基于云平臺的大田農業土壤墑情數據采集監測系統設計

劉曉霞，李 航，商國旭，王 勛，趙東方

（赤峰學院，內蒙古 赤峰 024000）

1 引言

“強國必先強農，農強方能國強”。習近平總書記在二十大報告中指出，“全面推進鄉村振興、加快建設農業強國，沒有農業農村現代化，社會主義現代化就是不全面的[2]?！?/p>

隨著我國農業與通信、計算機、物聯網等多學科交叉融合，農業生產模式逐漸由傳統的粗放式經營管理模式向精細化的智慧農業轉變。其中，信息感知作為智慧農業的基礎支撐和精準決策的數據保障，變得尤為重要[3]。

土壤墑情監測即土壤的濕度監測，是農田植被生長的重要監測因子之一。通過開展土壤墑情監測預報，了解土壤水分狀況，提高土壤監測能力和抗旱減災能力，為指導農民適墑播種、抗旱保墑、高效節水灌溉提供科學依據[4]。目前，人們對土壤墑情預測不重視，我國的土壤墑情監測系統數量不足，直接造成了土壤墑情信息的匱乏。漆永前等[5]基于甘肅省土壤墑情現狀，分析了土壤墑情信息采集與遠程監測系統的結構及功能，介紹了其技術組成，并提出了該系統的應用價值；王麗杰等[6]設計了一款基于云計算平臺的農田土壤墑情信息系統，引入了云計算技術，構建了基于云計算平臺的農田土壤墑情信息系統，通過對土壤墑情信息系統的功能需求分析，完成了信息系統總體架構的設計，并對土壤墑情信息處理流程進行了優化分析；劉代勇等[7]設計了一套以土壤墑情傳感器作為土壤含水量測量傳感器、以遙測終端機作為監測數據自動采集的核心、以GPRS 通信作為數據傳輸方式、以太陽能供電作為電源系統的土壤墑情自動測報系統，實現了土壤墑情數據的自動采集、傳輸等功能。

本文使用土壤檢測傳感器隨時監測土壤濕度、溫度以及PH 值并且定位到具體的地理位置，通過DTU 定時向數據服務器發送采樣數據，經過服務器處理后存入數據庫供前端查詢顯示。建立了一套高效、快速、準確的土壤墑情自動監測系統。工作人員能夠及時地掌握具體的土壤墑情，對于農作物播種、預測產量、科學指導農業灌溉、提高農業用水效率具有重要現實意義。

2 系統架構設計

本系統包含大田農業土壤墑情數據采集系統和大田農業土壤墑情數據管理應用系統兩個子系統。大田農業土壤墑情數據采集系統的主要功能是按照系統預設定時采集大田農業土壤墑情的數據，并實現數據序列化存儲到平臺數據庫。大田農業土壤墑情數據管理應用系統對采集系統獲得的數據進行應用和管理。

大田農業土壤墑情數據采集系統分為采集端和服務端兩個部分。采集端由土壤墑情采集傳感器、MQTT 透傳DTU、 電源管理系統等硬件設備組成。服務端部署于服務器上，通過MQTT 協議[8]識別采集端并實現與采集端長連接，接收采集端上傳的大田農業土壤墑情數據，并對數據進行格式化存儲到云數據庫。大田農業土壤墑情數據采集系統如圖1 所示。

圖1 大田農業土壤墑情數據采集系統示意圖

大田農業土壤墑情數據管理應用系統包含系統設置管理和數據查看應用兩個部分。系統設置管理包含對系統的設置，對DTU、采集器的配置等。數據查看應用部分包含對管理員的管理，對地區的管理，對地片、地塊/采集點的管理，對采集數據的統計和展示查看部分。

3 大田農業土壤墑情數據采集系統

3.1 大田農業土壤墑情數據采集系統采集端

大田農業土壤墑情數據采集系統采集端即部署于采集點的硬件系統。每個采集點設置一套大田農業土壤墑情數據采集系統，一個采集系統配置一個DTU 和兩個土壤墑情采集傳感器，分別采集土壤10cm 和20cm 兩個深度的土壤墑情數據。此硬件系統可通過土壤墑情采集傳感器采集土壤墑情數據，并將數據通過RS485 發送給DTU，DTU 使用MQTT與服務端實現長連接，將采集器采集的數據發布到服務端實現數據存儲。硬件系統實物圖如圖2 所示。

圖2 大田農業土壤墑情數據采集硬件系統實拍圖

3.1.1 土壤墑情采集傳感器

土壤墑情采集傳感器使用精迅暢通公司的485 型土壤綜合傳感器JXBS-3001-TR，該傳感器適用與測量土壤溫度、水分及土壤PH。經與德國原裝高精度傳感器和土壤實際烘干稱重法標定數據比較，本傳感器精度高，響應快，輸出穩定，受土壤含鹽量影響較小，適用于各種土質[9]。長期埋入土壤中，耐長期電解，耐腐蝕，抽真空灌封，防水效果好。外觀如圖3 所示，其測量參數及硬件參數見表1。

表1 土壤墑情采集傳感器參數[10]

圖3 土壤墑情采集傳感器

土壤墑情采集傳感器使用前需使用485 傳感器配置工具V3.21 進行配置才能與系統進行連接。使用485 傳感器配置工具V3.21 進行配置傳感器設備從站號時要注意，一套采集系統連接的兩個土壤墑情采集傳感器必須使用不同的從站號，將兩個采集器的從站號分別設置為1 和2。從站號1 對應10cm 土壤深度，從站號2 對應20cm 土壤深度，設備安裝時也要按照對應深度進行安裝。土壤墑情采集傳感器通訊協議如表2 和表3 所示。

表2 土壤PH 值通訊協議[11]

表3 土壤溫濕度值通訊協議[12]

通訊時采用十六進制數據進行編碼，尾部設置2 字節CRC 校驗。PH 值數據地址為0X06，數據長度為1 字節，獲取PH 值轉化為10 進制數據后需縮小100 倍即可得到當前土壤的真實PH 值。溫濕度數據地址為0X12，數據長度為2 字節，前1 字節為溫度值，獲取溫度值轉化為10 進制數據后需縮小100 倍即可得到當前土壤的真實溫度值（℃）。當溫度為零下時將以補碼的形式上傳，收到數據后需進行轉化。后1 字節為濕度值，獲取濕度值轉化為10 進制數據后需縮小100 倍即可得到當前土壤的真實濕度值（%RH）。土壤墑情采集傳感器采用同步通訊模式，當接收到查詢命令后可同步將數據返回。極大提升系統實時效果。

3.1.2 MQTT 透傳DTU

透傳DTU 采用塔石物聯網提供的TAS-LTE-360 模塊，DTU 支持2G/3G/4G 全網絡；支持2G/3G/4G 移動、電信、聯通手機卡及物聯網卡；支持4 個獨立網絡連接，均支持TCP、UDP、MQTT 連接；每路連接支持20KB 數據緩存，連接異常斷線時可選擇緩存數據不丟失。支持注冊包、心跳包功能；支持多種工作模式：短信透傳模式、網絡透傳模式；支持10 條自定義輪詢指令；支持自定義狀態上報。TASLTE-360 模塊外形如圖4 所示，TAS-LTE-360 模塊參數如圖5 所示。

圖4 TAS-LTE-360 模塊

圖5 TAS-LTE-360 模塊參數

TAS-LTE-360 模塊DTU 是采集系統的通訊模塊，DTU 與服務器建立MQTT 連接，通過長連接以透傳模式與服務器通訊。DTU 必須正確配置后才可與服務器成功連接，成功連接MQTT 后，需訂閱服務器bwupdate 和bwget 服務。并通過bwupdate上傳采集數據。通過bwget 接收命令。

TAS-LTE-360 模塊DTU 配置使用TAS_GPS_395_V1.0.7 工具進行配置[13]，配置方法如下：

（1）配置串口數據，波特率：9600；數據位：8；停止位：1；校驗位：none；配置好后打開串口。

（2）設置自定義輪詢，輪詢內容為兩個傳感器溫濕度和PH 值的查詢語句，共4 條輪詢語句（010 300120002640E，010300060001640B，02030012000 2643D，0203000600016438）。并設置輪詢時間180S.并開啟輪詢。

（3）設置通道

工作模式：MQTT 模式；

服務器IP：39.98.176.36；

端口：10009；

類型：TCP；

（4）單機進入配置狀態，發送AT+GSN 獲取設備IMEI。

（5）設置MQTT 信息。

MQTT 地址：39.98.176.36

端口：10009；

ClientID:設備IMEI

使能訂閱：ClientID/bwget

使能推送：ClientID/bwupdate

MQTT 心跳：60

SSL 參數：不啟用SSL

（6）點擊一鍵配置參數，配置成功后重啟設備。

成功配置TAS-LTE-360 模塊DTU 后即可成功連接服務器并于服務器進行數據通訊。TASLTE-360 模塊上電后POWER 燈亮起，初始化完成后WORK 燈亮起，DTU 開始工作搜索移動網絡，搜索到移動網絡后自動連接，成功連接移動網絡后NET 燈亮起并向服務器發送MQTT 連接請求，與服務器驗證成功建立MQTT 長連接后LINK 燈亮起，LINK 燈亮代表DTU 與服務器長連接正常連接中，如果LINK 燈滅則代表DTU 與服務器長連接已經斷開。長連接建立后DTU 會向服務器發起訂閱請求，服務器驗證成功后訂閱即會成功，并搭建起采集端和服務器端的透傳通道，DTU 根據配置定時輪詢傳感器數據，傳感器即會同步返回查詢結果并通過bwupdate 服務透傳到服務器。完成數據定時采集并上傳服務器。

TAS-LTE-360 模塊DTU 斷網可自動連接，設置有硬件看門狗，檢測到通訊錯誤自動重啟重新聯網。TAS-LTE-360 模塊DTU 聯網穩定，與服務器程序完美適配。通訊鏈路[10]如圖6 所示。

圖6 通訊鏈路圖示

3.1.3 電源管理系統

電源管理系統由蓄電池、太陽能發電板、電源控制器、穩壓器、電源開關構成。太陽能板采用60w單晶板，電池采用40 安三元鋰電池組，電壓容量12V/40AH, 充放電次數1500 次以上，工作溫度-40—80℃。太陽直曬4.5-7 小時充滿電池，可連續供電4-6 天。

電源控制器可穩定輸出12V 直流電源，可接16-23V 光伏板充電，帶有電量顯示器?？蓪崿F智能充電，輸出斷開停止工作。內置短路保護、開路保護、過流保護、過充保護、過放保護、反接保護等多重保護。電池和控制器內置封閉，防水防塵。12V 大電流穩壓器，可使用電設備電壓穩定，保護用電設備。太陽能發電系統如圖7 所示。

圖7 太陽能發電系統

3.2 大田農業土壤墑情數據采集系統服務端

大田農業土壤墑情數據采集系統服務端是采用php+swoole 協程框架開發的物聯網平臺，服務器采用linux 操作系統MYsql 數據庫。服務端采用MQTT TCP 通訊協議將采集點IOT 設備接入網絡。并實現IOT 設備接入、訂閱、數據交換、斷開等操作。

3.2.1 server.php 服務

服務端通過后臺server.php 服務接收IOT 設備各類請求，并通過后shell 腳本監控服務始終開啟運行。

server.php 服務開啟客戶端請求連接到服務器、PING 請求、客戶端正在斷開連接、發布消息、客戶端訂閱請求、取消訂閱請求等主要IOT 設備請求處理功能。

部分核心代碼：

$server->on ('receive', function (SwooleServer$server, $fd, $from_id, $data) {

try {

$data = V3::unpack($data);

if (is_array($data) && isset($data['type'])) {

switch ($data['type']) {

case Types::CONNECT: //1 客戶端請求連接到服務器

// Check protocol_name

if ($data ['protocol_name'] ! ='MQTT') {

$server->close($fd);

return false;

}

if(! isset($data['client_id']) || $data['client_id']==''){

$server->close($fd);

return false;

}

$server->send(

$fd,

V3::pack(

[

'type'=>Types::CONNACK,//

2 連接確認

'code'=>0,

'session_present'=>0,

]

)

);

*****

省略

*****

break;

case Types::PINGREQ://12 PING 請求

$server->send ($fd, V3::pack(['type'=> Types::PINGRESP]));//13 PING 響應

*****

省略

*****

break;

case Types::DISCONNECT://14 客戶端正在斷開連接

if ($server->exist($fd)) {

$server->close($fd);

}

*****

省略

*****

break;

case Types::PUBLISH://3 發布消息

if ($data['qos'] === 1) {

$server->send(

$fd,

V3::pack(

[

'type' => Types::PUBACK,//4

公開承認

'message_id' => $data['mes

sage_id'] ?? 0,

]

)

);

}

*****

省略

*****

break;

case Types::SUBSCRIBE://8 客戶端訂閱請求

$payload = [];

foreach ($data['topics'] as $k => $qos) {

if (is_numeric($qos) && $qos < 3) {

$payload[] = $qos;

} else {

$payload[] = 0x80;

}

}

$server->send(

$fd,

V3::pack(

[

'type' => Types::SUBACK,//9 訂閱確認

'message_id' => $data ['mes

sage_id'] ?? 0,

'codes' => $payload,

]

)

);

*****

省略

*****

break;

case Types::UNSUBSCRIBE://10 取消訂閱

請求

$server->send(

$fd,

V3::pack(

[

'type' => Types::UNSUBACK,//11 取

消訂閱確認

'message_id' => $data['message_id']

?? 0,

]

)

);

*****

省略

*****

break;

}

}

}

});

?>

接到IOT 設備連接到服務器請求時，首先判斷是否為系統授權設備，通訊協議是否正確，判斷正確后查詢IOT 設備系統信息并注冊到設備數組，返回設備連接成功。

接到IOT 設備PING 請求時更新設備登錄狀態。返回ping 成功。

接到IOT 設備客戶端正在斷開連接后注銷系統設備連接狀態，刪除設備連接信息，返回設備斷開命令。

接到IOT 設備發布消息后先解析消息數據，對消息進行CRC 驗證成功后通過$fd 獲取IOT 設備信息，查找到IOT 設備信息后根據訂閱服務約定的協議轉碼傳輸數據內的溫濕度/PH 值信息，將數據格式化后每30 分鐘存入一組數據到云數據庫。并返回接收成功命令。

接到IOT 設備客戶端訂閱請求后判斷設備合法后進行設備訂閱操作，并返回訂閱成功操作。

接到IOT 設備取消訂閱請求請求后判斷設備合法后進行設備取消訂閱操作，并返回取消訂閱成功操作。

server.php 服務可實現24 小時不間斷服務，并支持多線程高并發的物聯網服務，高效實現IOT 設備聯網服務。

3.2.2 MYSQL 數據庫

數據庫是土壤墑情信息采集和遠程監測系統穩定運行不可缺少的。土壤墑情系統數據存儲采用MYSQL 數據庫，通過php-mysqli 技術連接，MySQL數據庫部署于云服務器上可以方便各個端同時訪問。

隨著系統不斷運行，地塊采集點會不斷增多，同時會產生大量的土壤墑情信息數據，為了方便瀏覽并提高數據的應用程度，我們需要對大量數據分類妥善存儲。根據數據的基礎性質、重復率和應用特性不同，可將數據分為兩大類，一類存儲平臺配置、地塊、采集點、傳感器等的配置空間數據庫部分，另一類是存儲采集的土壤濕度、土壤溫度、土壤酸堿度等的土壤墑情數據庫部分[11]。

土壤墑情信息采集平臺可以自主運行，可以安裝多個數據采集器。每個數據采集器使用前需對其進行配置，再將配置信息存儲到配置空間數據庫部分，當數據采集器開機聯網后將自動與土壤墑情信息采集平臺通訊，并將采集的數據上傳平臺，存儲于土壤墑情數據庫部分。每個數據采集器都可以獨立、自動對不同區域的土壤墑情進行監測。數據產生后，平臺控制端后臺可以經過一定的算法對數據進行統計和分析，從而全面掌握土壤墑情信息采集與遠程監測系統監測區域內的土壤墑情信息[11]。

4 大田農業土壤墑情數據管理應用系統

本系統采用B/S 架構，使用了MySQL、JavaScript和HTML 及PHP 等技術，利用云服務器進行研究及開發，以農田土壤墑情數據為控制對象，編寫云端（服務器）和終端（PC 端）的程序。將采集系統采集到的土壤墑情參數（包括土壤濕度(Vol%)、土壤溫度(℃)和土壤酸堿度參數（PH）進行匯總、處理和分析并以列表、圖形和地圖等形式進行顯示，便于云端用戶在不同時間和范圍內查看土壤墑情的監測數據[12]。大田農業土壤墑情數據采集系統登錄界面如圖8 所示。

圖8 大田農業土壤墑情數據采集系統登錄界面

4.1 系統設置管理

系統設置主要用于人機交互界面樣式的管理和對DTU、采集器的配置。系統支持在“系統設置”板塊中配置系統名稱、logo、 背景及主題顏色等信息，便于使系統人機交互體驗更加友好。

關于DTU、采集器的配置主要體現在系統“采樣點位” 板塊，需在編輯點位信息時設置正確的DTUCODE、傳感器數量及訂閱、推送設置。采集設備與采樣點綁定通過添加和修改采樣點內的通訊信息進行。通訊模塊名稱自定義即可；DTUCODE必須填寫配置DTU 時的ClientID；傳感器數量配置為2；訂閱和配置DTU 時訂閱的連接相同（ClientID/bwget）；推送和配置DTU 時推送的連接相同（ClientID/bwupdate）；當IOT 采集設備上線后會查詢數據庫內采樣點信息自動進行采集設備與采樣點綁定，綁定成功后采樣點即可正常查看和接收采樣數據。

4.2 數據查看和應用

關于數據查看和應用，系統支持在“賬戶管理”配置不同的管理員賬戶。因采樣大田不止一片，遂應首先在“村鎮管理”板塊中設置數據采集目標大田的所屬行政村鎮區劃，在國家行政區劃省市區的基礎上可自定義編輯村鎮及下屬村落。采集到土壤墑情數據后可以此為條件進行數據統計。村鎮管理界面如圖9 所示。

圖9 村鎮管理界面

在實際應用中經常存在一片面積較大的田地雖然分屬不同村落，但田地相鄰或相近，存在一定共性的情況。所以系統可在“地片管理”板塊中設置大片采樣地片的面積、采樣深度、地圖定位中心點等信息，如設置首頁關注，則可在登錄系統時第一時間查看到此地片土壤墑情圖表。與地片管理相似，在“地塊管理”板塊中除設置其面積、采樣深度、地圖定位中心點等基礎信息外還可以選擇與已設地片的相關從屬關系。在一個采樣地片（地塊）內可配置多個采樣點。采樣點越多，測得數據則更有說服力。配置采樣點時除選擇所屬地片、地塊信息外應合理選擇采樣點位置，并上傳實際定位。

開始采樣后，可隨時根據地片、地塊查看系統數據統計，也可直接查看采樣點詳細數據。其中，地塊、地片統計數據為平均值，采樣點詳細數據為實際值。如圖10 所示。

圖10 采樣統計詳細數據

除數據統計外，系統登錄首頁可直觀繪制采樣地片、地塊的平均溫度、濕度及酸堿度圖表，還可以通過地圖直接顯示田地所在位置，如圖11 所示。

圖11 采樣地塊地圖顯示

點擊選擇某一具體地片后，可查看該采樣地片的詳細數據，如該地片的10cm 處溫度、 濕度、PH值以及這一段時間的變化曲線，修改圖標時間區間可以繪制同一地片不同季節的土壤墑情變化情況，如圖12 和圖13 所示。

圖12 采樣點平均溫度、濕度及PH 值

圖13 采樣點位溫度濕度及PH 值變化曲線

5 結語

基于云平臺的大田農業土壤墑情數據采集監測系統主要針對農田土壤墑情監測的需求，可以實現對土壤的溫度、濕度及PH 值的縱向分梯度實時監測。該系統操作簡單，功能齊全，界面清晰，便于推廣。相關農業技術人員可以通過該系統對歷史數據進行分析整理，能夠為農作物的生產管理提供有效的數據支撐，且為后續的實現土壤墑情的智能決策、 自動預備和自動水肥一體化等功能提供依據，并且對指導旱作節水農業生產、抗旱減災、農作物的科學補給用水等具有極其重要意義。