基于Android平臺的智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

臧賀藏,張 杰,李國強,胡 峰,趙 晴,鄭國清(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所，河南 鄭州 450002)

基于Android平臺的智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

臧賀藏,張 杰,李國強,胡 峰,趙 晴,鄭國清
(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所，河南 鄭州 450002)

為了促進河南省智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展，基于視頻監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)傳感器和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，初步設(shè)計開發(fā)了基于Android平臺的智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)。在作物生長發(fā)育過程中，該系統(tǒng)可實現(xiàn)作物生長過程中的關(guān)鍵環(huán)境因子、作物長勢以及視頻圖像等信息的遠程實時采集和數(shù)據(jù)存儲功能。在任何具備網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，用戶均可以通過手機進行24 h 全天候不間斷的監(jiān)控，并且可以瀏覽獲取數(shù)據(jù)，以便實時實地了解作物生長及環(huán)境信息。該系統(tǒng)具有功能實用、操作簡單、界面友好、性能良好和安裝部署方便等特點。在西華縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗基地進行實際調(diào)試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)各項監(jiān)測指標(biāo)均達到要求，能夠滿足大田作物生長監(jiān)測的需要。

Android； 物聯(lián)網(wǎng)； 智慧農(nóng)田； 信息采集； 遠程監(jiān)控

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新生力量，是推動信息化與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化融合的重要切入點，其已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面[1-3]。國外，在農(nóng)業(yè)資源利用與環(huán)境監(jiān)測方面的研究應(yīng)用較早且發(fā)展較快，在諸多領(lǐng)域中具有廣泛的發(fā)展空間[4-7]。美國、法國和日本等一些發(fā)達國家通過利用先進的傳感器感知技術(shù)、信息融合傳輸技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等建立覆蓋全國的農(nóng)業(yè)信息化平臺，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的自動監(jiān)測，促進農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[8-9]。比如，法國建立了較為完善的農(nóng)業(yè)區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，在作物生長的全過程，可對作物的生長信息、病蟲害信息以及相關(guān)的環(huán)境信息進行采集，并將采集的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心進行處理，以指導(dǎo)施肥、灌溉和噴藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。我國在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測方面的研究還處于初步探索與示范階段，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院率先構(gòu)建了具有較大覆蓋面和代表性的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了面向小麥主產(chǎn)區(qū)的各種數(shù)據(jù)信息的自動化采集和遠程傳輸[10-13]。近年來，隨著智能手機迅速發(fā)展，4G時代解決了視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)在移動網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)钠款i，并且得到了廣泛的應(yīng)用[14-16]。鑒于此，本研究利用視頻監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)傳感器和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，基于Android平臺，采用手機客戶端通過有線/無線通訊方式，開發(fā)了對大田作物生長進行實時監(jiān)控、跟蹤、在線管理和服務(wù)的綜合性系統(tǒng)，進而對作物生長全過程進行實時監(jiān)控，為對作物進行科學(xué)管理提供輔助決策支持。

1 基于Android平臺的智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

從技術(shù)框架上，智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要分為3層，包括感知層，用于信息的獲取感知；傳輸層，用于信息的傳輸；應(yīng)用層，用于對獲取信息的智能處理和綜合應(yīng)用。本研究采用分層架構(gòu)的思想設(shè)計基于智能手機的智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于Android平臺的智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 功能設(shè)計

為滿足用戶對作物生長信息進行快速、實時、可視化的管理需要，該系統(tǒng)主要包括實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)查詢、視頻圖像以及設(shè)置四大功能模塊，其整體框架如圖2所示。

實時監(jiān)測：該模塊主要展示監(jiān)控站點采集的實時數(shù)據(jù),包括風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光合有效輻射以及降雨量等環(huán)境信息。

數(shù)據(jù)查詢：該模塊主要顯示連續(xù)或適時的歷史環(huán)境數(shù)據(jù)。

視頻圖像：該模塊包括長勢360°監(jiān)測、長勢定向監(jiān)測和病蟲害監(jiān)測。

設(shè)置：該模塊主要設(shè)置農(nóng)田監(jiān)控站點、消息通知以及開發(fā)本系統(tǒng)的單位介紹。

圖2 智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)Android客戶端功能模塊

2 基于Android平臺的智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)整體架構(gòu)由服務(wù)器端和手機客戶端組成，采用了 B/S架構(gòu)的Web 端和服務(wù)器C/S 架構(gòu)的手機客戶端相結(jié)合的方式，服務(wù)器端作為數(shù)據(jù)資源中心為手機客戶端提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，手機客戶端在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對作物生長信息的采集，從而為服務(wù)器提供實時可靠的核心數(shù)據(jù)來源，為后期數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。

該系統(tǒng)后臺服務(wù)器為Windows Server 2008，采用Java提供的Webservice服務(wù)，后臺數(shù)據(jù)庫為Microsoft SQL Server 2008，用以接收手機端采集的測試數(shù)據(jù)。手機客戶端通過調(diào)用后臺服務(wù)器發(fā)布的 Webservice 服務(wù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，以便完成數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)程序采用Eclispse和Android Developer Tool開發(fā)，圖形圖像處理采用Photoshop。

2.2 手機客戶端實現(xiàn)

2.2.1 數(shù)據(jù)實時監(jiān)測 實時監(jiān)測模塊主要顯示監(jiān)控站點采集的實時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)實時顯示主要通過ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、GPRS移動通信技術(shù)以及多源感知數(shù)據(jù)融合與分布式管理技術(shù)實現(xiàn)。西華縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所(簡稱西華農(nóng)科所)試驗基地的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖3所示。該界面可實時顯示西華農(nóng)科所試驗基地的風(fēng)速、風(fēng)向、土壤溫度、土壤濕度、空氣溫濕度、光合有效輻射以及降雨量等環(huán)境參數(shù)。用戶通過智能手機可以直接瀏覽當(dāng)前作物生長的實時環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各類監(jiān)測指標(biāo)的顯性化；一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測指標(biāo)不正常時，可以通過環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備實現(xiàn)手工或自動化的遠程控制，進而保證作物生長環(huán)境保持最佳狀態(tài)。

圖3 數(shù)據(jù)實時顯示

2.2.2 數(shù)據(jù)查詢 數(shù)據(jù)查詢主要針對任何時間段大田內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向、土壤溫濕度、空氣溫濕度、光合有效輻射以及降雨量等環(huán)境信息進行查詢。查詢方式是按照日期選擇需要查詢的時間段進行查詢。查詢的數(shù)據(jù)以列表的形式顯示，在用戶瀏覽數(shù)據(jù)的同時可以直觀地觀察到對應(yīng)時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化。西華農(nóng)科所風(fēng)速查詢界面如圖4所示。

2.2.3 視頻圖像 視頻圖像模塊包括病蟲害監(jiān)測、長勢定向監(jiān)測和360°長勢監(jiān)測。用戶進入智慧農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，即可獲得作物實時視頻圖像，如圖5所示。通過視頻圖像，可以直觀地掌握大田作物生長的實時動態(tài)，還可以側(cè)面了解作物生長的整體狀態(tài)及營養(yǎng)水平，從整體上給農(nóng)戶提供更加科學(xué)的種植決策指導(dǎo)。

圖4 歷史數(shù)據(jù)查詢

圖5 視頻圖像示意圖

3 基于Android平臺的智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)的測試

利用上述基于智能手機的智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)在西華農(nóng)科所試驗基地玉米大田進行試驗，對大田玉米進行24 h不間斷測試(2015年10月14日)，實時獲取風(fēng)速、風(fēng)向、土壤溫濕度、空氣溫濕度、光合有效輻射以及降雨量等信息，部分測試數(shù)據(jù)如表1所示。 從表1可以看出，在24 h內(nèi)，通過基于Android平臺的智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以實時獲取風(fēng)速、風(fēng)向、土壤溫濕度、空氣溫濕度、光合有效輻射以及降雨量等信息。本系統(tǒng)風(fēng)速測量精度在±0.5 m/s以內(nèi)，風(fēng)向的測量精度在±0.3°以內(nèi)，空氣溫度的測量精度在±0.5 ℃以內(nèi)，空氣濕度的測量精度在±0.5 ℃以內(nèi)，土壤溫度的測量精度在±0.5%以內(nèi)，土壤濕度的測量精度在±0.5%以內(nèi)，光合有效輻射的測量精度在2 μmol/(m2·s)以內(nèi)。24 h 內(nèi)基本不受環(huán)境因素影響，數(shù)據(jù)控制基本穩(wěn)定，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)較強的穩(wěn)定性。遠程控制反應(yīng)時間在 5 s以內(nèi)，完全達到了系統(tǒng)設(shè)計要求。

表1 作物生長環(huán)境測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本研究開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)田遠程監(jiān)控系統(tǒng)，具備農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境信息采集和發(fā)布等功能，在Android手機上實現(xiàn)了遠程監(jiān)控，1部手機可以同時管理多個監(jiān)控站點。該系統(tǒng)硬件成本低，數(shù)據(jù)傳輸速度快，操作簡單，能夠隨時隨地查看、下載信息和視頻圖片。

該系統(tǒng)可以使用戶在作物生長的任何生育時期和時間段通過客戶端及時查詢當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)、作物長勢以及視頻圖像等信息，實時實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步查詢，進而實現(xiàn)作物生長信息的遠程實時監(jiān)測，提高了監(jiān)測精度和準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)的建立為廣大用戶提供了一個信息交流平臺，專家可通過視頻圖像及時了解大田作物生長信息，在第一時間解答用戶問題，并提出切實可行的應(yīng)用方案，滿足了作物生產(chǎn)管理過程各環(huán)節(jié)的需求。通過對作物生長過程進行動態(tài)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測和視頻圖像獲取，進一步提高對作物環(huán)境信息快速決策的精確性。

[1] 董方敏,王紀(jì)華,任東.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2012.

[2] 于海洋,劉艷梅,董燕生,等.基于空間信息的農(nóng)作物苗情監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2013,34(2):253-256.

[3] 陳曉棟,原向陽,郭平毅,等.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究進展與前景展望[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報,2015,17(2):8-16.

[4] 李莉,顧巧英,陳金星.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在作物栽培環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報,2012,28(3):91-94.

[5] Atzori L,Lera A,Morabito G.The internet of things:A survey [J].Computer Networks,2010,54(15):2787-2805.

[6] 李道亮.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,2012.

[7] 肖伯祥,郭新宇,王傳宇,等.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)情景感知計算技術(shù)應(yīng)用探討[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報,2014,16(5):21-31.

[8] 臧賀藏,王來剛,李國強,等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國糧食作物生產(chǎn)過程中的應(yīng)用進展[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,42(5):20-23.

[9] 李慧,劉星橋,李景,等.基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺的水產(chǎn)養(yǎng)殖遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(13):175-181.

[10] 杜克明.農(nóng)業(yè)環(huán)境無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2007.

[11] 劉爽.玉米低溫冷害遠程診斷管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2008.

[12] 韓華峰.農(nóng)業(yè)環(huán)境信息遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)設(shè)計[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2009.

[13] 夏于.基于物聯(lián)網(wǎng)的小麥苗情遠程診斷管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2013.

[14] 仇天月,陳旭,馬超,等.基于Android智能手機的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息采集和發(fā)布系統(tǒng)的研究[J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報,2014,30(2):6-9.

[15] 吳振深,吳俊,鄧惠燕,等.基于Android智能手機的移動式環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[J].三明學(xué)院學(xué)報,2013,30(2):32-37.

[16] 臧賀藏,張杰,王來剛,等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的糧食作物生長遠程監(jiān)控與診斷平臺研究[J].中國農(nóng)機化學(xué)報,2015,36(4):185-188,208.

Development of Remote Monitoring System for Wisdom Farmland Based on Android Platform

ZANG Hecang,ZHANG Jie,LI Guoqiang,HU Feng,ZHAO Qing,ZHENG Guoqing
(Agricultural Economy & Information Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China)

The remote monitoring system for wisdom farmland was preliminary designed based on android platform with video monitoring,Internet of Things sensor and network communication technology.In the process of crop growth and development,the remote real-time acquisition and data storage of the key factors,such as environmental factors,crop growth information and video image were realized by using the remote monitoring platform.In any network coverage area,the user could uninterruptedly monitor for 24 h through the phone,and browse data from the mobile phone,so that understand real-time field crop growth and environment information.This system has the advantages of practicality,simple operation,friendly interface,good performance and easy installation and deployment,flexible expansion.After practical testing of the system in the experiment base of Xihua Academy of Agricultural Sciences,the indicators of this system had reached the requirements,this system met the needs of monitoring crops growth in field.

android; Internet of Things; wisdom farmland; information collection; remote monitoring

2016-01-12

河南省重大科技專項(121100110900)；河南省重點科技攻關(guān)計劃項目(162102210378，142102110071)；河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主創(chuàng)新專項基金項目(豫財科[2015]183號)；河南省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項目(豫財貿(mào)[2013]156號,豫財貿(mào)[2012]179號)

臧賀藏(1983-)，女，河南駐馬店人，助理研究員，博士，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究。 E-mail:zanghecang@163.com

S126;S24;TP274.2

A

1004-3268(2016)06-0153-04