩個(gè)平臺(tái)可獨(dú)立使用,也可配套使用,目的是實(shí)現(xiàn)用戶多地控制。

2.2.1 PC 端頁(yè)面布局設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)集成控制

根據(jù)功能需求,將平臺(tái)分為農(nóng)田總設(shè)備數(shù)據(jù)匯總介紹區(qū)、設(shè)備狀態(tài)分布區(qū)、水泵運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)區(qū)、運(yùn)行實(shí)時(shí)信息區(qū)、當(dāng)前氣象區(qū)、地圖區(qū)、水泵控制區(qū)(圖2)。 其中,水泵控制區(qū)是對(duì)所有干渠、支渠控制器、水泵的控制,用戶可根據(jù)需求,進(jìn)行開(kāi)啟關(guān)閉操作,由于設(shè)備延遲反應(yīng),系統(tǒng)設(shè)置30 s 反應(yīng)時(shí)間,設(shè)備對(duì)應(yīng)電壓電流在水泵開(kāi)啟30 s 后,數(shù)據(jù)發(fā)生變化。 氣象區(qū)及水泵運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)區(qū)均采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示,并在數(shù)據(jù)可視化處理做了改善,顯示一周數(shù)據(jù)分析曲線,方便用戶觀測(cè)及分析。

圖2 PC 端Web 平臺(tái)Fig.2 PC Web platform

2.2.2 Pad 端多平臺(tái)聯(lián)動(dòng)控制

Pad 端多平臺(tái)聯(lián)動(dòng)目的:一是輪播區(qū)域監(jiān)控視頻;二是增加多屏聯(lián)動(dòng)控制。 主要界面如圖3。 多平臺(tái)控制聯(lián)動(dòng)表示用戶在Pad 端通過(guò)控制攝像頭及控制器開(kāi)關(guān),使得Web 平臺(tái)及時(shí)響應(yīng),并作出處理,表現(xiàn)為Pad 端點(diǎn)擊攝像頭編號(hào),網(wǎng)頁(yè)布局上發(fā)生變化,由視頻區(qū)視頻切換到大屏地圖區(qū)域,顯示視頻信息以及水泵控制器是否發(fā)生同步控制。 當(dāng)控制器狀態(tài)在Pad 端開(kāi)啟或關(guān)閉發(fā)生切換時(shí),Web 平臺(tái)同時(shí)彈出狀態(tài)消息提醒,控制器同步更新?tīng)顟B(tài)。

圖3 Pad 端APPFig.3 Pad APP

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)該平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和設(shè)備控制功能為主的框架設(shè)計(jì),平臺(tái)應(yīng)提供多平臺(tái)控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、操作方便等必要功能方便用戶使用。 因此,該平臺(tái)在研發(fā)階段采用以下技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3.1 集成、可視化環(huán)境

該套系統(tǒng)由3 個(gè)獨(dú)立程序組成,分別是數(shù)據(jù)獲取應(yīng)用程序、上海農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)管理平臺(tái)、Pad 多屏聯(lián)動(dòng)APP(圖4)。 數(shù)據(jù)獲取應(yīng)用程序的作用是事先從云服務(wù)器獲取氣象站數(shù)據(jù)、水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)、基地?cái)?shù)據(jù)等存儲(chǔ)在本地服務(wù)器,由管理平臺(tái)調(diào)用;上海農(nóng)場(chǎng)智慧農(nóng)業(yè)管理平臺(tái)前端顯示各模塊數(shù)據(jù),后端與數(shù)據(jù)獲取應(yīng)用程序、APP 聯(lián)動(dòng),一方面從數(shù)據(jù)獲取應(yīng)用程序中獲取相關(guān)數(shù)據(jù),另一方面通過(guò)接收APP 控制指令,及時(shí)同步刷新前端設(shè)備狀態(tài);APP 的作用是用戶在不使用Web 平臺(tái)的情況下,通過(guò)Pad 端移動(dòng)控制揚(yáng)水站或農(nóng)渠設(shè)備。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.4 System composition

對(duì)于3 個(gè)獨(dú)立程序的開(kāi)發(fā),采用微軟的Visual Studio 2013 開(kāi)發(fā)軟件,該集成軟件能提供代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器和圖形用戶界面等工具。 當(dāng)版本改動(dòng)時(shí),只需重新發(fā)布,對(duì)已發(fā)布程序使用不造成影響,方便進(jìn)行高效應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

2.3.2 異步調(diào)用

由于平臺(tái)數(shù)據(jù)全部來(lái)源Ajax 請(qǐng)求,解析大量的數(shù)據(jù)會(huì)直接影響頁(yè)面加載速度,因此采用異步調(diào)用來(lái)提高應(yīng)用執(zhí)行效率,加快響應(yīng)速度。 平臺(tái)采取分流獲取方式緩解服務(wù)器壓力,例如實(shí)時(shí)從云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并顯示,其他相對(duì)固定數(shù)據(jù)采用每日0 點(diǎn)更新或每小時(shí)采集1 次,存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)。 表1 為截取自2021 年6 月9日當(dāng)天的氣象站數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)接口,并在后臺(tái)進(jìn)行異步分流調(diào)用,提高了平臺(tái)加載速率。

表1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)Table 1 Data storage

2.3.3 多屏聯(lián)動(dòng)

為了方便用戶隨時(shí)隨地監(jiān)控水泵,及時(shí)處理突發(fā)事件,在平臺(tái)的設(shè)計(jì)上特地增加了多屏聯(lián)動(dòng)功能,可同時(shí)解決視頻監(jiān)控和多平臺(tái)同步處理這兩個(gè)問(wèn)題。

監(jiān)控采用rtsp 實(shí)時(shí)流播放協(xié)議,以視頻流形式播放。 由于主流瀏覽器或高版本瀏覽器已經(jīng)不再支持ActiveX 插件,而是采用NPAPI 或者PPAPI 來(lái)開(kāi)發(fā)瀏覽器播放插件,因此VLC 插件只適用于IE 瀏覽器或低版本的其他瀏覽器。 為解決瀏覽器兼容性,選擇使用海康網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控3.0,該插件基于ActiveX 和NPAPI開(kāi)發(fā)[ 10],支持網(wǎng)頁(yè)預(yù)覽、回放、云控制等功能。

解決多屏聯(lián)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵在于Pad 端發(fā)出控制指令后,Web 端及時(shí)捕獲信息并解析,同步刷新平臺(tái),如圖5 所示,實(shí)現(xiàn)跨域信息傳遞。 具體方法是Pad 端將控制信息,包括干、支渠名稱、開(kāi)啟關(guān)閉狀態(tài)信息傳至Web 端后臺(tái),再由后臺(tái)通過(guò)跨域解析,分別彈出提示框和同步修改設(shè)備狀態(tài)框。 其中,跨域解析數(shù)據(jù)返回類型為Jsonp。 瀏覽器出于安全機(jī)制考慮,在數(shù)據(jù)傳輸格式上無(wú)法使用同域Json 方式獲取。 Json 和Jsonp 的區(qū)別如表2。

表2 Json 和Jsonp 區(qū)別Table 2 The difference between Json and Jsonp

圖5 多平臺(tái)同步處理Fig.5 Multi-platform synchronous processing

2.3.4 LORA+藍(lán)牙技術(shù)

LORA 技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、低成本等優(yōu)點(diǎn),在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中廣泛使用。 根據(jù)農(nóng)場(chǎng)灌溉設(shè)備數(shù)量較多、分布較廣的特性,為方便后期維護(hù),采用LORA + 藍(lán)牙的無(wú)線通信技術(shù),LORA 模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸,藍(lán)牙模塊負(fù)責(zé)定位及現(xiàn)場(chǎng)安裝配置。 Web 端數(shù)據(jù)的采集、上傳、返回,具體工作流程如圖6。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸工作流程Fig.6 Data transmission workflow

LORA 網(wǎng)關(guān)自主管理設(shè)備入網(wǎng)和服務(wù)器連接,通過(guò)自定義私有協(xié)議,將LORA 網(wǎng)關(guān)和眾多控制器組成一個(gè)有序的通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下發(fā)和接收。 采用RS485 接口,通過(guò)傳感器將采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器,其具有同時(shí)兩路連接到廣域網(wǎng)功能,包括WAN 和4G 接口,實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)和備份,可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、完整和可靠。 同時(shí)搭載BLE 5.0 藍(lán)牙技術(shù),可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制、系統(tǒng)升級(jí)、參數(shù)配置及備用設(shè)備替換等,便于現(xiàn)場(chǎng)安裝配置及后期維護(hù)。

3 結(jié)論與展望

該系統(tǒng)配套上海農(nóng)場(chǎng)智能灌溉硬件系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程提供農(nóng)場(chǎng)實(shí)時(shí)灌溉數(shù)據(jù)及設(shè)備控制功能。 整個(gè)平臺(tái)從硬件到軟件均為自主研發(fā),可根據(jù)不同的農(nóng)作物需求,制定不同的灌溉方案,具有較好的應(yīng)用效果。 但平臺(tái)目前在功能上還有所缺乏,今后努力改進(jìn)的方向是逐步實(shí)現(xiàn)智能灌溉,即結(jié)合土壤溫濕度等環(huán)境指標(biāo),通過(guò)建立農(nóng)作物生長(zhǎng)模型,實(shí)現(xiàn)自主灌溉。