農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)測與評價系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

摘? 要：農(nóng)作物的生長環(huán)境對其產(chǎn)量和質(zhì)量具有很大的影響，目前我國對農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測與評價的系統(tǒng)尚不成熟。對此，研發(fā)了一套農(nóng)作物生長環(huán)境智能監(jiān)測與評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集站點、服務(wù)器端數(shù)據(jù)交互程序和網(wǎng)頁客戶端三部分組成，實現(xiàn)了對土壤溫濕度、PH值、EC值、光照度等環(huán)境指標(biāo)以及現(xiàn)場圖像的遠(yuǎn)程監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析處理。該系統(tǒng)無需在監(jiān)測現(xiàn)場建立網(wǎng)絡(luò)基站，具備了可遷移性好、成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點，實現(xiàn)了將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集與云端的科學(xué)化服務(wù)平臺相結(jié)合，為農(nóng)業(yè)作業(yè)的實施提供了科學(xué)有效的參考與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物生長環(huán)境;數(shù)據(jù)采集;環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP274? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）10-0011-03

Abstract：Crop growth environment has a great influence on the yield and quality of crops. At present，environmental monitoring and evaluation system for the growth of crops is undeveloped in China. Therefore，an intelligence environment monitoring and evaluating system has been developed. This system consists of three parts，including data collection device，server-side data interaction software and web client. It achieves remote real-time monitoring and analysis for muti-indicators such as soil temperature and humidity，PH，EC and illumination. The system does not need to establish the network base station in the monitoring site，and has the characteristics of good mobility，low cost and strong environmental adaptability. It realizes the combination of accurate data collection on the spot and the scientific service platform in the cloud for agricultural operation. Providing a scientific and effective reference and guidance.

Keywords：crop growth environment;data collection;environment monitoring

0? 引? 言

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、安全一直是農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)的目標(biāo)。其中，農(nóng)作物的生長環(huán)境會對其產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要影響[1]，尤以中草藥種植最為突出。因此，如何對農(nóng)作物生長環(huán)境的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測成為了目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題。

我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正處于高速發(fā)展階段，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所使用的大型器械（諸如播種插秧、莊稼收割、農(nóng)藥噴灑）已相當(dāng)普及，然而在農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)測方面尚處于落后階段[2-4]。目前，農(nóng)作物生長環(huán)境指標(biāo)的自動監(jiān)測并沒有完全普及，很多地區(qū)主要借助人力進(jìn)行定期的現(xiàn)場環(huán)境取樣，進(jìn)而在實驗室進(jìn)行化驗分析得出結(jié)果，時效性較差。近年來，一些地區(qū)采用了在現(xiàn)場設(shè)置網(wǎng)絡(luò)基站，通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，但成本較高，可遷移性差[5-7]。因此，目前尚缺乏一種快速、準(zhǔn)確、可遷移、適應(yīng)性較強(qiáng)的農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

對此，本文研發(fā)了一套針對農(nóng)業(yè)種植現(xiàn)場的農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)測與評價的系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集站點、服務(wù)器端數(shù)據(jù)交互程序和網(wǎng)頁客戶端三部分組成，主要實現(xiàn)了對土壤溫濕度、PH值、EC值、光照度等多項指標(biāo)的實時監(jiān)測。同時，本文也提出了一種基于改進(jìn)物元模型的評價方法，該方法在經(jīng)典物元模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜业囊庖?，將系統(tǒng)所管理的數(shù)據(jù)用于評價農(nóng)作物在目標(biāo)生長環(huán)境中的適應(yīng)性。

1? 系統(tǒng)框架

1.1? 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

本系統(tǒng)主要由三大部分組成，包括數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)交互層和數(shù)據(jù)展示層。數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集層獲取，在服務(wù)器端接收并進(jìn)行相應(yīng)的管理操作，最終根據(jù)網(wǎng)頁客戶端的功能需求，對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)用和應(yīng)用操作。農(nóng)作物生長環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層是以多種測量影響農(nóng)作物種植因素的傳感器和攝像頭為數(shù)據(jù)來源，以主控制器作為處理數(shù)據(jù)的核心，同時可以將采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送。本系統(tǒng)可以監(jiān)測的農(nóng)作物生長環(huán)境指標(biāo)主要包括：土壤溫濕度、PH值、EC值、大氣溫濕度、光照強(qiáng)度以及大氣壓值。

數(shù)據(jù)交互層主要實現(xiàn)的是GPRS與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將在云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)存入服務(wù)器本地的數(shù)據(jù)庫中。通過集成在程序中的評價方法，結(jié)合采集的數(shù)據(jù)對該農(nóng)作物生長環(huán)境對于不同作物的種植匹配性提供相應(yīng)的評價，作為網(wǎng)頁客戶端提供數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)展示層是基于C#和JavaScript等高級語言進(jìn)行編程實現(xiàn)的網(wǎng)頁客戶端。通過訪問服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫，將所需數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和顯示，并且可以將所有查收到的數(shù)據(jù)繪制成趨勢圖，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示功能。

1.2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件組成主要包括主控制器、GPRS模塊、攝像頭、以及各類傳感器，其中包括了土壤溫濕度傳感器，土壤EC值傳感器，土壤PH值傳感器，以及用于采集大氣相關(guān)指標(biāo)（大氣溫濕度，大氣壓以及光照強(qiáng)度）的小型氣象站。硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，主控制器是以ARM控制器作為控制核心。通過定時向傳感器和攝像頭發(fā)送命令來獲取反饋數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，最終通過GPRS模塊發(fā)送到云服務(wù)器。硬件部分采用了太陽能蓄電池的供電方案，加裝了防水外殼，極大地提高了其環(huán)境適應(yīng)能力。

1.3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.3.1? 服務(wù)器端軟件設(shè)計

服務(wù)器端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的云端接收與管理，以及服務(wù)網(wǎng)頁客戶端的調(diào)用。通過Socket通訊，分別為主控制器的數(shù)據(jù)傳輸和圖片傳輸分配了兩個獨立的端口。當(dāng)接收到主控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)包時，提取包含數(shù)據(jù)內(nèi)容的數(shù)據(jù)位。通過對本地數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)操作，實現(xiàn)添加、修改、刪除、查詢數(shù)據(jù)等功能。當(dāng)接收到主控制器發(fā)來的現(xiàn)場照片時，將照片按照指定命名格式存儲在服務(wù)器硬盤的指定路徑文件夾中，并將照片的文件路徑存儲在本地數(shù)據(jù)庫中。

1.3.2? 網(wǎng)頁客戶端

網(wǎng)頁客戶端位于數(shù)據(jù)顯示層，主要實現(xiàn)了實時監(jiān)測，統(tǒng)計分析等功能。網(wǎng)頁客戶端的架構(gòu)如圖3所示。

存儲在云服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析以及評價方法提供的結(jié)果，在網(wǎng)頁端進(jìn)行展示。網(wǎng)頁客戶端的主界面如圖4所示。

2? 功能實現(xiàn)

2.1? 指標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸與管理

應(yīng)用Socket通信技術(shù)，系統(tǒng)通過下位機(jī)農(nóng)田數(shù)據(jù)采集站點收集數(shù)據(jù)，上傳至云服務(wù)器端，由服務(wù)器本地數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存操作。數(shù)據(jù)應(yīng)用于網(wǎng)頁客戶端，根據(jù)用戶需求，系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能。

2.1.1? 實時數(shù)據(jù)

根據(jù)該系統(tǒng)在實際使用中的需求，用戶在網(wǎng)頁客戶端需要獲取現(xiàn)場實時的數(shù)據(jù)。通過在主界面點擊“實時數(shù)據(jù)”按鈕，即進(jìn)入相應(yīng)功能界面。選擇監(jiān)測站點可以獲得該站點實時數(shù)據(jù)和監(jiān)測圖片。根據(jù)下位機(jī)設(shè)置的時間，可以定時刷新獲取對應(yīng)站點的最新數(shù)據(jù)供用戶查閱使用。

2.1.2? 歷史數(shù)據(jù)

在實際使用中，用戶仍需要通過系統(tǒng)獲取站點的歷史數(shù)據(jù)。點擊“統(tǒng)計分析”中的“歷史數(shù)據(jù)”按鈕，即進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)界面，通過選擇監(jiān)測站點及查詢數(shù)據(jù)的起止時間可獲得詳細(xì)的“歷史數(shù)據(jù)”列表。重新設(shè)置更改站點和起止時間，點擊確定，即可實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)查詢。

2.1.3? 數(shù)據(jù)趨勢分析

應(yīng)用于解決用戶在查閱過程中數(shù)據(jù)過于繁雜的實際問題。系統(tǒng)中開發(fā)了數(shù)據(jù)趨勢分析的功能。在主界面點擊“統(tǒng)計分析”中的“數(shù)據(jù)分析表”按鈕，即進(jìn)入相應(yīng)功能，同樣通過選擇監(jiān)測站點及需分析數(shù)據(jù)的起止時間可獲得詳細(xì)的歷史數(shù)據(jù)走勢分析曲線圖。該數(shù)據(jù)是針對眾多數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選取樣，在用戶設(shè)定的時間內(nèi)，對篩選出的數(shù)據(jù)以曲線圖的形式進(jìn)行趨勢展示。

2.2? 圖片傳輸管理功能

同樣使用Socket技術(shù)，對攝像頭照片進(jìn)行文件流操作。系統(tǒng)也實現(xiàn)了2G網(wǎng)絡(luò)下的農(nóng)田現(xiàn)場的圖片傳輸與云端圖片管理功能。應(yīng)用于Web客戶端，系統(tǒng)為用戶提供了網(wǎng)頁獲取現(xiàn)場圖片進(jìn)行相關(guān)監(jiān)察工作的功能（包含了實時圖片和歷史圖片的查詢）。在主界面點擊“統(tǒng)計分析”中的“歷史圖片”按鈕，即進(jìn)入相應(yīng)功能，同樣通過選擇監(jiān)測站點及需查詢圖片的起止時間可獲得詳細(xì)的歷史圖片。

3? 結(jié)? 論

本文了設(shè)計一套農(nóng)作物生長環(huán)境智能監(jiān)測與評價系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合串口通訊、云服務(wù)等技術(shù)，實現(xiàn)對了農(nóng)作物生長環(huán)境多項指標(biāo)的實時、準(zhǔn)確獲取，并提供了直觀便捷的數(shù)據(jù)展示平臺。站點配備了防水外殼與攝像頭，高適應(yīng)性的太陽能結(jié)合蓄電池的供電方案，極大地提升了該設(shè)備在野外作業(yè)條件下的環(huán)境適應(yīng)性與普及性。同時，該系統(tǒng)也有進(jìn)一步提高的空間，例如：針對農(nóng)田環(huán)境，指標(biāo)數(shù)據(jù)分布均勻性較差的特點，農(nóng)田數(shù)據(jù)采集站點需要考慮多點布控，網(wǎng)絡(luò)化收集農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)。針對目前移動端設(shè)備的迅猛發(fā)展，在現(xiàn)有的網(wǎng)頁客戶端功能基礎(chǔ)之上，開發(fā)手機(jī)APP客戶端，更好地為科學(xué)種植提供高效便利的服務(wù)。

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作者簡介：焦穎（1987-），女，漢族，河北保定人，碩士，研究方向：信息技術(shù)、交互設(shè)計。