土壤墑情遠程監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

鐘國財　郝澤亮　謝東東　潘庭龍

摘 要：土壤的水分和環(huán)境溫度都在一定程度上影響著植物的生長。為了實現(xiàn)對土壤墑情長時間的連續(xù)監(jiān)測，文中對采用主從結(jié)構(gòu)的土壤墑情采集系統(tǒng)軟件進行了設(shè)計。主要包含基于SI4432的無線射頻通信、基于SIM900A的GPRS（無線通信）、上位機信息管理系統(tǒng)三部分。測量系統(tǒng)的主站與從站通過SI4432通信，主站收集各從站的測量信息并通過GPRS通信上傳到遠程服務(wù)器，墑情信息管理系統(tǒng)從服務(wù)器提取數(shù)據(jù)，并進行相應(yīng)的處理，直觀地顯示在用戶界面上，以實現(xiàn)遠程顯示及監(jiān)控，為作物的最佳灌溉時間提供參考。

關(guān)鍵詞：SI4432；無線射頻通信；GPRS；信息管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP212 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-03

0 引 言

水資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要，土壤水分含量是影響農(nóng)作物生長過程的重要物理參數(shù)[1]。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對土壤墑情（土壤濕度）長時間的連續(xù)監(jiān)測，通過對溫度、濕度數(shù)據(jù)的大量采集與處理，繪制出相應(yīng)的曲線，有利于詳細分析土壤情況，對解決與土地相關(guān)行業(yè)出現(xiàn)的諸多問題有著積極的作用[2] 。

盡管我國各級相關(guān)土地部門在土地信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建方面取得了較大進步，但是問題依然存在[3]。例如，我國墑情監(jiān)測工作相對薄弱，土壤水分信息采集手段比較落后，系統(tǒng)各方面建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，建設(shè)的內(nèi)容不規(guī)范，取得的建設(shè)成果千差萬別，這些都不利于管理和運維墑情信息系統(tǒng)的工作[4]。本文設(shè)計了土壤墑情管理系統(tǒng)，用以取代傳統(tǒng)的人工采集、處理土壤信息方法，實現(xiàn)對土地情況高效、便利的檢測，實行遠程實時監(jiān)控，為作物的最佳灌溉時間提供參考。

1 土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的土壤水分測量系統(tǒng)包括主站數(shù)據(jù)采集和從站數(shù)據(jù)測量兩部分，如圖1所示。每個從站傳感器包含數(shù)字溫度傳感器和土壤水分傳感器，分別用來采集土壤的溫度和水分信息，并將采集到的數(shù)據(jù)通過SI4432傳輸給主站采集器，由主站通過GPRS統(tǒng)一將信息發(fā)送至遠程服務(wù)器。

2 監(jiān)測系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

2.1 主從站無線通信模塊

主站與從站之間采用無線射頻模塊SI4432進行數(shù)據(jù)傳輸。其中SI4432是高度集成的單芯片無線ISM收發(fā)器件。 EZRadioPRO系列包括發(fā)射機、接收機和射頻收發(fā)器，設(shè)計工程師可以選擇利用其中的無線部分。SI4432的高度集成可以降低BOM，同時簡化整體設(shè)計。極低的接收靈敏度，加上工業(yè)界領(lǐng)先的+20 dBm輸出功率，內(nèi)置天線多樣化和支持跳頻[5]，保證了傳輸范圍和穿透能力。

主站傳感器具有數(shù)據(jù)采集器的功能，每個主站與多個從站進行通信，主從站之間通過SI4432無線收發(fā)模塊的廣播通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。主站不斷廣播，廣播的信息結(jié)構(gòu)為從站地址及對應(yīng)的配置信息，如AY3600，其中第1個字節(jié)A表示從站編號，第2個字節(jié)Y表明是否更改測量周期，Y表示更改，N表示不更改；數(shù)據(jù)3 600（s）表示更改后的測量周期。主站廣播流程如圖2所示。

從站傳感器數(shù)據(jù)測量完畢后等待主站廣播，收到廣播本站地址后立即反饋信息給主站，兩者建立通信，接收主站發(fā)送的配置信息并解析，之后發(fā)送測量數(shù)據(jù)給主站，直至收到主站確認數(shù)據(jù)正確接收的信息后，結(jié)束與主站的通信，從站進入待機模式，等待下一次喚醒測量。從站應(yīng)答流程如圖3所示。

2.2 基于SIM900的GPRS無線通信

主站采集器對各從站發(fā)來的測量數(shù)據(jù)進行處理后，通過GPRS無線傳輸將信息上傳至遠程服務(wù)器，同時上位機也將參數(shù)修改信息返回到主站。本設(shè)計采用的無線傳輸模塊為SIM900A。SIM900A是SIMCOM公司研發(fā)的工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊，工作頻段為雙頻900/1 800 MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音，SMS（短信，不支持彩信），數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸[6]。GPRS有許多優(yōu)勢，包括資源利用率高、傳輸速率高、接入時間短、支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議等[7]。

主站通過GPRS傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫的信息主要有三種，分別是獲取參數(shù)修改信息請求、土壤墑情信息、傳感器地理位置信息。為了便于區(qū)分，這三種信息請求分別有各自的標(biāo)識。獲取參數(shù)修改信息請求的標(biāo)識是“44”，土壤墑情信息的標(biāo)識是“33”，采集器地理位置信息的標(biāo)識是“22”。通過識別這三種信息的標(biāo)識來判斷其區(qū)別，進而服務(wù)器對其分別進行處理，具體流程如圖4所示。

3 土壤墑情信息管理模塊

土壤墑情信息管理系統(tǒng)主要是面對用戶需求的上位機操作系統(tǒng)，用來滿足用戶多方面的需求[8]。用HTML編寫動態(tài)Web網(wǎng)頁界面，并在HTML中嵌入PHP語言編寫的后臺運行代碼，操作云端MySQL數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)信息，并借助一些組件來完成數(shù)據(jù)的處理操作[9]。概括來說，整個系統(tǒng)的設(shè)計主要分為三個方面，即前臺網(wǎng)頁界面、后臺數(shù)據(jù)信息識別與處理及MySQL數(shù)據(jù)庫。

土壤墑情信息管理系統(tǒng)的初始界面應(yīng)當(dāng)簡潔、明了，通過超鏈接的方式打開該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示以及參數(shù)修改界面，如圖5所示。

參數(shù)設(shè)置界面主要用于輸入修改的參數(shù)，并將這些參數(shù)通過后臺代碼傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫并存儲。參數(shù)修改界面如圖6所示。

數(shù)據(jù)的顯示功能實現(xiàn)流程如圖7所示。

歷史數(shù)據(jù)顯示界面的傳感器位置信息等都可以實時顯示。通過點擊歷史數(shù)據(jù)顯示界面的“實時數(shù)據(jù)顯示”，就可以運用超鏈接跳轉(zhuǎn)到實時數(shù)據(jù)顯示界面，該界面的主要樣式如圖8所示。

在歷史數(shù)據(jù)顯示界面中選取所需數(shù)據(jù)的傳感器編號后，能夠自動實時顯示所選取傳感器設(shè)備檢測到的最新數(shù)據(jù)信息，并且可以以折線圖的形式顯示不同節(jié)點數(shù)據(jù)的變化趨勢。包括歷史數(shù)據(jù)顯示界面的地理位置信息，通過設(shè)置500 ms/次的掃描，確保數(shù)據(jù)的快速動態(tài)更新。為了動態(tài)地獲取PHP后臺程序返回的數(shù)組信息，HTML網(wǎng)頁程序需要調(diào)用JavaScript中的$.ajax方法。

4 結(jié) 語

本文將從站傳感器與主站采集器相結(jié)合，利用無線射頻模塊SI4432進行通信，采用信息應(yīng)答方式確保兩者之間信息的正確傳輸。主站采集器利用GPRS無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程服務(wù)器，為實現(xiàn)遠程監(jiān)控帶來極大便利。上位機的墑情信息管理系統(tǒng)以MySQL數(shù)據(jù)庫為核心，通過PHP后臺程序與數(shù)據(jù)檢測端進行信息交互，將土壤水分傳感器檢測到的信息數(shù)據(jù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫，并將傳感器的參數(shù)設(shè)置信息發(fā)送到下位機。同時通過HTML構(gòu)建Web動態(tài)網(wǎng)頁即上位機界面，利用嵌入的PHP后臺程序完成數(shù)據(jù)信息的處理，實現(xiàn)Web網(wǎng)頁與MySQL數(shù)據(jù)庫的信息交互，完成滿足用戶需求的數(shù)據(jù)顯示工作。

參考文獻

[1] MA Ying， FENG Shaoyuan， SONG Xianfang.A root zone model for estimating soil water balance and crop yield responses to deficit irrigation in the North China Plain[J].Agricultural water management，2013， 127（9）：13-24.

[2]張緒利.土壤墑情信息采集與遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].西安：西安科技大學(xué)，2015.

[3]李占成.基于GPRS的土壤墑情遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[4] 鄒文安，章樹安，楊建青.土壤墑情自動測報系統(tǒng)建設(shè)思路[J].中國水利， 2014（15）：66.

[5] GAO Xiaodong，WU Pute，ZHAO Xining，et al. Estimating the spatial means and variability of root-zone soil moisture in gullies using measurements from nearby uplands[J].Journal of hydrology，2013， 476（1）：28-41.

[6]陳繼磊，祁云嵩，徐釗.基于SI4432的無線收發(fā)平臺設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器， 2016（7）：60-63.

[7]于燦.無線通信技術(shù)在遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中的實際應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程， 2017（5）：49.

[8]李培，李爽，王慶強.基于C/S架構(gòu)的農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（4）：334-336.

[9] ROMANO NC，NVNAMAKER JF，BRIGGS RO，et al. Architecture，design，and development of an HTML/JavaScript web-based group support system[J].Journal of the American society for information science， 1998， 49（7）：649-667.