基于Spring的土壤檢測及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

王甜 李旭輝 楊開世 杜佳舉 白宇珩 代永強

摘要：由于多年人為和自然因素的綜合作用，使得干旱、半干旱甚至半濕潤地區(qū)自然環(huán)境退化，世界環(huán)境部分出現(xiàn)荒漠化，抑制荒漠化的主要措施是解決植被問題。

土壤檢測及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)運用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術，旨在為貧瘠土壤環(huán)境檢測及提供植被種植的參考方案。系統(tǒng)為植物種植工作者提供了一個較為科學完備的數(shù)據(jù)庫，在一些貧瘠土地上工作時不僅可以通過直接搜索關鍵字進行得到植物的相關數(shù)據(jù)，還可以通過模擬環(huán)境以及利用硬件實時檢測的方法，匹配相應適宜的植物作為參考數(shù)據(jù)，為當?shù)丨h(huán)境篩選出最恰當?shù)闹参铮瑴p少多次實驗的不必要性。

關鍵詞：西部大開發(fā);生態(tài)環(huán)境;大數(shù)據(jù);土壤元素;數(shù)據(jù)分析

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）30-0132-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著人們對生活質量要求的提高，生態(tài)環(huán)境建設逐漸變成關注的要點，其中土地沙漠化引起人們廣泛的關注。自國家確定開始西部大開發(fā)規(guī)劃以來，我國西部作為經(jīng)濟建設的一重點戰(zhàn)略地區(qū)，而嚴酷的環(huán)境卻是阻擋國家建設的一大難題，因此我國西部生態(tài)環(huán)境建設成為重中之重的任務。而對于生態(tài)環(huán)境建設不單單只是防止土地荒漠化這一項內容，對于絕大多數(shù)西北地區(qū)而言，水土流失嚴重，土地鹽堿化，氣候日夜溫差大，降水量少，植被種植自當主要的問題;而解決這些問題首先需要科學得恢復適宜當?shù)厣L的自然植被，所選用的植被必須是要符合當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，種樹或者種草的人為恢復方法都必須遵循當?shù)刂脖谎萏婕吧鷳B(tài)規(guī)律。

本套系統(tǒng)硬件與軟件技術相結合，使得整套系統(tǒng)首先具有數(shù)據(jù)檢測的功能，檢測溫度、PH等土壤元素的多個傳感器進行組合構成硬件部分，利用硬件設備可以對一定區(qū)域土壤中溫度、濕度以及pH數(shù)據(jù);其次，系統(tǒng)提供了較為完備的數(shù)據(jù)庫，利用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)知識將數(shù)據(jù)分析整理，為檢測的區(qū)域樣方找到合適的植被建議使得數(shù)據(jù)更加的具有實用性和科學性。

1 可行性分析

1.1 要求

此系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)檢測和環(huán)境模擬兩大功能。軟件用于供給用戶可視化界面，包括植物信息搜索、環(huán)境檢測數(shù)據(jù)獲取、環(huán)境模擬結果等等。硬件系統(tǒng)用以檢測土壤數(shù)據(jù)并實現(xiàn)存儲等。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)必要性

1）土壤酸堿度（pH）對植物的影響。土壤的酸堿度對植被的生長情況影響特別大。一般來說，中性土壤環(huán)境中的各種養(yǎng)分對于植物來說更容易被吸收，也更有利于植物的生長，也更能促進植被產(chǎn)量的提高，適合絕大部分植物的生長。因此，土壤上種植植物的選取要根據(jù)土壤所具有的特性。

2）土壤濕度對植物的影響。土壤濕度指土壤含水量的多少，土壤濕度很大程度會影響植物的生長發(fā)育，沙漠、半沙漠地區(qū)形成的最主要原因就是土壤含水量低，絕大部分部分植物難以在缺水的環(huán)境下生存，從而逐漸消失，土壤裸露在外，常年遭受風沙侵蝕，形成沙漠。因此，不同的植物對于環(huán)境適應的能力不同，而當我們清楚地掌握這些數(shù)據(jù)之后，植物便能更好的生長。

通過以上的研究和分析，認為系統(tǒng)的開發(fā)獲得效益大于投入，所以開發(fā)項目是可行的。

2 系統(tǒng)總體設計

完整的土壤檢測及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要由3個部分構成，即硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和植物數(shù)據(jù)庫。

硬件系統(tǒng)主要用于對土壤中給各個元素的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)檢測方面，使用溫度、濕度、PH等多個傳感器以及Arduion開發(fā)板，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢測并對采集獲得的數(shù)據(jù)進行進一步的處理，將數(shù)據(jù)傳入軟件緩沖數(shù)據(jù)庫，然后再交由軟件完成接下來的步驟。

軟件系統(tǒng)主要為用戶提供一個可視化界面以及數(shù)據(jù)分析功能，采用vue開發(fā)整個電腦端頁面，軟件后端提供處理數(shù)據(jù)的相應接口用來處理硬件設備傳回的數(shù)據(jù)，軟件將存儲在緩沖數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)調用進來進行分析，并進行用戶交互，對所收集到的數(shù)據(jù)進行篩選，處理和選擇。

數(shù)據(jù)庫中主要存放硬件設備在土壤中采集到的數(shù)據(jù)，進行軟件與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互，植物數(shù)據(jù)庫包含植物的各種信息，具體反映了植物的基本信息以及植物生長所需要的環(huán)境，例如PH、生長適宜溫度、濕度、海拔高度、年降水量等。系統(tǒng)功能圖如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設計

土壤檢測及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)硬件系統(tǒng)構成包括計算機與一些外圍設備，主要實現(xiàn)土壤環(huán)境的數(shù)據(jù)檢測、輸入、存儲、輸出等。

3.1 硬件構成

1）數(shù)據(jù)輸入設備。包括溫度傳感器、濕度傳感器、pH傳感器，以及Arduion開發(fā)板、樹莓派等設備。

2）數(shù)據(jù)存儲設備。主要采用樹莓派和服務器數(shù)據(jù)庫存儲環(huán)境數(shù)據(jù)，樹莓派是一種卡片式的便攜電腦，具有電腦的所有基本功能，在樹莓派上安裝Linux系統(tǒng)，即可以安裝MySQL來獲取傳感器的數(shù)據(jù)并存儲在樹莓派的本地數(shù)據(jù)庫里。同時使用云服務器的數(shù)據(jù)庫與樹莓派的數(shù)據(jù)庫連接，使數(shù)據(jù)網(wǎng)絡化，供給軟件系統(tǒng)使用。

3.2 硬件功能設計

傳感器通過接觸被檢測環(huán)境而獲取環(huán)境的具體信息，并且將所測得的數(shù)據(jù)通過Arduion開發(fā)板傳至樹莓派本地數(shù)據(jù)庫中，由于樹莓派本地數(shù)據(jù)庫不能滿足系統(tǒng)的需求，故通過在樹莓派上編寫python程序來連接云端數(shù)據(jù)庫，將傳感器測得的、暫時儲存在樹莓派本地環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云服務器，系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)時直接從服務器端得到數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分主要包括三個功能。數(shù)據(jù)查找，用戶通過搜索植物名或關鍵字等，從而獲取與該植物有關的植物的基本信息、生長環(huán)境信息等所有信息;環(huán)境模擬，用戶通過輸入土壤環(huán)境必備的一些參數(shù)，系統(tǒng)通過計算并從數(shù)據(jù)庫中找到與該環(huán)境匹配度達60%以上的植物并顯示給用戶，供給用戶參考和選擇;環(huán)境檢測，硬件部分將土壤中采集到的數(shù)據(jù)上傳至服務器數(shù)據(jù)庫之后，通過計算機進行處理輸出在可視化界面向用戶展示當前環(huán)境的各種信息。軟件流程圖如圖2所示。

4.1 接口設計

接口主要針對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的查詢、插入、刪除、更改等操作設計，例如軟件與緩沖數(shù)據(jù)庫進行交互，將數(shù)據(jù)傳入軟件，TemperatureMapper、pHMapper、HumidnessMapper等接口將數(shù)據(jù)接入軟件分析和顯示部分，用來滿足前端的需求。

4.2 界面設計

軟件前端部分使用了最新的前端技術棧，技術棧基于vue、vuex、axios和element-ui等技術實現(xiàn)界面邏輯及數(shù)據(jù)的處理。界面提供三個主要功能，通過連接后端接口及數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)各個功能。

5 結束語

本文設計的土壤環(huán)境檢測及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)從大數(shù)據(jù)信息化方向出發(fā)，建立一個較為真實完備的數(shù)據(jù)庫，其中收集了植物的必備環(huán)境條件作為基本數(shù)據(jù)，以這些基礎數(shù)據(jù)將植物簡化為一個抽象的模型，可以供人們清楚地理解植物的特征，這些抽象出來的數(shù)據(jù)供給防沙治沙工作人員作為參考，更清楚的了解植物信息，達到種植效益最大化、成活率大大增加。結合“數(shù)字地球”思想，使植物信息數(shù)字化，由大量數(shù)字化植物信息組成“數(shù)字植物圈”，讓防沙、治沙工作變得更加簡單、高效，讓植物信息更加透明、直觀。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】