趙華民,張淑娟,王鳳花,張海紅,張若晨

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,山西太谷 030801)

基于GPS、EDGE和LabVIEW的農(nóng)田信息遠(yuǎn)程采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

趙華民,張淑娟,王鳳花,張海紅,張若晨

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,山西太谷 030801)

為了高效實(shí)時(shí)地采集農(nóng)田信息,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)管理,設(shè)計(jì)出一種基于GPS、EDGE和LabVIEW技術(shù)的農(nóng)田信息遠(yuǎn)程采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自行設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)、GPS和傳感器技術(shù)的多參數(shù)農(nóng)田信息采集儀,實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤含水量、土壤溫度、土壤電導(dǎo)率、環(huán)境溫濕度等農(nóng)田信息的快速定位測(cè)量。通過(guò)EDGE模塊,利用移動(dòng)EGPRS技術(shù)覆蓋面廣、傳輸速度快、資費(fèi)低等特點(diǎn),將測(cè)量所得數(shù)據(jù)快速實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)。該系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)把EDGE模塊接收的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù),并對(duì)其進(jìn)行分析。該系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用多功能信息采集設(shè)備和高速網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田信息的實(shí)時(shí)、高效、精確和低成本采集,對(duì)精細(xì)農(nóng)業(yè)作業(yè)決策具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

GPS;EDGE;LabVIEW;農(nóng)田信息;遠(yuǎn)程采集;監(jiān)測(cè)

精細(xì)農(nóng)業(yè)是基于信息和知識(shí)支持的現(xiàn)代農(nóng)業(yè),本質(zhì)是一種以知識(shí)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。其核心是動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地獲取農(nóng)田小區(qū)土壤和農(nóng)作物的信息,診斷作物長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量時(shí)空差異的原因,并對(duì)小區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確的灌溉、施肥、噴藥,最大限度地提高水、肥和藥物的利用效率,增加產(chǎn)量,減少環(huán)境污染,獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益[1]。精細(xì)農(nóng)業(yè)開展的基礎(chǔ)是要獲取大量的農(nóng)田信息,包括農(nóng)田土壤信息和環(huán)境信息等。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、GPS技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外很多專家開始研究將這些技術(shù)應(yīng)用到精細(xì)農(nóng)業(yè)中,如Reimar Carlesso等研究了應(yīng)用氣象站網(wǎng)絡(luò)為精細(xì)作物灌溉提供信息支持[2]。Wang Xuefeng等研究了基于3S作物品質(zhì)監(jiān)控,精細(xì)施肥和灌溉系統(tǒng)[3]。Liu Shihong等基于GPRS研究了農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)[4]。還有各種基于遠(yuǎn)程通訊技術(shù)的精細(xì)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)也在研究和使用中[5,6]。

在各種遠(yuǎn)程無(wú)線通訊技術(shù)中,國(guó)內(nèi)外采用最為廣泛的是GPRS技術(shù)。近年來(lái),隨著移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展,GPRS技術(shù)也在不斷升級(jí),EDGE(Enhanced Data Rate for GSM Evolution)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,為GPRS無(wú)線傳輸開辟了新的天地,國(guó)內(nèi)外關(guān)于這種傳輸技術(shù)的研究,充分論證其傳輸方面比一般GPRS傳輸更具優(yōu)勢(shì)[7]。EDGE是增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率GSM演進(jìn)技術(shù),采用了一種新的調(diào)制方法,即最先進(jìn)的多時(shí)隙操作和8PSK調(diào)制技術(shù),能夠充分利用現(xiàn)有的GSM資源。8PSK可將現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)采用的GMSK調(diào)制技術(shù)的信號(hào)空間從2擴(kuò)展到8,從而使每個(gè)符號(hào)所包含的信息是原來(lái)的 4倍。它的最高速率可達(dá)384 kbit?s-1,是現(xiàn)在通用的GPRS模塊傳輸速率的3倍[8]?，F(xiàn)階段,中國(guó)大部分地區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了覆蓋EDGE網(wǎng)絡(luò),即使在沒有EDGE網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方,也可以通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到普通GPRS網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)中斷快速傳輸。并且使用EDGE網(wǎng)絡(luò)在提高傳輸速率的前提下資費(fèi)跟普通GPRS傳輸相同,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)快速低費(fèi)用傳輸。

本文基于精細(xì)農(nóng)業(yè)田間信息采集與傳輸?shù)男枰?考慮到現(xiàn)階段各種信息采集系統(tǒng)的不足,利用EDGE網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性,設(shè)計(jì)了基于GPS、EDGE和LabVIEW的農(nóng)田信息遠(yuǎn)程采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)兩部分構(gòu)成。下位機(jī)為基于單片機(jī)技術(shù)、GPS定位技術(shù)、傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)的一套便攜式多參數(shù)農(nóng)田信息采集儀,該采集儀內(nèi)置有GPS-OEM板,可實(shí)現(xiàn)土壤含水量、土壤緊實(shí)度、土壤溫度等多項(xiàng)農(nóng)田信息的快速定位集成測(cè)量。農(nóng)田信息采集儀跟EDGE模塊采用RS-232接口連接,可實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的快速無(wú)線傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)是基于LabVIEW8.2軟件為開發(fā)工具開發(fā)的一套農(nóng)田信息采集與處理平臺(tái)[9]。該上位機(jī)平臺(tái)運(yùn)行在遠(yuǎn)端的PC機(jī)上,能夠從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取從EDGE模塊傳過(guò)來(lái)的農(nóng)田信息,遠(yuǎn)端的監(jiān)控人員根據(jù)采集來(lái)的數(shù)據(jù)的分析和處理結(jié)果做出決策,實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

2 EDGE通訊模塊設(shè)計(jì)

采用上海Simcom(希姆通)公司的SIM600 EDGE modem作為系統(tǒng)通信模塊,該EDGE modem使用標(biāo)準(zhǔn)DB9(RS232標(biāo)準(zhǔn)9針)通信接口,同時(shí)具有850 MHz/900 MHz/1 800 MHz/1 900 MHz四個(gè)頻段,內(nèi)置 TCP/IP協(xié)議棧,可支持236.8kbps的上網(wǎng)下載速度,還支持語(yǔ)音、短信、上網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1 農(nóng)田信息采集與處理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of the field information collection system

EDGE無(wú)線模塊通過(guò)RS-232接口與多參數(shù)信息采集儀通信,采集儀通過(guò)使用AT命令與上位機(jī)建立TCP/IP連接。硬件連接完成后,在EDGE接入網(wǎng)絡(luò)操作之前,先要對(duì)EDGE模塊進(jìn)行一定的設(shè)置,如通信波特率、接入網(wǎng)關(guān)、設(shè)置移動(dòng)終端的類別等,然后便可以通過(guò)AT命令來(lái)完成需要的功能。使用的硬件初始化指令如表1所示[10,11]。

系統(tǒng)采用PDU短信模式發(fā)送數(shù)據(jù),其格式[13,14]見表2。

每條短信最多能傳送140字節(jié)的數(shù)據(jù),由采集儀采集的數(shù)據(jù)格式一般為A16.0(A代表土壤體積含水量,16.0代表16%),所以一條短信就可以把一條數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī),無(wú)需分多條發(fā)送。

表1 常用EDGE模塊硬件初始化AT命令Table 1 Initialization AT command of the EDGE module

表2 PDU短信數(shù)據(jù)格式Table 2 PDU SMS data format

3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊的設(shè)計(jì)

從EDGE無(wú)線傳輸模塊傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)判斷程序后存入數(shù)據(jù)庫(kù)。首先在上位機(jī)的PC指定目錄下建立一個(gè)ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)Mydb.mdb,然后設(shè)置一個(gè)與此數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接的數(shù)據(jù)源 ,LabSQL便可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)Mydb.mdb直接進(jìn)行操作[15,16]。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序的主要功能包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理,采用同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中多表存儲(chǔ)的方式。該系統(tǒng)可以接收GPS定位信息、土壤含水量、土壤壓實(shí)度等土壤屬性信息及環(huán)境溫濕度信息,不同測(cè)量信息有不同的處理模塊,不同測(cè)量項(xiàng)目需要保存的字段數(shù)目和類型也不同,所以本設(shè)計(jì)預(yù)先在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加數(shù)據(jù)表和字段。MyDB.mdb數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表與字段名及字段類型統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表與字段名及字段類型Table 3 Datasheet,field names and field types of database

在實(shí)際應(yīng)用中,用戶可以預(yù)先設(shè)定地塊名(Field)和采樣點(diǎn)(Sample)這兩個(gè)參數(shù)。下面從數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與管理兩方面進(jìn)行分析。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)子模塊

系統(tǒng)根據(jù)不同測(cè)量項(xiàng)目分別設(shè)計(jì)了土壤水分、土壤壓實(shí)度、土壤溫度、土壤pH值、土壤電導(dǎo)率、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、露點(diǎn)溫度、GPS定位信息及采集時(shí)間共10個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)子模塊。這10個(gè)子模塊分別對(duì)應(yīng)在主程序?qū)崟r(shí)顯示區(qū)的每個(gè)子測(cè)量項(xiàng)目上的保存按鈕。由無(wú)線傳輸接收到的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)到一個(gè)總的數(shù)據(jù)表中,當(dāng)確定某一測(cè)量項(xiàng)目時(shí),切換到該選項(xiàng)卡,從總數(shù)據(jù)表中接收該項(xiàng)數(shù)據(jù),點(diǎn)擊保存按鈕,就會(huì)將數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)里,實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理。由有線傳輸傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)則直接選擇不同的選項(xiàng)卡存入指定數(shù)據(jù)表。以GPS信息接受為例,當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收時(shí),按下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換按鈕,同時(shí)按下“保存I”按鈕時(shí),調(diào)用GPS信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)子程序就可將GPS經(jīng)緯度數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。GPS信號(hào)子程序的前面板如圖2所示。

圖2 GPS信號(hào)接收子程序前面板Fig.2 Front panel of GPS signal receiving subVI

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理子模塊

數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)后,就可以進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)管理和分析,當(dāng)按下“連接數(shù)據(jù)庫(kù)”按鈕時(shí)就可以彈出農(nóng)田信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊前面板,主程序界面如圖3。用戶可根據(jù)自己的需要進(jìn)行農(nóng)田信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理。在管理子模塊中可以實(shí)現(xiàn)表格創(chuàng)建、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和數(shù)據(jù)刪除等功能。

圖3 農(nóng)田信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊運(yùn)行界面Fig.3 Front panel of database management module

4 系統(tǒng)運(yùn)行分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的狀況,需要對(duì)各模塊進(jìn)行測(cè)試。2009年3月26日,在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi),對(duì)各模塊運(yùn)行情況進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)表明該農(nóng)田信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能可靠,可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)多項(xiàng)農(nóng)田信息,并實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、保存、處理與數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

5 結(jié)論與討論

本系統(tǒng)基于EDGE無(wú)線通信模塊與Lab-VIEW軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的一套農(nóng)田信息遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng),該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)農(nóng)田信息的遠(yuǎn)程接收、圖形化顯示、保存查看、數(shù)據(jù)分析處理及數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能,并在分析EDGE模塊數(shù)據(jù)發(fā)送與接收原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸模塊,實(shí)現(xiàn)了對(duì)各項(xiàng)農(nóng)田信息的發(fā)送和接收。在分析農(nóng)田信息遠(yuǎn)程通訊的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,基于 LabSQL數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具包設(shè)計(jì)了農(nóng)田信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊,實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)農(nóng)田信息數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、查詢和刪除功能。

現(xiàn)階段,市面上可見到的各種基于GPRS技術(shù)的農(nóng)田信息采集系統(tǒng),但都是基于普通的GPRS,傳輸速度不及新的EDGE技術(shù)迅速,其系統(tǒng)在移動(dòng)便攜性方面還存在一定的不足。另外,目前市場(chǎng)上所見的各種信息采集議大多只能采集一項(xiàng)或幾項(xiàng)指標(biāo),不能全面的采集土壤和空氣的指標(biāo)。本文正是基于以上的各種缺陷設(shè)計(jì)了這套農(nóng)田信息采集系統(tǒng)。

本系統(tǒng)中上位機(jī)的存儲(chǔ)與下位機(jī)采集數(shù)據(jù)在開始的時(shí)候不同步,因此采集到的數(shù)據(jù)有時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)中會(huì)出現(xiàn)0顯示,當(dāng)運(yùn)行平穩(wěn)后就不會(huì)再出現(xiàn)0值。本系統(tǒng)在不影響總體結(jié)果的前提下將會(huì)用SQL語(yǔ)句查找出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù),然后刪除掉。

通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試,證明了該農(nóng)田信息遠(yuǎn)程采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足了精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中對(duì)于數(shù)據(jù)采集時(shí)效的要求,為農(nóng)田管理提供了便利,同時(shí)又節(jié)省了大量的人力和物力,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Study on the Field Information Remote Collection System Based on GPS,EDGE and LabVIEW Technology

ZHAO Hua-min,ZHANGShu-juan,WANG Feng-hua,ZHANG Hai-hong,ZHANGRuo-chen
(College of Engineering and Technology,Shanxi Agricultural University,TaiguShanxi 030801,China)

In order to collect field information efficiently and achieve precision management of agriculture production,a system was designed,which could remotely collect and monitor the field information based on GPS,EDGE and the software of LabVIEW technology.The field information included moisture content,temperature and conductivity of soil fastly,and temperature and humidity of environment.These information have been measured and positioned by using a self-designed multi-parameter field information collection instrument based on the single-chip,GPS and sensor technology.Using the characteristics of wide coverage,fast transmission,low cost of EDGE technology,measured data were transmitted to PC in real-time through the EDGE module.Measured data were transmitted into database by EDGE module and was stored and analyzed.The system using multi-functional information collection instrument and high-speed transmission technology have achieved collection for field information in real-time,efficient,accurate and low-cost,and has a wide range of applications in precision agriculture decision-making.

GPS;EDGE;LabVIEW;Field Information;Remote collection;Monitoring

S24

A

1671-8151(2010)01-0041-05

2009-11-20

2010-01-19

趙華民(1986-),男(漢),山東濰坊人,碩士研究生,主要從事數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備的研究。

張淑娟,教授,博士生導(dǎo)師。Tel:0354- 6288091;E-mail:zsujuan@263.net

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2007031109-2)

(編輯:武英耀)