基于UDP組播協(xié)議的土壤數(shù)據(jù)實時監(jiān)測軟件的設計與實現(xiàn)

中圖分類號：TP311.52 文獻標志碼：A 文章編號： 1000-5013（2025）04-0455-07

Design and Implementation of Real-Time Soil Data Monitoring Software Based on UDP Multicast Protocol

MEI Xiaohua，HUANG Caihong，DONG Yuying （School of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Xiamen 36lO21，China）

Abstract：To address the requirements of generality and scalability in real-time data monitoring of mainstream soil monitoring systems，a hierarchical visualization software design framework for Model-View-View Model （MVVM） based on user datagram protocol （UDP） multicast real-time data stream is proposed. The framework adopts UDP multicast at the external interface layer to achieve“one to many”client extension capability. Meanwhile，an improved MVVM model is adopted at the human-computer interaction layer to achieve universal visualization of multi-dimensional soil data. Experimental results show that the proposed software can meet the real-time soil monitoring needs of agricultural experts and farmers，overcoming the limitations of traditional offline guidance，efectively resucing labor costs，and contributing to the advancement of smart agriculture.

Keywords：soil monitoring;user datagram protocol; Model-View-View Model; smart agriculture

土壤信息的實時獲取有助于掌握農田土壤生態(tài)質量狀況，在土壤質量評估和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。通過對土壤實時監(jiān)測，能夠及時了解土壤中水分、氮磷鉀等養(yǎng)分含量、酸堿度和有機質含量等數(shù)據(jù)。通過土壤濕度數(shù)據(jù)的變化趨勢可以預測未來的土壤水分狀況，從而合理安排灌溉計劃;通過土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)，可以提供科學的施肥建議，保證農作物可持續(xù)化生長，優(yōu)化農業(yè)產(chǎn)量和質量，降低能耗。因此，需要通過數(shù)字化的技術手段實現(xiàn)更精確、更智能的土壤數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，助力智慧農業(yè)[1]?；诖耍疚奶岢鲆环N基于用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）組播協(xié)議的土壤數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件。

土壤監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1 設計原則

土壤監(jiān)測系統(tǒng)的設計目標主要是精準實時地檢測土壤狀況，并將監(jiān)測系統(tǒng)中各類傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至各監(jiān)測終端軟件，以供專家分析和農戶跟蹤，從而進行有針對性地施肥[2]。其設計原則主要包括：1）土壤監(jiān)測系統(tǒng)由軟、硬件系統(tǒng)集成，硬件系統(tǒng)主要實現(xiàn)傳感器采集，軟件系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和可視化;2）發(fā)揮軟件遠程數(shù)據(jù)可視化的優(yōu)勢，將各節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)以曲線或圖表的方式展示給領域專家和農戶;3）軟件與各傳感器之間通過一對多的網(wǎng)絡通信方式實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的最大化共享[3-4]。

1. 2 系統(tǒng)部署

土壤監(jiān)測系統(tǒng)主要由前端數(shù)據(jù)采集子單元和后端實時監(jiān)測子單元組成[5-6]，其中，前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括主控模塊、土壤參數(shù)檢測模塊、網(wǎng)絡通信模塊，后端實時監(jiān)測子系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集計算機、數(shù)據(jù)處理計算機、終端顯示計算機和數(shù)據(jù)管理服務器組成。土壤監(jiān)測系統(tǒng)硬件部署圖，如圖1所示。

傳感器組用于對氮磷鉀含量、土壤濕度、pH值和電導率等土壤參數(shù)進行實時監(jiān)測[7}；主控模塊用于數(shù)據(jù)采集和組包;通信模塊通過網(wǎng)絡協(xié)議將組包后的土壤數(shù)據(jù)和設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至后端實時監(jiān)測子系統(tǒng)的交換機。數(shù)據(jù)采集計算機通過交換機獲取通信模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)包分離出土壤數(shù)據(jù)和設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，解析設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)后，將土壤數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理計算機進行解析處理，處理后的設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)均發(fā)送至終端顯示計算機，解析后的設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)及各類原始數(shù)據(jù)均存人數(shù)據(jù)管理服務器。

后端實時監(jiān)測子單元由土壤監(jiān)測系統(tǒng)的多個軟件組成，包括土壤數(shù)據(jù)采集軟件、土壤數(shù)據(jù)處理軟件、土壤數(shù)據(jù)歸檔軟件及土壤數(shù)據(jù)實時監(jiān)測軟件。土壤監(jiān)測系統(tǒng)軟件部署，如表1所示。

2 土壤數(shù)據(jù)實時監(jiān)測軟件的設計與實現(xiàn)

在土壤監(jiān)測系統(tǒng)中，土壤數(shù)據(jù)實時監(jiān)測軟件作為核心部件，不僅能為農業(yè)專家、農戶提供實時測試數(shù)據(jù)，還能在專家、農戶需要的時候提供歷史土壤數(shù)據(jù)的查詢和下載。RDS軟件通過網(wǎng)絡接收來自前端數(shù)據(jù)采集設備（數(shù)據(jù)采集計算機、數(shù)據(jù)處理計算機）的物理量參數(shù)，包括土壤數(shù)據(jù)（氮磷鉀含量、土壤濕度、pH值和電導率等）和設備工作狀態(tài)（設備數(shù)據(jù)采集是否正常、數(shù)據(jù)通信是否正常等）數(shù)據(jù)，并將解析后的物理量參數(shù)以曲線、表格的方式形象直觀地提供給農業(yè)專家、農戶進行參考和分析，方便用戶及時了解土壤狀況及土壤監(jiān)測設備的工作狀態(tài)。為了實現(xiàn)友好的人機交互效果，RDS軟件采用基于 C^? 語言的WPF框架進行開發(fā)。

2.1 軟件設計思想

RDS軟件在設計上需要直接面對用戶進行數(shù)據(jù)展示，因此，采用基于 C^? 語言的WPF框架，利用軟件分層與模塊化設計，增加軟件的通用性，使開發(fā)人員只需修改軟件配置文件，就可適用不同項目的有效載荷測試需求[8-9]。RDS軟件功能模塊結構圖，如圖2所示。

1）外部接口層。實現(xiàn)RDS 軟件與前端設備、數(shù)據(jù)庫和本地硬盤的數(shù)據(jù)存儲與讀取，RDS 軟件通過網(wǎng)絡接收來自前端數(shù)據(jù)采集設備的土壤實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且為用戶提供數(shù)據(jù)庫的檢索功能，從數(shù)據(jù)庫中讀取歷史數(shù)據(jù)文件路徑、歷史土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)及解析方法等信息，下載需要的歷史數(shù)據(jù)和文件。

2）數(shù)據(jù)校驗層。該層主要完成對實時數(shù)據(jù)的差錯校驗與恢復。由于RDS軟件與前端設備的數(shù)據(jù)鏈路采用UDP組播通信的方式，可能存在數(shù)據(jù)幀丟失或解析錯誤的情況，并且對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)檢索也需要進行必要的日期、字段等校驗，所以，數(shù)據(jù)校驗層要提供傳輸幀校驗、檢索指令和數(shù)據(jù)校驗等功能。

3）數(shù)據(jù)解析層。根據(jù)土壤監(jiān)測系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)接口協(xié)議，按照偏移位置、解析值和源碼等字段對經(jīng)過校驗的實時數(shù)據(jù)幀進行處理，提取工程參數(shù)、遙測參數(shù)和設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)等物理量，同時根據(jù)用戶的檢索條件，將歷史數(shù)據(jù)和文件的檢索條件轉換成結構化查詢語言（SQL），或將檢索到的歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)文件目錄發(fā)送至人機交互層進行顯示。

4）人機交互層。將數(shù)據(jù)解析層的計算結果、歷史數(shù)據(jù)和文件的檢索結果通過圖表等方式實時顯示給農業(yè)專家和農戶，該部分采用面向實時數(shù)據(jù)流的模型-視圖-視圖模型（Model-View-ViewModel，MV-VM）設計模式，通過ViewModel與View的數(shù)據(jù)綁定模型，提高測試數(shù)據(jù)的可視化程度。

2.2 外部接口層設計

外部接口層包括UDP 組播通信模塊、數(shù)據(jù)庫通信模塊和硬盤輸人/輸出（IO）讀寫模塊，其中，UDP組播通信模塊采用UDP組播的方式實時接收來自前端設備的各類測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫通信模塊采用ADO技術進行數(shù)據(jù)通信。

2.2.1 UDP組播通信RDS軟件部署在多臺終端顯示計算機上，通過網(wǎng)絡接收從接收數(shù)據(jù)采集計算機、數(shù)據(jù)處理計算機發(fā)送的設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和土壤實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，支持農業(yè)專家、農戶實時監(jiān)視土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)各傳感器的工作狀態(tài)。RDS 軟件與前端數(shù)據(jù)采集設備的通信采用UDP 組播技術，而不是傳統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議（TCP）或UDP 點對點通信方式，這樣可以避免傳統(tǒng)通信方式在“一對多”的情況下出現(xiàn)的網(wǎng)絡擁塞，減少前端數(shù)據(jù)采集設備的計算負荷[0-11]。

WPF 中實現(xiàn)組播技術有2種編程模式：一種是傳統(tǒng)的 socket編程;另一種是封裝后的UdpClient類，后者對前者進行封裝，編程上更簡潔，RDS 軟件采用UdpClient類以輪詢的方式接收組播數(shù)據(jù)[12-13]。組播數(shù)據(jù)接收功能程序塊，如圖3所示。

上述組播發(fā)送函數(shù)中，UdpClient 類初始化后得到實例 receiveUdp，receiveUdp 的 receive方法以阻塞的形式讀取組播數(shù)據(jù)，接收到一個完整的有效載荷工程參數(shù)幀或遙測參數(shù)幀后，退出receive方法，并將接收到的數(shù)據(jù)通過緩沖區(qū)送到數(shù)據(jù)解析層。

2.2.2數(shù)據(jù)庫通信土壤監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫部署在Windows Server2OO8 的數(shù)據(jù)管理服務器上，管理

服務器上裝有Oracle數(shù)據(jù)庫軟件，RDS軟件采用ActiveX數(shù)據(jù)對象（ADO）技術與數(shù)據(jù)庫進行通信，ADO是微軟提出的應用程序接口（API），用以實現(xiàn)訪問關系或非關系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，Ora-cle數(shù)據(jù)庫提供對ADO框架的托管封裝ODP.NET驅動，在實際使用過程中，無需安裝整個ODP.NET驅動套件，RDS軟件只需引用其中的Oracle.ManagedDataAccess.dll即可與數(shù)據(jù)庫進行通信[14]。數(shù)據(jù)庫訪問功能程序，如圖4所示。

由于RDS軟件對數(shù)據(jù)庫的訪問頻次不高，農業(yè)專家、農戶一般根據(jù)需要查看數(shù)據(jù)文件，因此在查詢前連通數(shù)據(jù)庫，查詢結果后返回關閉連接，從而有效減少數(shù)據(jù)庫在線維護的新連接數(shù)量。

2.3 數(shù)據(jù)校驗層設計

數(shù)據(jù)校驗層提供了對接收到的各類土壤實時監(jiān)測數(shù)據(jù)幀、歷史數(shù)據(jù)文件名和字段信息合法性的校驗，其中，由于前端數(shù)據(jù)采集設備與RDS 軟件采用UDP 組播連接，監(jiān)視過程中實時接收到的土壤實時監(jiān)測數(shù)據(jù)幀不存在干擾導致的數(shù)據(jù)錯誤，所以不用進行糾錯碼校驗，但要按照數(shù)據(jù)幀格式進行必要的幀頭、幀長及幀類型等校驗。土壤實時監(jiān)測數(shù)據(jù)幀字段信息說明，如表2所示。

2.4數(shù)據(jù)解析層設計

數(shù)據(jù)解析層對接收到的各類土壤實時監(jiān)測數(shù)據(jù)幀按照應用數(shù)據(jù)段的解析配置信息進行解析，同時對用戶檢索到的歷史數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)文件按字段進行解析，解析后將結果發(fā)送至人機交互層進行顯示。

其中，實時參數(shù)對土壤實時監(jiān)測數(shù)據(jù)幀的解析采用數(shù)據(jù)幀驅動的方式，接收到一幀完整數(shù)據(jù)幀后才進行解析。RDS軟件數(shù)據(jù)解析流程圖，如圖5所示。

2.5 人機交互層設計

RDS軟件作為土壤實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、設備工作狀態(tài)的顯示部件，要求提供友好的數(shù)據(jù)顯示與操作交互界面，便于有效農業(yè)專家、農戶直觀地監(jiān)視土壤狀態(tài)、設備的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)存在的異常信息，因此人機交互層的設計對數(shù)據(jù)可視化程度和操作安全性要求較高等。

目前主流的軟件前端設計模式主要有3類：模型-視圖-控制器（Model-View-Controller，MVC）、模型-視圖-表示模式（Model-View-Presenter，MVP）和MVVM。Model提供數(shù)據(jù)，View負責顯示，Con-troller/Presenter負責邏輯的處理，MVP和MVVM是基于MVC模式的改進，其主要改進思想是將View與Model層徹底分離。

MVVM由微軟 WPF和 Silverlight 的架構師Ken Cooper 和 TedPeters 開發(fā)，是一種簡化用戶界面的事件驅動編程方式，由John Gossman 于2005年發(fā)表[15]。它利用數(shù)據(jù)綁定、屬性依賴、路由事件、命令等特性實現(xiàn)高效靈活的架構，不同于傳統(tǒng) C^? 語言的WinForm架構，MVVM的核心是數(shù)據(jù)驅動即ViewModel，ViewModel是View和Model的關系映射。典型的MV-VM軟件設計模式，如圖6所示。

由圖6可知：傳統(tǒng)的MVVM設計模式在Model層除了有數(shù)據(jù)實體Entity（一般采用Hibernate持久化技術生成）外，還有大量的業(yè)務邏輯。因此，目前MVVM主要大量用于Web項目的建設，在面向實時數(shù)據(jù)流的項目

領域應用不多，RDS軟件為了實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)在用戶界面（UI）交互上的統(tǒng)一，將所有業(yè)務邏輯放置至數(shù)據(jù)解析層，而Model層僅保留數(shù)據(jù)實體，從而實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的實時交互，并支持頁面數(shù)據(jù)顯示的自定義布局。RDS軟件實際MVVM設計模式圖，如圖7所示。RDS 軟件MVVM類功能說明，如表3所示。

因此，RDS軟件在人機交互層具體實現(xiàn)MVVM設計模式時，根據(jù)外部接口層的特點，采用與傳統(tǒng)MVVM不同的方式，主要有以下2點不同。

1）傳統(tǒng)MVVM中Model層包含了業(yè)務邏輯和實體，而RDS軟件將Model層中的大部分業(yè)務邏輯剔除，劃分至數(shù)據(jù)解析層。

2）ViewModel與View采用了一對多的設計，可以有多個View共享一個ViewModel。

此外，農業(yè)專家、農戶可根據(jù)自身需要選取關注的數(shù)據(jù)，組成新的頁面進行顯示。該頁面不僅提供表格和曲線兩種顯示方式，還配備越界報警功能。RDS軟件人機交互界面，如圖 8～11 所示。

3結束語

土壤數(shù)據(jù)實時監(jiān)測軟件是土壤監(jiān)測系統(tǒng)與用戶的主要交互部件，提供土壤實時監(jiān)測數(shù)據(jù)（氮磷鉀含量、土壤濕度、pH值和電導率等土壤參數(shù)）和系統(tǒng)硬件設備工作狀態(tài)的顯示，以及支持歷史數(shù)據(jù)及其文件的查詢。該軟件通過分層模塊化設計，并在人機交互層采用MVVM設計模式，提高了土壤數(shù)據(jù)的可視化程度。采用UDP組播的數(shù)據(jù)通信方式，便于顯示終端的靈活組網(wǎng)與擴展，具有較好的通用性和可擴展性。土壤監(jiān)測系統(tǒng)的長期實際運行效果表明，該軟件能夠滿足農業(yè)專家、農戶對土壤實時狀態(tài)的監(jiān)測需求。

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（責任編輯：黃曉楠 英文審校：陳婧）