基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金　文　姚凱學(xué)

(貴州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院　貴州 貴陽(yáng) 550025)

0　引　言

我國(guó)農(nóng)業(yè)的信息化和智能化水平與西方國(guó)家相比起步較晚，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，“智慧農(nóng)業(yè)”、“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”等詞逐漸出現(xiàn)[1]。如何合理地利用有限的土地資源提高農(nóng)作物的產(chǎn)量成了一個(gè)亟待解決的問題。目前國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)依舊以粗狂的種植方式為主，對(duì)于像茶葉、棉花等經(jīng)濟(jì)作物這種傳統(tǒng)的種植方式已經(jīng)不能滿足日常生產(chǎn)的需要。和其他類似的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的針對(duì)性，并且所監(jiān)測(cè)的環(huán)境信息更完整，主要包括光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤溫濕度、降雨量、氣壓、海拔等和農(nóng)作物生長(zhǎng)息息相關(guān)的多種墑情信息[2]。

而基于SpringMVC框架實(shí)現(xiàn)的后臺(tái)管理系統(tǒng)，可以讓數(shù)據(jù)的管理更加方便，也便于使用者隨時(shí)隨地查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1　概要設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)浪潮的到來(lái)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了很好的發(fā)展，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)信息化進(jìn)程中可以促進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型[3]。因此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)能對(duì)農(nóng)田環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)感知的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括前端硬件和后臺(tái)軟件兩個(gè)部分，現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹如下：

硬件設(shè)計(jì)部分采用嵌入μC/OS-II操作系統(tǒng)的STM32F103ZET6芯片作為硬件系統(tǒng)的MCU，主要負(fù)責(zé)控制各個(gè)傳感器對(duì)農(nóng)業(yè)墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。考慮到前端數(shù)據(jù)采集站可能會(huì)被長(zhǎng)期安裝在田間地頭，所以該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用太陽(yáng)能的方式進(jìn)行供電，并通過GPRS無(wú)線通信技術(shù)與后臺(tái)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

軟件部分采用B/S架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，采用主流的SpringMVC框架進(jìn)行代碼編寫，數(shù)據(jù)庫(kù)采用開源的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，軟件系統(tǒng)在MyEclipse集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)完成，最終部署在Tomcat上運(yùn)行，而用戶僅需要安裝IE內(nèi)核的瀏覽器就可查看前端監(jiān)測(cè)站傳回的墑情數(shù)據(jù)。后臺(tái)軟件部分主要包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和統(tǒng)計(jì)分析模塊等。除此之外，當(dāng)后臺(tái)接收到前端傳回的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)采用Kalman濾波算法對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)圖

1.2　通信協(xié)議

通信協(xié)議是前端采集站和后臺(tái)軟件進(jìn)行通信的基礎(chǔ)，雖說目前已經(jīng)有很多通信協(xié)議可用于上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，但大都不夠靈活且冗余度高。為了保證系統(tǒng)硬件和軟件部分能進(jìn)行安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸，特制定了一套可變長(zhǎng)度的通信協(xié)議。該協(xié)議中規(guī)定字節(jié)采用串行傳輸格式，雙方使用數(shù)據(jù)幀的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，每幀數(shù)據(jù)包括幀頭、地址域、控制域、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域、數(shù)據(jù)域、CRC校驗(yàn)域和幀尾7個(gè)部分構(gòu)成[2]。數(shù)據(jù)幀的格式如表1所示。

表1　通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式表

2　硬件設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠得以實(shí)現(xiàn)的前提是有一個(gè)能采集到農(nóng)業(yè)墑情數(shù)據(jù)的前端采集站，該采集站能夠按時(shí)采集諸如土壤溫度、土壤濕度、氣壓海拔、空氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、光照強(qiáng)度、CO2濃度、PM2.5濃度等影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的因子[4]。為了能夠準(zhǔn)確采集到這些數(shù)據(jù)，就需要一個(gè)數(shù)據(jù)采集儀來(lái)控制各個(gè)傳感器定時(shí)采集墑情數(shù)據(jù)，并且能夠按照給定的通信協(xié)議與后臺(tái)軟件系統(tǒng)進(jìn)行安全穩(wěn)定的通信。所以，農(nóng)業(yè)墑情采集站應(yīng)包括各種氣象傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、GPRS通信模塊和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)等。

2.1　數(shù)據(jù)采集儀

農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是感知層數(shù)據(jù)的采集，而采集站的核心是數(shù)據(jù)采集儀，此次設(shè)計(jì)選用嵌入μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的STM32F103ZET6芯片作為采集模塊的MCU，它是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，供電電壓是2.0～3.6 V，最高工作頻率可達(dá)72 MHz。由于采集儀搭載的傳感器較多，而且通信類型和工作電壓不盡相同，所以設(shè)計(jì)了RS485、I2C兩種傳感器接口，其中RS485工作電壓為12 V，主要負(fù)責(zé)光照傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、CO2濃度傳感器等的通信，而工作于3.3 V～5 V的I2C數(shù)字總線負(fù)責(zé)空氣溫濕度、大氣壓強(qiáng)、土壤濕度等傳感器的通信[5]。而與后臺(tái)的通信是通過STM32F103ZET6芯片的串口1結(jié)合MAX3232芯片的RS232電路連接GPRS通信模塊完成的。

2.2　傳感器選型

監(jiān)測(cè)站搭載的傳感器較多，所以傳感器選型的好壞不僅決定了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，也會(huì)影響系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。筆者通過對(duì)比各廠家傳感器的測(cè)量參數(shù)和綜合性能，最終選取的傳感器型號(hào)如下：

(1) 空氣溫濕度傳感器選用的是瑞士Sensirion公司的SHT10數(shù)字式溫濕度傳感器，其測(cè)量空氣溫度的范圍-40～120 ℃，精度為±0.5 ℃；測(cè)量空氣相對(duì)濕度的范圍是0～100%RH，精度為±4.5%RH，供電電壓2.4～5.5 V。具有超低功耗、小尺寸、測(cè)量精度高、自動(dòng)休眠等優(yōu)點(diǎn)。

(2) 氣壓海拔傳感器選用的是德國(guó)BOSCH公司生產(chǎn)的BMP180壓力傳感器，其測(cè)量范圍為300～1100 HPa(-500～9000 m)，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)128次每秒，由于該傳感器是基于壓阻技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，其精度和穩(wěn)定性都表現(xiàn)良好。此外，該傳感器能通過氣壓進(jìn)行海拔高度的準(zhǔn)確換算。

(3) 風(fēng)速、風(fēng)向傳感器選用的是武漢新普惠科技有限公司生產(chǎn)的三風(fēng)杯結(jié)構(gòu)的PHWS型風(fēng)速傳感器和風(fēng)向標(biāo)結(jié)構(gòu)的PHWD風(fēng)向傳感器。這兩個(gè)傳感器都可以根據(jù)用戶需求輸出脈沖、電流、電壓、RS485、RS232、TTL等多種類型的信號(hào)，此次設(shè)計(jì)中選擇的輸出信號(hào)為RS485。當(dāng)風(fēng)速大于0.3 m/s時(shí)風(fēng)速傳感器即可啟動(dòng)，風(fēng)速測(cè)量范圍在0～45 m/s之間；而當(dāng)風(fēng)速大于0.5 m/s時(shí)即可啟動(dòng)風(fēng)向傳感器，測(cè)量范圍是0～360度。

(4) 雨量傳感器選用的是武漢新普惠科技有限公司生產(chǎn)的PH—YL翻斗式雨量傳感器，能夠測(cè)量的降水強(qiáng)度范圍小于4 mm/min,誤差范圍±4%。

(5) 光照強(qiáng)度傳感器選用的是武漢中科能慧科技發(fā)展有限公司的NH207光照度傳感器，其測(cè)量范圍在0～200 klx,測(cè)量精度為±5%，具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

(6) 土壤溫度傳感器選用美國(guó)Dallas Semiconductor公司的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20進(jìn)行土壤溫度的測(cè)量，其特點(diǎn)是體積小、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)。DS18B20溫度傳感器的量程是-55～125 ℃。在-10～85 ℃，其測(cè)量精度為±0.5 ℃。

(7) 土壤濕度傳感器土壤濕度傳感器的測(cè)定對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大意義，選用武漢新普惠科技有限公司生產(chǎn)的PHTS土壤濕度傳感器進(jìn)行土壤水分的測(cè)量。該傳感器采用頻域反射法測(cè)量土壤的介電常數(shù)實(shí)現(xiàn)土壤容積含水量的測(cè)量，是一款高精度、高靈敏度的測(cè)量土壤水分的傳感器。

(8) PM2.5傳感器選用的是Nova Fitness公司生產(chǎn)的激光型PM2.5傳感器SDS011，該傳感器能夠通過激光散射的原理，能夠有效的對(duì)空氣中直徑為0.3～10 μm的懸浮物顆粒物的濃度進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量范圍在0～999.9 μg/m3測(cè)量精度為±15%，測(cè)量數(shù)據(jù)的更新頻率為1 Hz。

(9) CO2濃度傳感器選用的是廣州龍戈電子公司的MG811電化學(xué)型CO2濃度傳感器，其測(cè)量范圍為0～5 000 ppm，具有使用壽命長(zhǎng)、靈敏度高等特點(diǎn)，探頭的有效預(yù)熱時(shí)間為2～5分鐘。

2.3　太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

考慮到前端監(jiān)測(cè)站大多安裝在野外，所以采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。主要包括蓄電池、太陽(yáng)能電池板和太陽(yáng)能充電控制器三個(gè)部分。由于鉛酸蓄電池具有價(jià)格低廉、電源保護(hù)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，選用兩個(gè)12 V-20 AH的鉛酸蓄電池并聯(lián)成為一個(gè)12 V-40 AH的電池組作為蓄電裝置。太陽(yáng)能板為50 W的單晶硅太陽(yáng)能電池板，額定電流為2.8 A，在陽(yáng)光充足的條件下可在14小時(shí)內(nèi)將選用的蓄電池充滿。而太陽(yáng)能充電控制器，可以為數(shù)據(jù)采集儀提供12 V的穩(wěn)定直流電壓。

2.4　GPRS通信模塊

該系統(tǒng)使用GPRS無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站與后臺(tái)管理系統(tǒng)的通信，GPRS是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，能提供廣域網(wǎng)的無(wú)線IP鏈接，具有接入迅速、實(shí)時(shí)在線、按流量收費(fèi)等特點(diǎn)。采用的是DF-1005 GPRS DTU無(wú)線通信模塊，該模塊不僅能提供全透明的數(shù)據(jù)通道，還具有功耗低、體積小、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.5　下位機(jī)軟件程序的主要任務(wù)

農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)采用的是μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)合理的調(diào)度提前編寫好的任務(wù)程序。首先是對(duì)硬件和操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作；其次是創(chuàng)建Main_Task任務(wù)并開始由GPRS應(yīng)答任務(wù)接收上位機(jī)傳遞過來(lái)的配置信息，包括采集站ID設(shè)置、休眠時(shí)間設(shè)置、時(shí)間校準(zhǔn)和傳感器配置等；再次就是控制各個(gè)傳感器對(duì)農(nóng)業(yè)墑情信息進(jìn)行采集和儲(chǔ)存；最后則是將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS主動(dòng)發(fā)送給后臺(tái)。大致處理流程如圖2所示。

圖2　下位機(jī)軟件程序的主要任務(wù)處理流程圖

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1　數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，高效可靠的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的前提，而合理規(guī)范的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)不僅能提高數(shù)據(jù)的查詢效率也是后期大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的重要保障。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的后臺(tái)基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)建立，主要包括Sensor_SourceData、Sensor_Type、Monitor_Station、Operating_Record、Return_ErrorCode和User表。其中Sensor_SourceData表是核心表，主要包括各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)的時(shí)間等字段。

3.2　軟件整體設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了包括前端負(fù)責(zé)采集墑情信息的采集站之外，還包括一個(gè)后臺(tái)管理系統(tǒng)，后臺(tái)系統(tǒng)能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)站傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化的存儲(chǔ)、合理的統(tǒng)計(jì)分析和可視化顯示。該后臺(tái)系統(tǒng)采用基于Java語(yǔ)言的SpringMVC框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了方便用戶隨時(shí)隨地查看墑情信息，采用了C/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以主流的MVC開發(fā)模式進(jìn)行代碼的編寫。后臺(tái)管理系統(tǒng)主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊、監(jiān)測(cè)站配置模塊和用戶管理模塊等。整個(gè)系統(tǒng)是在MyEclipse2014集成開發(fā)環(huán)境下完成的，并選用了開源的MySQL5.5作為數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)器使用的是免費(fèi)的Tomcat7.0服務(wù)器。

當(dāng)用戶登錄到后臺(tái)管理系統(tǒng)后，可以查看自己權(quán)限范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)站的實(shí)時(shí)墑情數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)站每2分鐘會(huì)向后臺(tái)系統(tǒng)發(fā)送一次各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)[5]，后臺(tái)系統(tǒng)通過Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)將接收到的數(shù)據(jù)幀按照事先約定的通信協(xié)議進(jìn)行解析，將解析后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，供后期數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析使用。當(dāng)用戶選定設(shè)備號(hào)后數(shù)據(jù)顯示模塊可以顯示該監(jiān)測(cè)站的各項(xiàng)墑情信息。統(tǒng)計(jì)分析模塊能以直觀的方式向使用者展示對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果。監(jiān)測(cè)站管理模塊能對(duì)監(jiān)測(cè)站基本信息進(jìn)行必要的配置，包括添加、刪除監(jiān)測(cè)站，配置IP地址、設(shè)置休眠時(shí)間等。

3.3　Socket套接字編程

網(wǎng)絡(luò)編程主要解決兩大問題，其一：如何定位網(wǎng)絡(luò)上的一臺(tái)或多臺(tái)主機(jī)；其二：找到對(duì)應(yīng)的主機(jī)后如何進(jìn)行可靠的傳輸。在TCP/IP協(xié)議中IP層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的定位，由IP地址可以唯一確定一臺(tái)主機(jī)。而TCP層則提供面向應(yīng)用的可靠(tcp)或非可靠(udp)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，所以Socket網(wǎng)絡(luò)編程不需要關(guān)心IP層是如何處理數(shù)據(jù)的。只需配置每一臺(tái)監(jiān)測(cè)站GPRS通信模塊的目標(biāo)IP地址和端口號(hào)，即可將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的主機(jī)上。后臺(tái)軟件系統(tǒng)作為Socket網(wǎng)絡(luò)編程的服務(wù)器端，需要時(shí)刻保持監(jiān)聽指定的端口，并通過Serversocket對(duì)象的accept()方法獲取下位機(jī)傳遞過來(lái)的socket對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)和監(jiān)測(cè)站的通信。

3.4　卡爾曼濾波算法的實(shí)驗(yàn)與仿真

3.4.1卡爾曼濾波算法簡(jiǎn)介

卡爾曼濾波算法由匈牙利數(shù)學(xué)家Kalman，在1960年提出，通常與時(shí)間序列和高斯白噪聲有關(guān)或者能建立類似模型的系統(tǒng)，都可以利用Kalman濾波來(lái)處理噪聲問題[6]。發(fā)展至今Kalman濾波在定位導(dǎo)航、導(dǎo)彈追蹤、機(jī)器人控制、傳感器數(shù)據(jù)融合、計(jì)算機(jī)圖像處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在卡爾曼濾波算法的應(yīng)用中通常用線性隨機(jī)微分方程來(lái)描述一個(gè)離散控制過程的系統(tǒng)：

Xk=AXk-1+BUk+Wk

(1)

Zk=HXk+Vk

(2)

式中：Xk是k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，Zk是k時(shí)刻的測(cè)量值。Wk和Vk分別表示過程噪聲和測(cè)量噪聲，對(duì)應(yīng)的協(xié)方差分別是Q和R?？柭鼮V波算法可以分為兩個(gè)明顯的更新過程，其中時(shí)間更新過程包括式(3)和式(4)。

Xk|k-1=AKk-1|k-1+BUk

(3)

Pk|k-1=APk-1|k-1AT+Q

(4)

Xk|k-1是利用上一狀態(tài)預(yù)測(cè)的結(jié)果，Pk|k-1是先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)的協(xié)方差。觀測(cè)更新過程包括式(5)、式(6)和式(7)。

Kgk=Pk|k-1HT/(HPk|k-1HT+R)

(5)

Xk|k=Xk|k-1+Kgk(Zk-HXk|k-1)

(6)

Pk|k=(I-KgkH)Pk|k-1

(7)

式中:Kg為卡爾曼增益，I為單位矩陣，對(duì)于單模型單測(cè)量I=1。

3.4.2卡爾曼濾波算法在大氣溫度傳感器中的應(yīng)用

卡爾曼濾波算法能夠?qū)η拔奶岬降亩喾N傳感器進(jìn)行濾波校驗(yàn)，筆者以大氣溫度傳感器為例講述卡爾曼濾波算法在溫度測(cè)量過程中的實(shí)際應(yīng)用[7]。用大氣溫度傳感器測(cè)量大氣溫度時(shí)不可避免的會(huì)受到傳感器測(cè)量噪聲的干擾，測(cè)量結(jié)果可信度不高。為了驗(yàn)證卡爾曼濾波算法在溫度測(cè)量過程中的有效性，選取一個(gè)高精度的溫度傳感器為標(biāo)準(zhǔn)傳感器，其測(cè)量誤差為±0.1 ℃，并認(rèn)為其測(cè)量值為標(biāo)準(zhǔn)溫度值。而監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)上裝載的大氣溫度傳感器，其測(cè)量誤差為±0.5 ℃，并從說明書上查到其方差為0.25，所以該傳感器的測(cè)量噪聲Vk對(duì)應(yīng)的協(xié)方差R=0.25。實(shí)驗(yàn)中忽略過程噪聲的影響即Q=0，對(duì)照式(3)和式(4)控制矩陣B=0，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣A=1，測(cè)量矩陣H=1，模型建立好之后，我們分別用標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器和大氣溫度傳感器對(duì)某實(shí)驗(yàn)室里面的大氣溫度值進(jìn)行測(cè)量。

3.4.3大氣溫度傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器和大氣溫度傳感器以分鐘為單位測(cè)量某實(shí)驗(yàn)室一個(gè)小時(shí)內(nèi)的溫度變化情況。在matlab7.0環(huán)境下對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖中可以明顯地觀察到經(jīng)過卡爾曼濾波算法校正后的數(shù)據(jù)相比普通大氣溫度傳感器直接的測(cè)量值更加接近于標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器的測(cè)量值。筆者分別將大氣溫度傳感器測(cè)量值、卡爾曼濾波值與標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)量值作差得到如圖4所示的誤差圖。從圖中可以清晰地看到卡爾曼濾波值的誤差要遠(yuǎn)小于大氣溫度傳感器測(cè)量值的誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明卡爾曼濾波算法能明顯改善大氣溫度傳感器的測(cè)量精度，提高了大氣溫度測(cè)量值的可靠性和穩(wěn)定性。

圖3　大氣溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖

圖4　大氣溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)誤差分析圖

3.5　后臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行

對(duì)農(nóng)業(yè)墑情進(jìn)行合理的分析是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目的和意義所在，對(duì)于大部分的用戶來(lái)說，他們僅關(guān)心分析統(tǒng)計(jì)的最終結(jié)果。因此設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單易懂，界面友好的后臺(tái)數(shù)據(jù)展示界面，將統(tǒng)計(jì)分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的展示是十分必要的[8]。該后臺(tái)管理系統(tǒng)主要包括傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊、用戶管理模塊等，系統(tǒng)界面如圖5、圖6所示。

圖5　農(nóng)業(yè)墑情信息實(shí)時(shí)顯示界面截圖

圖6　農(nóng)業(yè)墑情信息統(tǒng)計(jì)分析界面截圖

該后臺(tái)系統(tǒng)與安裝在實(shí)驗(yàn)室樓頂?shù)?0號(hào)采集站和安裝在貴州長(zhǎng)津右七蔬菜基地的92號(hào)采集站進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)半年之久的數(shù)據(jù)通信任務(wù)，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

4　結(jié)　語(yǔ)

該文章實(shí)現(xiàn)了對(duì)影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的各種墑情信息的采集、存儲(chǔ)和分析。為了提高傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，減少異常數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的影響。在數(shù)據(jù)采集過程中選用Kalman濾波算法對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，并在matlab7.0環(huán)境下對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析，分析結(jié)果表明采用Kalman算法處理后的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度更高，偏差較小。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照自定義的通信協(xié)議，采用Socket套接字技術(shù)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)站和后臺(tái)系統(tǒng)的通信，后臺(tái)系統(tǒng)能夠?qū)骰氐母黜?xiàng)墑情。

數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和統(tǒng)計(jì)分析等操作。將來(lái)通過對(duì)歷史墑情數(shù)據(jù)的分析可以預(yù)測(cè)農(nóng)作物的產(chǎn)量和澆水施肥時(shí)間等，進(jìn)而可以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，同時(shí)也能為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題提供很好的解決依據(jù)。

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