紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)研究

付 青，吳 玄，郭 晨,2，肖 蓉,2，曾 寰,2

紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)研究

付 青1,2,3，吳 玄1，*郭 晨1,2，肖 蓉1,2，曾 寰1,2

（1. 井岡山大學電子與信息工程學院，江西，吉安 343009；2. 江西省農(nóng)作物生長物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)工程實驗室，江西，吉安 343009 3. 同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092）

針對紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的實際需求，主要研究開發(fā)紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，采用了物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，使用Java語言，結(jié)合Spring，SpringMVC，MyBatis，Spring Boot以及Quartz等相關(guān)應(yīng)用框架進行開發(fā)，建立一套穩(wěn)定、易用的紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)自動監(jiān)測、設(shè)備自動調(diào)控等功能，進而減少人工干預、提升作業(yè)效率。并進一步發(fā)展紅壤丘陵區(qū)智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)方案，具有重要的科學價值和實際意義。

紅壤；丘陵區(qū)；農(nóng)業(yè)環(huán)境；自動監(jiān)測；系統(tǒng)

當前正是我國全面建設(shè)小康社會的緊要關(guān)頭，農(nóng)業(yè)形勢的穩(wěn)固，“三農(nóng)”戰(zhàn)略大力推動以及農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，已經(jīng)成為確保國家發(fā)展和社會穩(wěn)定并實現(xiàn)第一個一百年奮斗目標的基礎(chǔ)[1-2]。習近平總書記指出，要把發(fā)展農(nóng)業(yè)科技放在更加突出的位置，大力推進農(nóng)業(yè)機械化、智能化，給農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化插上科技的翅膀。

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測技術(shù)在我國得到了廣泛的研究。隨著農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測研究的深入，我國智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)不斷成熟[3-4]。我國高校和農(nóng)業(yè)科研部門開展了大量的智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域科學實驗，形成了一套完整的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)具有較強的實用性，可以滿足多種農(nóng)作物的生長需要[5-7]。

學者們對智慧農(nóng)業(yè)進行了廣泛研究，如郭文川等[8]開發(fā)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)；朱鴻運等[9]實現(xiàn)了基于DTU和Datalogger的農(nóng)作物生長環(huán)境信息在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計；張瑋等[10]設(shè)計了現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)設(shè)施大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。上述研究在一定程度上為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)支持，為智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的開發(fā)和建設(shè)打下了基礎(chǔ)，使中國的智慧農(nóng)業(yè)得到了更好、更快地發(fā)展。

智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，是保證農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和質(zhì)量的技術(shù)保障。智慧農(nóng)業(yè)融合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器計算、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計算技術(shù)[11-13]。為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供專家智慧，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加高效靈活，達到提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、節(jié)約勞動力資源、保護土壤環(huán)境的目的，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的遠程監(jiān)控功能，農(nóng)業(yè)現(xiàn)場可視化觀察、異常報警及數(shù)據(jù)存儲[14-16]。

南方紅壤丘陵區(qū)是我國重要的土地資源，主要分布于長江以南的低山丘陵區(qū)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位[17]。南方紅壤丘陵區(qū)與我國其他地區(qū)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)手段并無較大差異，其主要區(qū)別在于不同地區(qū)監(jiān)測到的農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)具有較大差別。針對南方紅壤丘陵區(qū)采集的農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)值，可進一步分析其變化規(guī)律與農(nóng)作物之間的生長關(guān)系，進而提高紅壤丘陵區(qū)的農(nóng)作物產(chǎn)量。已有學者針對紅壤丘陵區(qū)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測進行了一定的研究，如文超[18]利用衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)集，研究了贛南紅壤丘陵區(qū)桔園的時空格局及其土壤溫濕度特征。李經(jīng)緯[19]分析了南方紅壤區(qū)土壤侵蝕時空演變特征及主要驅(qū)動力。尹春梅等[20]對2004～2014年桃源站紅壤坡地不同利用方式下土壤含水量長期監(jiān)測數(shù)據(jù)集。這些研究主要是宏觀上對部分農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)進行了監(jiān)測。此外，針對紅壤丘陵區(qū)的農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的研究更不多。

鑒于此，本文旨在研究紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，利用智能傳感器設(shè)備采集農(nóng)業(yè)環(huán)境信息，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)連接云服務(wù)存儲，再結(jié)合大數(shù)據(jù)、信息通信等先進技術(shù)，使智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對農(nóng)作物生長信息和環(huán)境的監(jiān)測，以及數(shù)據(jù)的分析和處理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源的合理配置，降低勞動力成本，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量最大化。

1 方法

1.1 系統(tǒng)總體框架

紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)主要包括總監(jiān)控臺、控制配置、操作記錄等模塊，該系統(tǒng)總體框架如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

1.2 系統(tǒng)需求分析與功能設(shè)計

功能需求表示開發(fā)工作者在開發(fā)系統(tǒng)時必須要完成的功能，功能需求分析是軟件開發(fā)中最為重要的階段，用戶可以借助這些功能實現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)邏輯。本系統(tǒng)的目的是幫助用戶隨時隨地的監(jiān)測溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，并且當溫室大棚內(nèi)某一環(huán)境參數(shù)異常時，用戶可以及時地進行遠程控制。

本系統(tǒng)大致包含以下幾個模塊：實時數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、報警模塊和系統(tǒng)配置模塊等。用戶最關(guān)心的是溫室大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實時顯示，以及能否對溫室大棚內(nèi)的設(shè)備進行有效地控制。所以這兩個模塊開發(fā)是本系統(tǒng)的重點和難點，也是影響最后開發(fā)的軟件是否令用戶滿意的重要因素。用戶可以借助此系統(tǒng)提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，提高整體農(nóng)業(yè)的從業(yè)人員的水平。

本系統(tǒng)的代碼架構(gòu)設(shè)計如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)代碼架構(gòu)設(shè)計

①觸發(fā)器

觸發(fā)器是該系統(tǒng)的核心，所有的自動處理功能都基于觸發(fā)器的配置實現(xiàn)，用戶可以自定義觸發(fā)器的配置。要使得觸發(fā)器能夠定時執(zhí)行，需要在Quartz配置一個jobDetail對象，并至少要設(shè)置name, group, targetObject和targetMethod四個基本屬性，其中targetObject是要執(zhí)行的類，targetMethod是該類中要執(zhí)行的方法。且在Spring環(huán)境中，需要在jobDetail類上加入@Bean注解，才會使得Spring容器能夠掃描到該類并加載進環(huán)境中。

②恢復器

在使用觸發(fā)器對設(shè)備進行操作以后，使用線程等待確定時間再恢復設(shè)備狀態(tài)的方式在觸發(fā)器較多且觸發(fā)器數(shù)量不確定的時候并非是一個明智的選擇，因此本系統(tǒng)用恢復器來恢復觸發(fā)器執(zhí)行的操作。由于恢復器沒有動態(tài)修改掃描周期的需求，因此使用了Spring Boot的Schedule定時器功能，該功能需要在恢復器類上加上@EnableScheduling注解，并在需要定時執(zhí)行的方法上添加@Scheduled(執(zhí)行周期)注解，此處執(zhí)行周期設(shè)置為了fixedRate = 10000，即10 s執(zhí)行一次。

③檢測周期

檢測周期由提前編寫好的Cron表達式?jīng)Q定，系統(tǒng)預留了15個常用的Cron表達式，效果分別為：暫停監(jiān)測、3 s監(jiān)測一次、5 s監(jiān)測一次、10 s監(jiān)測一次、30 s監(jiān)測一次、每分鐘監(jiān)測一次、3 min監(jiān)測一次、10 min監(jiān)測一次、20 min監(jiān)測一次、30 min監(jiān)測一次、每小時監(jiān)測一次、3 h監(jiān)測一次、6 h監(jiān)測一次、12 h監(jiān)測一次、24 h監(jiān)測一次。

用戶可以修改檢測周期來決定多久掃描一次觸發(fā)器。在修改監(jiān)測周期時，該系統(tǒng)需要調(diào)用scheduler.rescheduleJob(cronTrigger.getKey(), trigger)方法從將Quartz的scheduler使用修改后的cron表達式重新構(gòu)建，此時則完成了監(jiān)測周期的修改。

④Dao層

該系統(tǒng)中Dao層使用了MyBatis的注解Mapper和封裝后的JDBC Template兩種形式。

其中MyBatis的注解Mapper形式如下：

在接口方法中使用注解，MyBatis則可以自動生成實現(xiàn)類供開發(fā)者調(diào)用。在MyBatis注解中使用#{}的形式插入?yún)?shù)時，會通過給插入的參數(shù)加上單引號的形式避免SQL注入問題，而當使用${}的形式插入?yún)?shù)時，則不會避免SQL注入問題。而@Insert注解的作用則是表示該方法為插入方法，此外刪/改/查對應(yīng)的注解分別是@Delete，@Update和@Select。

而JDBC Template則相較于MyBatis，手動化程度更高，在一些MyBatis注解不方便使用的場景則較為合適。本系統(tǒng)也在此處對JDBC Template進行了封裝，通過Java反射自動獲取實體類的屬性名和屬性值來實現(xiàn)自動的增/刪/改/查方法，大幅度提高了JDBC Template的易用性，所有使用JDBC Template的Dao都繼承自一個基礎(chǔ)Dao類，該Dao類則包含了這些增/刪/改/查方法。

在以上兩種形式的Dao層中執(zhí)行刪除、更新、插入數(shù)據(jù)時，要數(shù)據(jù)庫操作成功時，返回true代表操作成功，否則返回false代表操作失敗。

⑤Service層和Controller層

Service層則是常規(guī)的三層架構(gòu)中的處理過程，對數(shù)值進行了校驗并處理了一些特殊情況。Controller層在傳輸數(shù)據(jù)給前端時，若不以Json格式傳輸，則需要使用model.addAttribute()方法進行傳輸?shù)絫hymeleaf模板引擎，而該模板引擎進行渲染時，需要在thymeleaf中使用th:object屬性進行接收。

⑥Util工具類

Util包中包含CommonUtil（通用工具類）、StringUtil（字符串處理工具類）和ReflectUtil（反射工具類）。其中通用工具類為常規(guī)的日期格式轉(zhuǎn)換方法和基本的數(shù)組操作方法，字符串處理工具類為字符串判斷方法（如判斷字符串是否為空字符串或為空指針），反射工具類則包含了獲取實體類屬性名數(shù)組和屬性值數(shù)組的方法。

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要包括觸發(fā)器、恢復器、檢測周期等表，現(xiàn)對這三種表屬性進行詳細設(shè)計，具體如表1至表3所示。

表1 觸發(fā)器表

表2 恢復器表

表3 檢測周期表

1.4 數(shù)據(jù)流向圖

紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、報警模塊，各模塊間數(shù)據(jù)的流向如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)流向圖

1.5 系統(tǒng)模塊開發(fā)與測試

紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)采用主流的Spring Boot + Spring + SpringMVC + MyBatis 的框架配置，并輔以Quartz框架實現(xiàn)觸發(fā)器功能，使用Java代碼編寫，數(shù)據(jù)庫支持MySQL，可對代碼進行微調(diào)后支持SQLServer，開發(fā)使用 IntelliJ IDEA。整個系統(tǒng)可以運行在Windows Server和Linux服務(wù)器中，已在Windows Server 2008、Windows10 Profession、Cent OS 7.5 (其中一種 Linux 發(fā)行版，是國內(nèi)主流使用的服務(wù)器Linux系統(tǒng))進行測試。由于代碼為前后端分離設(shè)計，在經(jīng)過接口處理的情況可以匹配主流的前端代碼。

①觸發(fā)器測試

閾值的數(shù)值單位基于其關(guān)鍵字對應(yīng)的觸發(fā)器，如空氣溫度1的閾值數(shù)值單位則是攝氏度，空氣濕度1對應(yīng)百分比，光照強度對應(yīng)Lux；操作時間的默認單位為分鐘，具體觸發(fā)器配置如表4所示。

表4 測試的觸發(fā)器表

觸發(fā)器成功觸發(fā)的標志是在tMotoCmdInfo表寫入一條iCmdStatus的值為0的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)（輸出大棚內(nèi)的系統(tǒng)會自動掃描tMotoCmdInfo表中iCmdStatus的值為0的操作操作設(shè)備），并且日志文件中會記錄觸發(fā)器觸發(fā)的時間和觸發(fā)器id，當以上三個事件同時發(fā)生時代表該觸發(fā)器已經(jīng)成功執(zhí)行。

此處測試觸發(fā)器是否只有在啟用狀態(tài)才會觸發(fā)、是否會在起始時間和終止時間內(nèi)觸發(fā)、是否在判斷到傳感器達到觸發(fā)器條件后才會觸發(fā)、觸發(fā)后操作設(shè)備是否正常。

②恢復器測試

此處測試恢復器是否會正?；謴陀|發(fā)器操作的設(shè)備、對操作時間為0（也就是不恢復）的觸發(fā)器是否能正常還原。

2 系統(tǒng)運行與測試

2.1 運行環(huán)境

該系統(tǒng)主要基于Java1.8實現(xiàn)，結(jié)合MySQL進行開發(fā)，服務(wù)端只需要安裝jre1.8和MySQL 8.0.16并導入基本數(shù)據(jù)即可運行。該系統(tǒng)的原型界面如圖4所示。

2.2 系統(tǒng)測試

實驗測試環(huán)境自建大棚內(nèi)，里面布設(shè)了4個傳感器，其采集的對應(yīng)傳感器數(shù)值如表5所示。

圖 4 系統(tǒng)原型界面

表5 傳感器數(shù)值和對應(yīng)觸發(fā)狀態(tài)表

設(shè)定的監(jiān)測間隔為1 min一次。經(jīng)過實際測試，得到的生成日志如圖5所示。

圖5 生成日志

從圖5可以看出三個觸發(fā)器的觸發(fā)時間為：15時29分38(39)秒，說明系統(tǒng)在1 s之內(nèi)完成了觸發(fā)器的掃描和執(zhí)行工作；2號觸發(fā)器因為大棚內(nèi)環(huán)境不滿足觸發(fā)條件所以沒有觸發(fā)；3號觸發(fā)器在觸發(fā)后會一直保持正在執(zhí)行狀態(tài)直到用戶手動關(guān)閉2#天窗；而7號、9號觸發(fā)器設(shè)定的恢復時間為5 min，理論上恢復時間應(yīng)為15時34分38秒左右，但由于恢復器掃描周期為10 s，存在最多10 s的延遲?；謴推魅罩救鐖D6所示。

圖6 恢復器日志

如圖6可以看出恢復器在15:34:48秒恢復了7號和9號觸發(fā)器的設(shè)備操作，此外，恢復器在誤差允許的范圍內(nèi)將7號觸發(fā)器和9號觸發(fā)器進行正?；謴??；謴秃蟛樵儾僮髟O(shè)備記錄如圖7所示。

圖7 設(shè)備操作記錄表

從圖7可以看出觸發(fā)器和恢復器已經(jīng)下發(fā)指令操作設(shè)備，且時間（表中vcTime字段，其格式為：年年年年月月日日時時分分秒秒毫秒，即yyyyMMddHHmmssSSS）與觸發(fā)時間、恢復時間吻合。

3 結(jié)論

針對紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測的實際需求，建立了一套穩(wěn)定、易用的紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)。通過專業(yè)的傳感器對農(nóng)業(yè)環(huán)境中的空氣溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度、土壤溫濕度、土壤EC值和土壤PH值進行監(jiān)測，并根據(jù)用戶設(shè)定的控制配置實現(xiàn)自動操作補光燈、灌溉器、噴霧器等設(shè)備，以此自動調(diào)節(jié)農(nóng)作物的生長環(huán)境。

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1674-8085（2021）06-0058-06

CONSTRUCTION OF AGRICULTURAL ENVIRONMENT AUTOMATIC MONITORING SYSTEM IN RED SOIL HILLY REGION

FU Qing1,2,3, WU Xuan1,*GUO Chen1,2, XIAO Rong1,2, ZENG Huan1,2

（1. School of Electronics and Information Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China; 2. Jiangxi Engineering Laboratory of IoTTechnology for Crop Growth, Ji’an, Jiangxi 343009, China;3. College of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China）

In view of the actual demand of agricultural environment automatic monitoring system construction in red soil hilly region, the automatic monitoring system of agricultural environment in red soil hilly region was studied and developed by using the technologies of Internet of things (IOT), data mining and Java language, and combined with Spring, Spring MVC, MyBatis, Spring boot and Quartz and other related application frameworks. A stable and easy-to-use automatic monitoring system of agricultural environment in red soil hilly region was established, the functions of automatic monitoring of agricultural environmental parameters and automatic regulation of equipment in red soil hilly area were realized, which could reduce manual intervention and improve operation efficiency. It showed important scientific value and practical significance.

red soil; hilly region; agricultural environment; automatic monitoring; system

10.3669/j.issn.1674-8085.2021.06.011

TQ324.3

A

2021-06-28；

2021-08-22

國家自然科學基金項目(61862035)；江西省紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境污染防控重點實驗室開放基金項目(JXKL2021003)；井岡山大學服務(wù)地方專項項目(JFD2015)

付 青(1990-)，男，江西撫州人，實驗師，碩士，主要從事智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用方面等研究(E-mail:fvqing@163.com)；

吳 玄(1998-)，男，江西吉安人，井岡山大學電子與信息工程學院2016級通信工程專業(yè)本科生(E-mail:554350076@qq.com)；

*郭 晨(1979-)，男，江西吉安人，教授，博士，主要從事計算機軟件設(shè)計與開發(fā)方面等研究(E-mail:519670255@qq.com)；

肖 蓉(1979-)，女，江西吉安人，講師，碩士，主要從事計算機軟件設(shè)計方面等研究(E-mail:635607085@qq.com)；

曾 寰(1990-)，男，江西吉安人，實驗師，碩士，主要從事計算機軟件開發(fā)方面等研究(E-mail:584251395@qq.com).