李培等

摘要：為了提高傳統(tǒng)農(nóng)田土壤墑情的測(cè)量方法，采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)了農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心和多個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。根據(jù)預(yù)先規(guī)劃，監(jiān)測(cè)站部署在具有代表性的農(nóng)田，通過(guò)GPRS無(wú)線模塊接入VPN網(wǎng)絡(luò)，建立與監(jiān)控中心服務(wù)器的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，埋在地下的傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將采集時(shí)間、監(jiān)測(cè)站ID和數(shù)據(jù)打包后發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器。監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器是1臺(tái)安裝了數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)業(yè)管理軟件的計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)接收、處理、顯示、分析統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)來(lái)自各監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)小麥農(nóng)田3個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確對(duì)分布式的農(nóng)田土壤墑情進(jìn)行采集和集中管理，并建立了該區(qū)域農(nóng)田土壤墑情與時(shí)間的預(yù)警模型，為旱情預(yù)報(bào)工作提供科學(xué)有力的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：土壤墑情；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)預(yù)處理；預(yù)警模型

中圖分類(lèi)號(hào)： TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）04-0334-03

收稿日期：2013-08-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41101095）；水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：2009011019）。

作者簡(jiǎn)介：李培（1985—），女，河南新鄭人，碩士，講師，主要從事自動(dòng)化與智能控制研究。E-mail：lip1985@126.com。土壤墑情是指在特定土壤中所含水分多少的狀況，土壤水分是農(nóng)田作物生長(zhǎng)最重要的調(diào)節(jié)因子，直接影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，水分過(guò)高使作物根系無(wú)法正常呼吸而死亡，過(guò)低則會(huì)無(wú)法分解溶解施入土壤中的化學(xué)肥料，很容易因缺水而死亡，適宜的土壤墑情是作物增產(chǎn)增收的保障[1]。目前傳統(tǒng)的土壤墑情檢測(cè)方法有烘干法、張力計(jì)法、中子法或射線法、電阻法或粒狀列陣法、電容法、光電法、熱擴(kuò)散法等，但傳統(tǒng)土壤墑情監(jiān)測(cè)手段存在人工依賴(lài)性大、監(jiān)測(cè)范圍小和監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)管理困難等問(wèn)題[2]，為了改善農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)的耕作方式，用全新的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高效手段，全面推廣科學(xué)種田，確保農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)步增收，采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)了農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)，對(duì)分布在各地的各類(lèi)土壤進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)記錄，安裝在不同位置的監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)土壤墑情數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，一旦發(fā)現(xiàn)土壤水分過(guò)高或過(guò)低會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，通知管理人員及時(shí)處理，能有效降低相關(guān)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在野外長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤水分墑情變化，并能夠滿足對(duì)多個(gè)被測(cè)樣地的同時(shí)觀測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于農(nóng)田土壤所處環(huán)境非常復(fù)雜，使土壤中溫度和水分含量呈現(xiàn)垂直和水平分布的差異性，為了全面監(jiān)測(cè)土壤的溫濕度就要求分層進(jìn)行并通過(guò)多布點(diǎn)降低誤差，為了掌握土壤溫濕度隨時(shí)間的變化規(guī)律，還需要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)建立預(yù)測(cè)模型[3-5]。

農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)站、顯示器屏幕、防火墻、傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測(cè)站與遠(yuǎn)端管理服務(wù)器采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)防火墻后，建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)中每個(gè)監(jiān)測(cè)站都有獨(dú)立的地址編碼ID，事先按照一定的規(guī)則部署在不同的被監(jiān)測(cè)土壤，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在垂直上分3層監(jiān)測(cè)，每層均勻布置3個(gè)傳感器，通過(guò)GPRS無(wú)線模塊接入專(zhuān)屬VPN網(wǎng)絡(luò)，建立與監(jiān)控中心服務(wù)器的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，每隔固定時(shí)間將監(jiān)測(cè)站ID、采集時(shí)間、電源狀態(tài)、每層的溫濕度等信息打包并上傳至服務(wù)器；監(jiān)控中心服務(wù)器上運(yùn)行著專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的管理軟件，負(fù)責(zé)接收、處理、分析統(tǒng)計(jì)、顯示和存儲(chǔ)來(lái)自各監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)信息，并實(shí)時(shí)直觀集中地顯示在監(jiān)視器上，同時(shí)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)ACCESS 2003中以便進(jìn)行歷史查詢使用，也能完成歷史曲線分析、歷史報(bào)表統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)報(bào)警和建立干旱預(yù)警模型等功能。

2監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)

2.1監(jiān)測(cè)站硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)站主要由控制器MSP430F149、GPRS無(wú)線通信模塊SIM300C、溫濕度傳感器SWR-3、固態(tài)FLASH、電源監(jiān)測(cè)管理單元組成，監(jiān)測(cè)站硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

監(jiān)測(cè)站的功能比較簡(jiǎn)單，只是實(shí)現(xiàn)將編號(hào)ID、溫濕度和電源狀態(tài)等信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。由于農(nóng)田面積廣、環(huán)境復(fù)雜、大多沒(méi)有電源，布線又非常困難，系統(tǒng)采用白天將太陽(yáng)能換成電能的方式對(duì)蓄電池充電，夜間蓄電池向設(shè)備供電保證設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行，采用太陽(yáng)能保證了前端設(shè)備在不同的地理環(huán)境和不同氣候條件下也能全天候不間斷工作[6-7]。

控制器MSP430F149作為監(jiān)測(cè)站的控制核心，串行接口與GPRS模塊SIM300C的串口相連，預(yù)先在GPRS無(wú)線模塊內(nèi)放置1張有余額的SIM卡（開(kāi)通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)），通過(guò)溫濕度傳感器組采集土壤不同層面的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，將自身ID、采集時(shí)間、電源狀態(tài)、溫濕度等信息存入本地的FLASH中，并按照一定的協(xié)議進(jìn)行封包，通過(guò)向GPRS無(wú)線模塊發(fā)送AT指令控制數(shù)據(jù)的收發(fā)[8]。

2.2監(jiān)測(cè)站軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)站上電后首先進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)MSP430F149的寄存器、GPRS模塊SIM300C的工作方式和傳輸速率的配置、固態(tài)FLASH以及各接口等；然后通過(guò)向無(wú)線模塊SIM300C發(fā)送AT指令配置撥號(hào)上網(wǎng)，獲取自身的IP地址后，再主動(dòng)連接數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的IP地址和相應(yīng)的服務(wù)端口號(hào)，建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接。單片機(jī)MSP430F14通過(guò)ADC口獲取當(dāng)前蓄電池端電壓，通過(guò)溫濕度傳感器組獲取各層面上的溫濕度數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)誤差處理后，按照定義的數(shù)據(jù)格式協(xié)議將數(shù)據(jù)打包，并通過(guò)建立的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)送至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。根據(jù)預(yù)設(shè)的循環(huán)間隔，延時(shí)n秒后，繼續(xù)進(jìn)入下一次循環(huán)。監(jiān)測(cè)站與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件工作流程如圖3所示。

2.3數(shù)據(jù)誤差處理

由于被埋入土壤中的傳感器環(huán)境比較復(fù)雜，對(duì)蓄電池電源電壓的測(cè)量也具有波動(dòng)性，而測(cè)量的是某一時(shí)刻的瞬時(shí)值，使測(cè)得的數(shù)據(jù)具有不確定性和隨機(jī)性。為了降低測(cè)量誤差，采用連續(xù)5次測(cè)量取平均值的算法減小誤差，5次采樣間隔為200 ms，若某次濕度和溫度傳感器輸出值偏離5次平均值的3.0%，就認(rèn)為這次采集到的數(shù)據(jù)誤差過(guò)大，剔除后求剩余4次的平均值，以此類(lèi)推[9-10]。

3數(shù)據(jù)中心服務(wù)器管理軟件

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器管理軟件采用C++Builder設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)用TCP Server控件建立與各監(jiān)測(cè)站的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，利用ACCESS 2003作為數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，軟件具有數(shù)據(jù)接收、預(yù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、實(shí)時(shí)顯示、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表打印、報(bào)警與應(yīng)急和墑情預(yù)測(cè)模型建立等模塊單元。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器系統(tǒng)框架如圖4所示。

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器一直保持與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)交互，一旦發(fā)現(xiàn)土壤水分過(guò)高或過(guò)低會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，并提醒值班人員察看顯示畫(huà)面，通知對(duì)應(yīng)管理人員及時(shí)處理，能有效降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。數(shù)據(jù)庫(kù)管理通過(guò)對(duì)大量歷史資料數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、處理和分析，建立土壤墑情與時(shí)間的預(yù)測(cè)模型，為今后預(yù)防工作提供積極的指導(dǎo)和參考決策價(jià)值。

4結(jié)果與分析

5結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性差和管理難的問(wèn)題，利用覆蓋廣泛的GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通信方式，采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)了農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了分布式監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的集中管理。通過(guò)對(duì)3個(gè)區(qū)域的小麥土壤墑情監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，精確地獲取了每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直3層的溫度數(shù)據(jù)，最終評(píng)估出每片區(qū)域的土壤墑情，指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)灌溉，并能為職能管理部門(mén)提供及時(shí)可靠數(shù)據(jù)，有效地解決了傳統(tǒng)農(nóng)田作業(yè)的人工粗放式管理方式，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物規(guī)范化、科學(xué)化和信息化的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)管理具有重要意義。

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3數(shù)據(jù)中心服務(wù)器管理軟件

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器管理軟件采用C++Builder設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)用TCP Server控件建立與各監(jiān)測(cè)站的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，利用ACCESS 2003作為數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，軟件具有數(shù)據(jù)接收、預(yù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、實(shí)時(shí)顯示、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表打印、報(bào)警與應(yīng)急和墑情預(yù)測(cè)模型建立等模塊單元。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器系統(tǒng)框架如圖4所示。

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器一直保持與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)交互，一旦發(fā)現(xiàn)土壤水分過(guò)高或過(guò)低會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，并提醒值班人員察看顯示畫(huà)面，通知對(duì)應(yīng)管理人員及時(shí)處理，能有效降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。數(shù)據(jù)庫(kù)管理通過(guò)對(duì)大量歷史資料數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、處理和分析，建立土壤墑情與時(shí)間的預(yù)測(cè)模型，為今后預(yù)防工作提供積極的指導(dǎo)和參考決策價(jià)值。

4結(jié)果與分析

5結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性差和管理難的問(wèn)題，利用覆蓋廣泛的GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通信方式，采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)了農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了分布式監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的集中管理。通過(guò)對(duì)3個(gè)區(qū)域的小麥土壤墑情監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，精確地獲取了每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直3層的溫度數(shù)據(jù)，最終評(píng)估出每片區(qū)域的土壤墑情，指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)灌溉，并能為職能管理部門(mén)提供及時(shí)可靠數(shù)據(jù)，有效地解決了傳統(tǒng)農(nóng)田作業(yè)的人工粗放式管理方式，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物規(guī)范化、科學(xué)化和信息化的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)管理具有重要意義。

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3數(shù)據(jù)中心服務(wù)器管理軟件

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器管理軟件采用C++Builder設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)用TCP Server控件建立與各監(jiān)測(cè)站的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，利用ACCESS 2003作為數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，軟件具有數(shù)據(jù)接收、預(yù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、實(shí)時(shí)顯示、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表打印、報(bào)警與應(yīng)急和墑情預(yù)測(cè)模型建立等模塊單元。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器系統(tǒng)框架如圖4所示。

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器一直保持與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)交互，一旦發(fā)現(xiàn)土壤水分過(guò)高或過(guò)低會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，并提醒值班人員察看顯示畫(huà)面，通知對(duì)應(yīng)管理人員及時(shí)處理，能有效降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。數(shù)據(jù)庫(kù)管理通過(guò)對(duì)大量歷史資料數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、處理和分析，建立土壤墑情與時(shí)間的預(yù)測(cè)模型，為今后預(yù)防工作提供積極的指導(dǎo)和參考決策價(jià)值。

4結(jié)果與分析

5結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性差和管理難的問(wèn)題，利用覆蓋廣泛的GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通信方式，采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)了農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了分布式監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的集中管理。通過(guò)對(duì)3個(gè)區(qū)域的小麥土壤墑情監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，精確地獲取了每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直3層的溫度數(shù)據(jù)，最終評(píng)估出每片區(qū)域的土壤墑情，指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)灌溉，并能為職能管理部門(mén)提供及時(shí)可靠數(shù)據(jù)，有效地解決了傳統(tǒng)農(nóng)田作業(yè)的人工粗放式管理方式，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物規(guī)范化、科學(xué)化和信息化的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)管理具有重要意義。

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