基于移動通信技術(shù)的灌溉信息平臺設計

王 娟,張萃珍

(江西機電職業(yè)技術(shù)學院,南昌 330013)

0 引言

灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎,智能化灌溉是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對灌溉的數(shù)字化和信息化要求也逐步提高,精細灌溉已經(jīng)成為當前農(nóng)業(yè)科學研究的焦點[1]。精細灌溉采用網(wǎng)絡通信的方式對灌溉準備過程和灌溉過程進行實時監(jiān)測,主要運用計算機技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)及移動通信技術(shù),實現(xiàn)遠程對作物的生長狀態(tài)、土壤墑情以及需水量進行監(jiān)測和灌溉需求分析,從而達到科學、精細灌溉的目的[2-4]。目前,對灌溉過程相關(guān)信息的管理已經(jīng)成為智能化灌溉技術(shù)推廣的關(guān)鍵。

本文采用移動通信技術(shù),設計了一種能夠使用移動客戶端進行灌溉參數(shù)和灌溉信息管理的智能化平臺,包含遠程數(shù)據(jù)查詢、分析、灌溉指令發(fā)送以及灌溉預約等功能,以實現(xiàn)遠程智能化灌溉數(shù)據(jù)管理。

1 灌溉信息管理平臺需求分析

灌溉信息管理是灌溉管理的基礎,正確的灌溉信息管理有助于合理、科學灌溉過程的實施。灌溉信息管理平臺是以微機系統(tǒng)為基礎搭建的一種能夠進行數(shù)據(jù)交互和信息管理的綜合平臺,主要包含數(shù)據(jù)采集、通信、數(shù)據(jù)管理及灌溉決策等[5]。灌溉決策過程是根據(jù)土壤條件、氣候條件及作物生長狀態(tài)等綜合信息進行灌溉需求分析的過程[6]。灌溉管理人員需要科學、合理地獲取灌溉需求信息,并根據(jù)灌溉需求信息進行灌溉決策,建立一種安全、穩(wěn)定和科學的灌溉信息管理平臺。

灌溉信息管理平臺要求能夠使用移動終端進行灌溉需求分析、灌溉決策以及灌溉指令的下達。當平臺使用人員通過移動終端發(fā)送灌溉通信時,灌溉平臺根據(jù)接收到的灌溉指令進行系統(tǒng)準備,并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息存儲至數(shù)據(jù)庫當中,灌溉完成后生成歷史數(shù)據(jù),便于后期查詢[7]。所設計的灌溉信息平臺要求具有移動通信控制功能,其通信架構(gòu)如圖1所示。

圖1 灌溉信息平臺通信架構(gòu)圖Fig.1 Communication architecture of irrigation information platform

平臺使用人員可在加入的任何計算機終端或移動終端上進行數(shù)據(jù)瀏覽和相關(guān)指令信息發(fā)送;當服務器接收到指令信息后,能夠?qū)⒔邮盏降耐ㄐ艛?shù)據(jù)生成臨時報表數(shù)據(jù);平臺進行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收時,采用一種GSM移動通信方式[8]。圖2所示為灌溉信息平臺通信程序圖。

圖2 灌溉信息平臺通信程序圖Fig.2 Communication program diagram of irrigation information platform

圖3 灌溉信息平臺結(jié)構(gòu)框架圖Fig.3 Structure frame diagram of irrigation information platform

平臺移動終端在為用戶提供灌溉信息服務的同時,要求能夠?qū)崟r對作物的生長狀態(tài)和水分需求情況進行查詢,且具備用戶遠程灌溉預約的功能,用戶可在移動終端進行注冊、登錄、信息查詢以及灌溉預約等[9]。

2 灌溉信息管理平臺設計

灌溉信息平臺數(shù)據(jù)庫是灌溉信息數(shù)據(jù)管理的核心,也是平臺信息開發(fā)的基礎。灌溉信息平臺數(shù)據(jù)庫主要包含作物種類、氣候條件、水資源以及管理條件等綜合因素[10]。灌溉信息平臺數(shù)據(jù)庫包含歷史信息數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù),能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、查詢和分析,并在平臺內(nèi)進行數(shù)據(jù)共享,將管理區(qū)域內(nèi)的地理信息數(shù)據(jù)和灌溉管理數(shù)據(jù)以圖表和曲線的形式進行顯示,實現(xiàn)平臺數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理和顯示可視化,如圖2所示。灌溉信息平臺要求能夠結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進行灌溉區(qū)域數(shù)據(jù)預測,為管理部門決策提供參考依據(jù)。在進行信息平臺搭建時,預留多個數(shù)據(jù)交互接口,以滿足灌溉信息的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)交互[11-12]。

3 灌溉信息平臺模塊設計

灌溉信息平臺數(shù)據(jù)庫分為空間和屬性兩種類型數(shù)據(jù)庫。其中,空間數(shù)據(jù)庫主要為地理信息數(shù)據(jù),屬性數(shù)據(jù)庫為灌溉過程預測模型和灌溉決策模型。在進行灌溉信息平臺數(shù)據(jù)庫設計時,要保證數(shù)據(jù)庫的安全性,同時要求數(shù)據(jù)庫具有擴展性,能夠在數(shù)據(jù)庫中進行空間數(shù)據(jù)提取,并利用屬性數(shù)據(jù)進行運算分析[13]。平臺中空間數(shù)據(jù)庫可以構(gòu)建出地理信息客戶端,并為用戶提供地理數(shù)據(jù)服務。灌溉信息平臺可將信息管理模塊和地理信息管理模塊進行數(shù)據(jù)交互,平臺中空間數(shù)據(jù)由系統(tǒng)管理員進行更新,屬性數(shù)據(jù)則可通過終端用戶進行維護修改,從而保證歷史數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,同時為終端用戶的使用提供便利。

根據(jù)功能不同,可將灌溉信息平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫劃分為地理信息數(shù)據(jù)庫、歷史信息數(shù)據(jù)庫以及專題數(shù)據(jù)庫。其中,地理信息數(shù)據(jù)庫包含區(qū)域內(nèi)的行政劃分圖、交通圖以及灌溉水資源分布圖,可在地理信息數(shù)據(jù)庫中按照不同的要素劃分圖層[14]。表1 為平臺地理信息數(shù)據(jù)庫屬性。

表1 平臺地理信息數(shù)據(jù)庫屬性Table 1 Properties of platform geographic information database

歷史信息數(shù)據(jù)庫主要包含使用區(qū)域內(nèi)的灌溉信息數(shù)據(jù),即農(nóng)業(yè)氣候特征、灌溉工程現(xiàn)狀、歷年灌溉信息以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況等。專題數(shù)據(jù)庫主要是區(qū)域內(nèi)的灌溉制度,包含供水制度和經(jīng)濟灌溉制度[15]。圖4為數(shù)據(jù)庫信息交互界面示意圖。

圖4 灌溉信息平臺數(shù)據(jù)庫交互界面示意圖Fig.4 Schematic diagram of database interactive interface of irrigation information platform

信息檢索模塊用于向平臺使用人員和管理人員提供數(shù)據(jù)查詢服務,主要包含空間查詢和條件查詢兩種模式。在空間查詢模式下,可通過平臺中的地圖方式進行查詢,獲取需求數(shù)據(jù);條件查詢模式是在查詢界面中根據(jù)查詢條件獲取需求數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析模塊用于進行測量和統(tǒng)計分析,測量過程是在地圖界面中進行距離、面積以及坐標的測量,獲取相關(guān)空間信息。統(tǒng)計分析主要是對農(nóng)業(yè)灌溉過程中的分布情況、灌溉類型以及灌溉量進行統(tǒng)計匯總,生成設定的圖形或報表數(shù)據(jù),便于后期進行查詢使用。

灌溉預測模塊是平臺管理人員在制定灌溉政策時,通過調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)信息,利用預測模型模擬區(qū)域內(nèi)的灌溉需求過程,并進行數(shù)據(jù)分析,生成灌溉推薦方案和灌溉指標,向區(qū)域內(nèi)的使用人員提供灌溉資源配置參考依據(jù)。

平臺在建立預測模型時,要綜合考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀和歷史數(shù)據(jù),基于灌溉區(qū)域管理制度建立灌溉用水量預測模型。灌溉模型主要包含綜合灌溉凈定額和灌溉用水量。

綜合灌溉凈定額計算公式為

其中,m為綜合灌溉凈定額;ai為作物種植比例;mi為作物灌溉定額。

灌溉用水量計算公式為

其中,W灌為灌溉用水量;F為灌溉面積;η綜為灌溉水有效利用系數(shù)。

灌溉管理模塊主要用于用戶管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理以及系統(tǒng)工具使用。用戶管理包含用戶賬號信息的管理和維護,可根據(jù)使用人員性質(zhì)的差異將平臺用戶劃分為普通用戶、管理人員以及系統(tǒng)管理員3個不同的群體。系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理主要用于對平臺內(nèi)的數(shù)據(jù)庫進行編輯和更新,并要求能夠批量進行數(shù)據(jù)的導入和導出。系統(tǒng)工具使用主要用于對平臺內(nèi)的數(shù)據(jù)進行管理,包含報表生成、曲線生成及打印輸出等。

為保證移動終端與平臺服務器之間能夠有效進行數(shù)據(jù)交互,采用移動通信技術(shù),利用Java多線程方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。當一個移動終端項平臺服務器發(fā)送網(wǎng)絡連接請求時,同時產(chǎn)生一個額外的子線程來進行該移動終端的連接需求;當每一個通信線程啟動完成后,每一個移動終端即與平臺服務器之間建立通信網(wǎng)絡,從而保證移動終端和平臺服務器之間能夠有效進行數(shù)據(jù)交互。

移動客戶端完成組網(wǎng)后,即可在終端進行平臺用戶登錄,使用數(shù)據(jù)查詢功能進行灌溉數(shù)據(jù)查詢,并根據(jù)不同區(qū)域的灌溉需求進行灌溉預約,同時可在終端用戶界面內(nèi)進行相關(guān)結(jié)果和狀態(tài)查詢。圖5為灌溉平臺移動終端程序執(zhí)行流程圖。

圖5 灌溉信息平臺移動終端程序執(zhí)行流程圖Fig.5 Flow chart of mobile terminal program execution of irrigation information platform

4 平臺測試

利用移動通信技術(shù)建立灌溉信息平臺,對區(qū)域內(nèi)的灌溉參數(shù)進行預測。將建立好的灌溉信息平臺應用于某地區(qū),進行平臺應用測試分析。該區(qū)域內(nèi)總灌溉面積2000hm2,有效灌溉面積1333.3hm2。其中,包含蔬菜種植區(qū)域666.7hm2,采用地下水進行灌溉;其余種植區(qū)域主要種植小麥和玉米,采用灌溉水庫進行灌溉。參照歷史數(shù)據(jù)可以得出:該區(qū)域的水分蒸發(fā)量為每年1600mm,年平均氣溫9℃,最高氣溫37℃,最低氣溫-15℃,年平均降水量600mm。

將灌溉區(qū)域內(nèi)的種植作物類型、種植面積以及其他相關(guān)參數(shù)采用移動終端或服務器進行輸入,對區(qū)域內(nèi)666.7hm2小麥和玉米的灌溉信息進行預測,如表2所示。

表2 灌溉信息預測數(shù)據(jù)Table 2 Irrigation information forecast data

5 結(jié)論

灌溉信息管理平臺采用移動通信技術(shù)進行信息數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)灌溉信息的統(tǒng)一管理,并進行歷史數(shù)據(jù)管理,同時可對信息數(shù)據(jù)進行圖表顯示和分析,有效提高了灌溉信息平臺的自動化和智能化水平。采用基于灌溉制度的預測模型對區(qū)域灌溉需求進行預測,為灌溉管理者的決策提供輔助。