上海农场大田灌溉远程数据展示与控制管理平台的研发与探讨

胡雯雯,王运圣,徐识溥,刘 勇,吴颖静

(上海市农业科学院农业信息科技研究所,上海数字农业工程与技术研究中心,上海 201403)

大田智能灌溉因结合地区水资源、气候、地貌等因素,能够有效开展节水灌溉服务,提高水资源利用率。 为此,多年来各国都在积极探索适宜各地的灌溉系统,尤其是水资源匮乏国家,例如以色列采用智能滴灌技术和自动控制技术,实现荒漠农业[ 1-2];法国采用灌溉用水管理模式,以喷灌为主,逐步提高需水量管理水平[ 3];美国采用喷灌、微灌、低压管道输水灌溉等方式,节水的同时提高农作物产量与品质[ 4-5]。 我国针对节水灌溉也进行了相关探索,例如国亮等[ 6]分析了各国节水灌溉技术的成功经验,结合我国的实际情况,提出了有针对性的措施和建议;赵文杰等[ 7]针对我国节水灌溉技术推广,具体说明灌溉技术推广过程中的难点及对策研究。 由于我国在大面积节水应用方面的案例较少,且东西部水资源分布不均,各地灌溉需求不同,若直接引进国外灌溉系统会存在以下问题:国外智能灌溉控制器较为成熟,价格昂贵,国内无法大面积应用;国外智能控制器不适用我国的自然、气候、水资源等,无法普及;国外配套系统后期维护较难。 因此针对以上问题,科技人员研发出一套适合上海农场模式的智能灌溉系统,并在2018 年应用落地。

上海农场耕地面积约为1.33 万hm2,其中智能灌溉应用地区为川东七队和庆丰七队,耕地面积达170 hm2,该地区为平原地带,便于铺设管道、传感器、控制器等设备[ 8]。 该系统集成农业物联网、机电一体智能化控制,可实现农业设施内信息采集和环境控制、智能灌溉控制等功能。 经应用,每年直接节约人工费约87%,节水减排在10%左右,具有较好的经济效益。

上海农场目前应用的沪农科灌溉嵌入式系统,用户只能现场操作,无法远程监测和控制。 因此需在该系统的基础上,设计一套基于html∕css、JavaScript 跨平台客户端展示与控制系统,以可视化形式呈现数据指标及智能化控制一体化平台,提供精准远程控制、实时数据监控等功能。 该系统提供的集成、可视化环境对于数据展示和后续数据分析有着重要作用。

1 构思与设计

1.1 需求分析

经前期调研,系统平台需实现对水泵的精准控制、设备运行状态及运行时长的监测与预警、气象数据的实时显示、多平台设备的交互控制等功能。 因此,将界面分为4 个模块,分别为扬水站控制模块、农渠控制模块、气象站监测模块、实时视频模块。 其中,扬水站控制模块内容显示当前水泵电流、电压、水位、功率数据,以仪表盘显示。 通过设置仪表盘安全区间,直观反映当前数据是否正常。 扬水站控制模块是用户操作模块,用户可控制水泵开启、同步更新控制状态。 气象站监测模块显示温度、湿度、气压、风向、风速、雨量、光照等信息。

数据通信技术采用的是LORA 网关,可通过4G 网络、WiFi 或有线以太网的方式,将传感器数据传输到云服务器端,平台通过访问接口获取并显示。

1.2 系统架构

该平台采用B∕S 架构,以数据展示和设备控制相结合(图1)。 其中:数据展示的是实时数据,包括当前气象数据及设备运行状态;设备控制分为Web 平台控制和多屏联动控制。 Web 平台控制设备的方式采用Ajax 方式向云服务器发送设备状态更改指令,实现现场设备同步操作[ 9];多屏联动控制指Pad 端平台发出设备控制指令后,Web 平台自动弹出指令信息对话框,实现同步设备控制,并通过同域Json 解析,完成Web 平台的局部数据刷新。

图1 系统架构Fig.1 System architecture

2 系统实现

2.1 开发环境

采用Visual studio 2013 和Hbuilder X 作为开发环境,以JavaScript、C#等作为主要开发语言,SQL Server 作为存储数据库。 JavaScript 语言为前端开发语言,其中Pad 端软件采用纯html 开发。

2.2 主要界面

该平台界面由两部分组成,分为Web 平台和Pad 平台。 两个平台可独立使用,也可配套使用,目的是实现用户多地控制。

2.2.1 PC 端页面布局设计与数据集成控制

根据功能需求,将平台分为农田总设备数据汇总介绍区、设备状态分布区、水泵运行时长统计区、运行实时信息区、当前气象区、地图区、水泵控制区(图2)。 其中,水泵控制区是对所有干渠、支渠控制器、水泵的控制,用户可根据需求,进行开启关闭操作,由于设备延迟反应,系统设置30 s 反应时间,设备对应电压电流在水泵开启30 s 后,数据发生变化。 气象区及水泵运行时长统计区均采用实时数据显示,并在数据可视化处理做了改善,显示一周数据分析曲线,方便用户观测及分析。

图2 PC 端Web 平台Fig.2 PC Web platform

2.2.2 Pad 端多平台联动控制

Pad 端多平台联动目的:一是轮播区域监控视频;二是增加多屏联动控制。 主要界面如图3。 多平台控制联动表示用户在Pad 端通过控制摄像头及控制器开关,使得Web 平台及时响应,并作出处理,表现为Pad 端点击摄像头编号,网页布局上发生变化,由视频区视频切换到大屏地图区域,显示视频信息以及水泵控制器是否发生同步控制。 当控制器状态在Pad 端开启或关闭发生切换时,Web 平台同时弹出状态消息提醒,控制器同步更新状态。

图3 Pad 端APPFig.3 Pad APP

2.3 关键技术

针对该平台是实现数据监测和设备控制功能为主的框架设计,平台应提供多平台控制、数据实时获取、操作方便等必要功能方便用户使用。 因此,该平台在研发阶段采用以下技术来实现。

2.3.1 集成、可视化环境

该套系统由3 个独立程序组成,分别是数据获取应用程序、上海农场智慧农业管理平台、Pad 多屏联动APP(图4)。 数据获取应用程序的作用是事先从云服务器获取气象站数据、水泵运行数据、基地数据等存储在本地服务器,由管理平台调用;上海农场智慧农业管理平台前端显示各模块数据,后端与数据获取应用程序、APP 联动,一方面从数据获取应用程序中获取相关数据,另一方面通过接收APP 控制指令,及时同步刷新前端设备状态;APP 的作用是用户在不使用Web 平台的情况下,通过Pad 端移动控制扬水站或农渠设备。

图4 系统构成Fig.4 System composition

对于3 个独立程序的开发,采用微软的Visual Studio 2013 开发软件,该集成软件能提供代码编辑器、编译器、调试器和图形用户界面等工具。 当版本改动时,只需重新发布,对已发布程序使用不造成影响,方便进行高效应用开发。

2.3.2 异步调用

由于平台数据全部来源Ajax 请求,解析大量的数据会直接影响页面加载速度,因此采用异步调用来提高应用执行效率,加快响应速度。 平台采取分流获取方式缓解服务器压力,例如实时从云服务器获取数据并显示,其他相对固定数据采用每日0 点更新或每小时采集1 次,存储在数据库。 表1 为截取自2021 年6 月9日当天的气象站数据。 数据库提供数据接口,并在后台进行异步分流调用,提高了平台加载速率。

表1 数据存储Table 1 Data storage

2.3.3 多屏联动

为了方便用户随时随地监控水泵,及时处理突发事件,在平台的设计上特地增加了多屏联动功能,可同时解决视频监控和多平台同步处理这两个问题。

监控采用rtsp 实时流播放协议,以视频流形式播放。 由于主流浏览器或高版本浏览器已经不再支持ActiveX 插件,而是采用NPAPI 或者PPAPI 来开发浏览器播放插件,因此VLC 插件只适用于IE 浏览器或低版本的其他浏览器。 为解决浏览器兼容性,选择使用海康网络监控3.0,该插件基于ActiveX 和NPAPI开发[ 10],支持网页预览、回放、云控制等功能。

解决多屏联动技术的关键在于Pad 端发出控制指令后,Web 端及时捕获信息并解析,同步刷新平台,如图5 所示,实现跨域信息传递。 具体方法是Pad 端将控制信息,包括干、支渠名称、开启关闭状态信息传至Web 端后台,再由后台通过跨域解析,分别弹出提示框和同步修改设备状态框。 其中,跨域解析数据返回类型为Jsonp。 浏览器出于安全机制考虑,在数据传输格式上无法使用同域Json 方式获取。 Json 和Jsonp 的区别如表2。

表2 Json 和Jsonp 区别Table 2 The difference between Json and Jsonp

图5 多平台同步处理Fig.5 Multi-platform synchronous processing

2.3.4 LORA+蓝牙技术

LORA 技术具有远距离、低功耗、多节点、低成本等优点,在物联网应用中广泛使用。 根据农场灌溉设备数量较多、分布较广的特性,为方便后期维护,采用LORA + 蓝牙的无线通信技术,LORA 模块负责数据传输,蓝牙模块负责定位及现场安装配置。 Web 端数据的采集、上传、返回,具体工作流程如图6。

图6 数据传输工作流程Fig.6 Data transmission workflow

LORA 网关自主管理设备入网和服务器连接,通过自定义私有协议,将LORA 网关和众多控制器组成一个有序的通信网络,实现数据下发和接收。 采用RS485 接口,通过传感器将采集的数据上传至云服务器,其具有同时两路连接到广域网功能,包括WAN 和4G 接口,实现互补和备份,可保证数据传输的稳定、完整和可靠。 同时搭载BLE 5.0 蓝牙技术,可实现现场控制、系统升级、参数配置及备用设备替换等,便于现场安装配置及后期维护。

3 结论与展望

该系统配套上海农场智能灌溉硬件系统,可实现远程提供农场实时灌溉数据及设备控制功能。 整个平台从硬件到软件均为自主研发,可根据不同的农作物需求,制定不同的灌溉方案,具有较好的应用效果。 但平台目前在功能上还有所缺乏,今后努力改进的方向是逐步实现智能灌溉,即结合土壤温湿度等环境指标,通过建立农作物生长模型,实现自主灌溉。