鐘國(guó)財(cái)　郝澤亮　謝東東　潘庭龍

摘 要：土壤的水分和環(huán)境溫度都在一定程度上影響著植物的生長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)，文中對(duì)采用主從結(jié)構(gòu)的土壤墑情采集系統(tǒng)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。主要包含基于SI4432的無(wú)線射頻通信、基于SIM900A的GPRS（無(wú)線通信）、上位機(jī)信息管理系統(tǒng)三部分。測(cè)量系統(tǒng)的主站與從站通過(guò)SI4432通信，主站收集各從站的測(cè)量信息并通過(guò)GPRS通信上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，墑情信息管理系統(tǒng)從服務(wù)器提取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，直觀地顯示在用戶界面上，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程顯示及監(jiān)控，為作物的最佳灌溉時(shí)間提供參考。

關(guān)鍵詞：SI4432；無(wú)線射頻通信；GPRS；信息管理系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）03-00-03

0 引 言

水資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要，土壤水分含量是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程的重要物理參數(shù)[1]。土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土壤墑情（土壤濕度）長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)溫度、濕度數(shù)據(jù)的大量采集與處理，繪制出相應(yīng)的曲線，有利于詳細(xì)分析土壤情況，對(duì)解決與土地相關(guān)行業(yè)出現(xiàn)的諸多問(wèn)題有著積極的作用[2] 。

盡管我國(guó)各級(jí)相關(guān)土地部門(mén)在土地信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建方面取得了較大進(jìn)步，但是問(wèn)題依然存在[3]。例如，我國(guó)墑情監(jiān)測(cè)工作相對(duì)薄弱，土壤水分信息采集手段比較落后，系統(tǒng)各方面建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，建設(shè)的內(nèi)容不規(guī)范，取得的建設(shè)成果千差萬(wàn)別，這些都不利于管理和運(yùn)維墑情信息系統(tǒng)的工作[4]。本文設(shè)計(jì)了土壤墑情管理系統(tǒng)，用以取代傳統(tǒng)的人工采集、處理土壤信息方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地情況高效、便利的檢測(cè)，實(shí)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，為作物的最佳灌溉時(shí)間提供參考。

1 土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的土壤水分測(cè)量系統(tǒng)包括主站數(shù)據(jù)采集和從站數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)刹糠?，如圖1所示。每個(gè)從站傳感器包含數(shù)字溫度傳感器和土壤水分傳感器，分別用來(lái)采集土壤的溫度和水分信息，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)SI4432傳輸給主站采集器，由主站通過(guò)GPRS統(tǒng)一將信息發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊

2.1 主從站無(wú)線通信模塊

主站與從站之間采用無(wú)線射頻模塊SI4432進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中SI4432是高度集成的單芯片無(wú)線ISM收發(fā)器件。 EZRadioPRO系列包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和射頻收發(fā)器，設(shè)計(jì)工程師可以選擇利用其中的無(wú)線部分。SI4432的高度集成可以降低BOM，同時(shí)簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)。極低的接收靈敏度，加上工業(yè)界領(lǐng)先的+20 dBm輸出功率，內(nèi)置天線多樣化和支持跳頻[5]，保證了傳輸范圍和穿透能力。

主站傳感器具有數(shù)據(jù)采集器的功能，每個(gè)主站與多個(gè)從站進(jìn)行通信，主從站之間通過(guò)SI4432無(wú)線收發(fā)模塊的廣播通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主站不斷廣播，廣播的信息結(jié)構(gòu)為從站地址及對(duì)應(yīng)的配置信息，如AY3600，其中第1個(gè)字節(jié)A表示從站編號(hào)，第2個(gè)字節(jié)Y表明是否更改測(cè)量周期，Y表示更改，N表示不更改；數(shù)據(jù)3 600（s）表示更改后的測(cè)量周期。主站廣播流程如圖2所示。

從站傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量完畢后等待主站廣播，收到廣播本站地址后立即反饋信息給主站，兩者建立通信，接收主站發(fā)送的配置信息并解析，之后發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)給主站，直至收到主站確認(rèn)數(shù)據(jù)正確接收的信息后，結(jié)束與主站的通信，從站進(jìn)入待機(jī)模式，等待下一次喚醒測(cè)量。從站應(yīng)答流程如圖3所示。

2.2 基于SIM900的GPRS無(wú)線通信

主站采集器對(duì)各從站發(fā)來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸將信息上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，同時(shí)上位機(jī)也將參數(shù)修改信息返回到主站。本設(shè)計(jì)采用的無(wú)線傳輸模塊為SIM900A。SIM900A是SIMCOM公司研發(fā)的工業(yè)級(jí)雙頻GSM/GPRS模塊，工作頻段為雙頻900/1 800 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音，SMS（短信，不支持彩信），數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸[6]。GPRS有許多優(yōu)勢(shì)，包括資源利用率高、傳輸速率高、接入時(shí)間短、支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議等[7]。

主站通過(guò)GPRS傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)的信息主要有三種，分別是獲取參數(shù)修改信息請(qǐng)求、土壤墑情信息、傳感器地理位置信息。為了便于區(qū)分，這三種信息請(qǐng)求分別有各自的標(biāo)識(shí)。獲取參數(shù)修改信息請(qǐng)求的標(biāo)識(shí)是“44”，土壤墑情信息的標(biāo)識(shí)是“33”，采集器地理位置信息的標(biāo)識(shí)是“22”。通過(guò)識(shí)別這三種信息的標(biāo)識(shí)來(lái)判斷其區(qū)別，進(jìn)而服務(wù)器對(duì)其分別進(jìn)行處理，具體流程如圖4所示。

3 土壤墑情信息管理模塊

土壤墑情信息管理系統(tǒng)主要是面對(duì)用戶需求的上位機(jī)操作系統(tǒng)，用來(lái)滿足用戶多方面的需求[8]。用HTML編寫(xiě)動(dòng)態(tài)Web網(wǎng)頁(yè)界面，并在HTML中嵌入PHP語(yǔ)言編寫(xiě)的后臺(tái)運(yùn)行代碼，操作云端MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)信息，并借助一些組件來(lái)完成數(shù)據(jù)的處理操作[9]。概括來(lái)說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)方面，即前臺(tái)網(wǎng)頁(yè)界面、后臺(tái)數(shù)據(jù)信息識(shí)別與處理及MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

土壤墑情信息管理系統(tǒng)的初始界面應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)潔、明了，通過(guò)超鏈接的方式打開(kāi)該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示以及參數(shù)修改界面，如圖5所示。

參數(shù)設(shè)置界面主要用于輸入修改的參數(shù)，并將這些參數(shù)通過(guò)后臺(tái)代碼傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)并存儲(chǔ)。參數(shù)修改界面如圖6所示。

數(shù)據(jù)的顯示功能實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

歷史數(shù)據(jù)顯示界面的傳感器位置信息等都可以實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)點(diǎn)擊歷史數(shù)據(jù)顯示界面的“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示”，就可以運(yùn)用超鏈接跳轉(zhuǎn)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面，該界面的主要樣式如圖8所示。

在歷史數(shù)據(jù)顯示界面中選取所需數(shù)據(jù)的傳感器編號(hào)后，能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)顯示所選取傳感器設(shè)備檢測(cè)到的最新數(shù)據(jù)信息，并且可以以折線圖的形式顯示不同節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。包括歷史數(shù)據(jù)顯示界面的地理位置信息，通過(guò)設(shè)置500 ms/次的掃描，確保數(shù)據(jù)的快速動(dòng)態(tài)更新。為了動(dòng)態(tài)地獲取PHP后臺(tái)程序返回的數(shù)組信息，HTML網(wǎng)頁(yè)程序需要調(diào)用JavaScript中的$.ajax方法。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文將從站傳感器與主站采集器相結(jié)合，利用無(wú)線射頻模塊SI4432進(jìn)行通信，采用信息應(yīng)答方式確保兩者之間信息的正確傳輸。主站采集器利用GPRS無(wú)線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控帶來(lái)極大便利。上位機(jī)的墑情信息管理系統(tǒng)以MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，通過(guò)PHP后臺(tái)程序與數(shù)據(jù)檢測(cè)端進(jìn)行信息交互，將土壤水分傳感器檢測(cè)到的信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，并將傳感器的參數(shù)設(shè)置信息發(fā)送到下位機(jī)。同時(shí)通過(guò)HTML構(gòu)建Web動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)即上位機(jī)界面，利用嵌入的PHP后臺(tái)程序完成數(shù)據(jù)信息的處理，實(shí)現(xiàn)Web網(wǎng)頁(yè)與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的信息交互，完成滿足用戶需求的數(shù)據(jù)顯示工作。

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