基于C/S架構的農田土壤墑情數據采集與管理系統

2014-07-11 08:14:28李培等

江蘇農業科學 2014年4期

李培等

摘要：為了提高傳統農田土壤墑情的測量方法，采用C/S架構設計了農田土壤墑情數據采集與管理系統，系統由數據監測中心和多個監測站組成。根據預先規劃，監測站部署在具有代表性的農田，通過GPRS無線模塊接入VPN網絡，建立與監控中心服務器的TCP/IP網絡連接，埋在地下的傳感器采集溫濕度數據，經過數據預處理后，將采集時間、監測站ID和數據打包后發送到數據監測中心的服務器。監測中心服務器是1臺安裝了數據庫和專業管理軟件的計算機，負責接收、處理、顯示、分析統計和存儲來自各監測站的數據。通過對小麥農田3個點的監測試驗表明，系統工作穩定可靠，能夠準確對分布式的農田土壤墑情進行采集和集中管理，并建立了該區域農田土壤墑情與時間的預警模型，為旱情預報工作提供科學有力的數據支持。

關鍵詞：土壤墑情；遠程監測；數據預處理；預警模型

中圖分類號： TP274+.2 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）04-0334-03

收稿日期：2013-08-17

基金項目：國家自然科學基金（編號：41101095）；水利部公益性行業科研專項（編號：2009011019）。

作者簡介：李培（1985—），女，河南新鄭人，碩士，講師，主要從事自動化與智能控制研究。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，土壤水分是農田作物生長最重要的調節因子，直接影響作物對養分的吸收，水分過高使作物根系無法正常呼吸而死亡，過低則會無法分解溶解施入土壤中的化學肥料，很容易因缺水而死亡，適宜的土壤墑情是作物增產增收的保障[1]。目前傳統的土壤墑情檢測方法有烘干法、張力計法、中子法或射線法、電阻法或粒狀列陣法、電容法、光電法、熱擴散法等，但傳統土壤墑情監測手段存在人工依賴性大、監測范圍小和監測統計管理困難等問題[2]，為了改善農業傳統的耕作方式，用全新的現代科學技術高效手段，全面推廣科學種田，確保農產品的穩步增收，采用C/S架構設計了農田土壤墑情數據采集與管理系統，對分布在各地的各類土壤進行長期監測記錄，安裝在不同位置的監測站監測土壤墑情數據并實時傳輸到監測中心，一旦發現土壤水分過高或過低會自動觸發報警，通知管理人員及時處理，能有效降低相關人員的勞動強度。

1系統設計

土壤墑情監測系統能夠在野外長時間連續監測土壤水分墑情變化，并能夠滿足對多個被測樣地的同時觀測，監測數據存儲在數據中心的數據庫中。由于農田土壤所處環境非常復雜，使土壤中溫度和水分含量呈現垂直和水平分布的差異性，為了全面監測土壤的溫濕度就要求分層進行并通過多布點降低誤差，為了掌握土壤溫濕度隨時間的變化規律，還需要通過長時間監測建立預測模型[3-5]。

農田土壤墑情數據采集與管理系統主要由監控中心管理服務器、數據庫、監測站、顯示器屏幕、防火墻、傳輸網絡組成。系統總體結構如圖1所示。監測站與遠端管理服務器采用C/S架構設計，通過GPRS網絡接入Internet網絡，經過防火墻后，建立TCP/IP網絡連接，實現數據交互。

系統中每個監測站都有獨立的地址編碼ID，事先按照一定的規則部署在不同的被監測土壤，每個監測點在垂直上分3層監測，每層均勻布置3個傳感器，通過GPRS無線模塊接入專屬VPN網絡，建立與監控中心服務器的TCP/IP網絡連接，每隔固定時間將監測站ID、采集時間、電源狀態、每層的溫濕度等信息打包并上傳至服務器；監控中心服務器上運行著專業設計的管理軟件，負責接收、處理、分析統計、顯示和存儲來自各監測站的數據信息，并實時直觀集中地顯示在監視器上，同時將數據存入數據庫ACCESS 2003中以便進行歷史查詢使用，也能完成歷史曲線分析、歷史報表統計、自動報警和建立干旱預警模型等功能。

2監測站設計

2.1監測站硬件結構

監測站主要由控制器MSP430F149、GPRS無線通信模塊SIM300C、溫濕度傳感器SWR-3、固態FLASH、電源監測管理單元組成，監測站硬件結構如圖2所示。

監測站的功能比較簡單，只是實現將編號ID、溫濕度和電源狀態等信息發送到數據中心。由于農田面積廣、環境復雜、大多沒有電源，布線又非常困難，系統采用白天將太陽能換成電能的方式對蓄電池充電，夜間蓄電池向設備供電保證設備的連續運行，采用太陽能保證了前端設備在不同的地理環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作為監測站的控制核心，串行接口與GPRS模塊SIM300C的串口相連，預先在GPRS無線模塊內放置1張有余額的SIM卡（開通數據業務），通過溫濕度傳感器組采集土壤不同層面的數據，經過數據處理后，將自身ID、采集時間、電源狀態、溫濕度等信息存入本地的FLASH中，并按照一定的協議進行封包，通過向GPRS無線模塊發送AT指令控制數據的收發[8]。

2.2監測站軟件設計

監測站上電后首先進行初始化，包括單片機MSP430F149的寄存器、GPRS模塊SIM300C的工作方式和傳輸速率的配置、固態FLASH以及各接口等；然后通過向無線模塊SIM300C發送AT指令配置撥號上網，獲取自身的IP地址后，再主動連接數據中心服務器的IP地址和相應的服務端口號，建立TCP/IP網絡連接。單片機MSP430F14通過ADC口獲取當前蓄電池端電壓，通過溫濕度傳感器組獲取各層面上的溫濕度數據，對這些數據經過誤差處理后，按照定義的數據格式協議將數據打包，并通過建立的TCP/IP網絡連接發送至數據中心服務器。根據預設的循環間隔，延時n秒后，繼續進入下一次循環。監測站與數據中心服務器采用C/S架構設計，軟件工作流程如圖3所示。

2.3數據誤差處理

由于被埋入土壤中的傳感器環境比較復雜，對蓄電池電源電壓的測量也具有波動性，而測量的是某一時刻的瞬時值，使測得的數據具有不確定性和隨機性。為了降低測量誤差，采用連續5次測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%，就認為這次采集到的數據誤差過大，剔除后求剩余4次的平均值，以此類推[9-10]。

3數據中心服務器管理軟件

數據中心服務器管理軟件采用C++Builder設計，通過調用TCP Server控件建立與各監測站的TCP/IP網絡連接進行數據交互，利用ACCESS 2003作為數據庫進行數據存儲，軟件具有數據接收、預處理、數據庫管理、實時顯示、統計分析、報表打印、報警與應急和墑情預測模型建立等模塊單元。數據中心服務器系統框架如圖4所示。

數據中心服務器一直保持與各監測點的網絡連接和數據交互，一旦發現土壤水分過高或過低會自動觸發報警，并提醒值班人員察看顯示畫面，通知對應管理人員及時處理，能有效降低人員的勞動強度。數據庫管理通過對大量歷史資料數據進行查詢、處理和分析，建立土壤墑情與時間的預測模型，為今后預防工作提供積極的指導和參考決策價值。

4結果與分析

5結論

針對傳統農田土壤墑情監測實時性差和管理難的問題，利用覆蓋廣泛的GPRS網絡作為通信方式，采用C/S架構設計了農田土壤墑情數據采集與管理系統，實現了分布式監測站點的集中管理。通過對3個區域的小麥土壤墑情監測試驗，精確地獲取了每個監測點的垂直3層的溫度數據，最終評估出每片區域的土壤墑情，指導農民科學灌溉，并能為職能管理部門提供及時可靠數據，有效地解決了傳統農田作業的人工粗放式管理方式，對實現農作物規范化、科學化和信息化的現代化農業管理具有重要意義。

參考文獻：

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