全國自動土壤水分觀測運行監控APP設計

曹婷婷++吳東麗++沈超++朱東紅

摘要 基于安卓平臺搭建了一套針對我國2 000多個氣象觀測站的自動土壤水分觀測運行監控APP，軟件采用伸縮性部署架構，內部通過數據交換總線進行數據交互，數據中間件通過HTTP API接口為APP提供數據服務。該軟件能夠實現自動土壤水分儀設備故障診斷、濕度數據產品統計、觀測數據產品分析及站點管理等功能，可自動生成數據異常、設備故障的類型及其原因分析，并推送至農業氣象員手中；軟件建立了一套土壤水分數據質量控制算法、觀測設備故障維修分析庫等，實現了觀測數據的統計分析，為農業氣象干旱實時監測和站點設備高效運行提供了技術支撐。

關鍵詞 農業干旱監測；土壤水分觀測；運行監控；APP設計

中圖分類號 S152.7；P412 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）19-0195-02

Abstract Based on the Android platform，a set of automatic soil moisture observation monitoring APP was set up for more than 2 000 national meteorological observations.The software used adjustable deployment structure，and the internal data was exchanged through the data exchange bus.The data middleware provided data services to the APP through the HTTP API interface.The software could realize automatic soil moisture meter failure diagnosis，humidity and temperature data product statistics，observation data product analysis，site management，etc.The software could automatically generate abnormal data and equipment fault types，and also the cause analysis，then push to the agricultural weatherman.The software established a set of soil moisture data quality control algorithm，and the observation equipment failure maintenance analysis database，etc.The statistical analysis of observed data was realized，so as to provide technical supports for the real-time monitoring of agricultural meteorological drought and the efficient operation of site equipment.

Key words agriculture drought monitoring；soil moisture observation；running monitoring；APP design

農業干旱是我國最主要的農業氣象災害，因農業干旱造成的經濟損失遠超過任何其他農業氣象災害。在全球氣候變化背景下，近年來我國農業干旱發生更為頻繁。干旱持續時間之長、影響地域之廣為歷史罕見，引起了中央和各級政府的高度關注，目前農業干旱已經成為我國農業持續穩定發展的嚴重障礙。而氣象部門多年來采用人工監測干旱的頻率和效率已遠不能滿足決策部門和公眾對干旱監測的需求。

自動土壤水分觀測站是為了在氣候變化背景下提高農業干旱監測水平而建設，截至目前，我國氣象觀測自動土壤水分站已建設2 000多套，形成了較為有效的土壤水分監測網絡[1-4]。隨著手機應用的普及，越來越多的應用移動化需求浮出水面，傳統的工作方式逐漸被移動化方式所取代。目前氣象領域，無論是管理人員、業務人員還是基層觀測人員，所涉及到的網絡應用競相向移動應用發展，智慧氣象領域的APP應用雨后春筍般出現，這將全面提升氣象自動監測效率和服務能力。而目前現有的土壤水分業務應用軟件和監控軟件大多是基于PC端開發，已無法滿足觀測人員對移動應用日益增長的需求。因此，在移動終端開發一套自動土壤水分觀測儀設備運行監控APP，隨時隨地進行設備保障和貼身的土壤水分監測與預報服務，將會大大提高自動土壤水分觀測儀的運行監控能力和保障時效。

1 總體設計

自動土壤水分觀測儀設備運行監控APP在安卓平臺上搭建，兼顧業務發展要求和發展態勢，結合土壤水分監測業務的實際情況，建設技術領先、安全可靠、整合土壤水分自動監測基本業務和數據應用于一體的APP應用軟件。APP以全國2 000多個自動土壤水分觀測站數據為基礎，提供實時監控、數據查詢、統計、分析等功能，可自動生成數據異常和設備故障類型和原因分析，并推送到手機APP用戶。

系統設計充分保證設計思想、系統架構、應用功能等方面適當超前定位，能夠滿足土壤水分監測業務未來幾年發展的需要，具備較好的開放性與可擴充性，便于在現有的平臺上拓展升級新的應用。

1.1 設計原則

（1）經濟性。整個項目以現有需求為基礎，充分考慮發展的需要來確定系統的規模，既要降低系統的初期投入，又能滿足服務對象的需求，同時系統設計應充分考慮對已有投資的保護，對已建立的系統、數據、應用軟件應提供完備的整合方案。

（2）先進性。采用先進成熟的技術，確保平臺應用軟件的先進性、經濟性和實用性；同時，在滿足現期功能的前提下，系統設計具有前瞻性，在今后較長時間內保持一定的技術先進性。

（3）安全性。軟件采用的應用框架及平臺本身提供應用安全保證，對于操作人員，只允許具有相應權限的人進行相應的操作，從而保證數據的安全性和保密性；另外，提供用戶、角色、權限3級安全控制管理。

（4）開放性。軟件系統對于各類業務系統、數據庫系統等具有通用的或可定制的接口策略。

（5）可靠性。保證平臺的可靠運行和在升級過程中的方便快捷。

（6）可擴展性。軟件應分層模塊化設計，可以根據需求的變化，進行功能的調整、增減、模塊的升級和系統架構的完善；根據接口文檔，能夠快速方便地進行二次開發。

（7）可維護性。軟件操作簡單，實用性高，具有易操作、易維護的特點，具有專業的管理維護接口，方便系統維護。

1.2 系統網絡架構

采用伸縮性部署架構，可根據以后發展將數據庫服務器、數據中間件服務器分布式部署，內部通過數據交換總線進行數據交互，數據中間件通過HTTP API接口為APP提供數據服務（圖1）。

1.3 系統技術架構

采用3層架構結合Restful API技術于一體，系統劃分即數據層、業務邏輯層、應用層（表現層）。其中數據層體現為數據庫、文件和其他格式的應用程序數據。業務邏輯層直接從數據層獲取數據，并為應用表現層提供數據接口和相關服務。應用層（表現層）負責服務接口的調用和用戶交互邏輯。

（1）數據層。數據層是數據庫中實際存儲的數據。數據層按照規范和標準，對數據資源進行標準化處理、交換以及管理。主要指土壤水分數據庫（Soil Moisture），數據庫平臺采用SQL Server或者Oracle，數據訪問方式采用JDBC。

（2）業務邏輯層。支持表現層所需的所有邏輯和處理，主要負責系統大部分的業務邏輯和數據處理，它從數據層獲取數據，然后根據業務規則，將獲取的數據進行封裝、處理成JSON數據包提供給表現層。

（3）應用層（表現層）。在業務邏輯層的基礎上，開發自動土壤水分觀測系統手機APP，APP提供統一用戶服務入口，依據用戶權限提供信息查詢和分析的功能。通過規范化流程、友好界面和方便性操作設計，為業務人員、設備保障人員和領導決策提供監測數據信息、設備狀態信息、數據異常和故障報警等信息服務。

另外，系統可以提供API、數據庫接口、文件等來實現與第三方的應用系統集成。

2 主要功能

自動土壤水分運行監控APP主要針對全國自動土壤水分觀測設備進行運行監控，同時兼顧觀測數據質量監控和觀測產品支持服務的軟件。其能實現自動土壤水分儀設備故障診斷、濕度數據產品統計、觀測數據產品分析及站點管理等功能（圖2）。用戶主要是全國各級農業氣象觀測的運行監控和技術保障部門。

2.1 觀測數據

當前觀測實時數據通過列表或者其他視圖形式展示當前時次單站單要素所有層次的土壤水分數據，并根據系統設定值自動判斷當前墑情狀況（適宜、輕旱、重旱等），還可提出農事操作建議（比如是否需要灌溉等）。針對過往歷史觀測數據可從一天當中選出典型時次（如正午12：00）的墑情數據，展示選中站點單層單要素最近1周或者1個月的數據走勢，用曲線或者時間軸列表形式顯示（圖3）。

2.2 統計分析

軟件可對選中站點單層單要素統計出最大值、最小值、平均值，以柱狀圖或其他形式進行展示，統計時間跨度可以是1 d、1周、1旬等[5]。

2.3 數據質量控制

數據質量控制主要包括農業氣候極值、土壤濕度閾值、整點數據缺測、降幅異常值、恒值異常、文件格式檢查等內容。質量檢查后的結果可通過軟件進行顯示和查詢，列出質控異常站點和明細、臺站聯系人、聯系方式等（圖4）。

2.4 故障診斷

故障診斷是自動土壤水分觀測儀故障分析問答知識庫[5]，主要包括典型故障表現形式、對故障原因的經驗判斷以及故障的處理建議。在故障分析頁面中，系統會自動讀取常見設備故障類型知識庫并以列表形式進行展示，給出具體操作指導意見和建議，設計的頁面展示框圖見圖5。

3 結語

本文所介紹的全國自動土壤水分運行監控APP實現了農業氣象觀測中自動土壤水分觀測儀的運行監控以及觀測數據的統計分析，為農業氣象干旱實時監測和站點設備高效運行提供了技術支撐。通過該軟件的開發積累了一定開發設計經驗，培養了一批農業氣象自動化觀測技術人才。

4 參考文獻

[1] 宋連春，李偉.綜合氣象觀測系統的發展[J].氣象，2008，34（3）：3-9.

[2] 吳冬麗，梁海河，曹婷婷.中國自動土壤水分觀測網運行監控系統建設[J].氣象科技，2014，42（2）：278-282.

[3] 吳冬麗，曹婷婷，薛紅喜.自動土壤水分觀測數據質量控制方法及其應用[J].土壤科學，2016，4（1）：1-10.

[4] 韓帥，師春香，林泓錦，等.CLDAS土壤濕度業務產品的干旱監測應用[J].冰川凍土，2015，37（2）：446-453.

[5] 周旭輝，王黎明，王建波，等.FDR自動土壤水分數據標定問題及解決方法[J].氣象科技，2016，44（4）：535-541.