土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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)?現(xiàn)對土壤墑情（土壤濕度）長時(shí)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(xì)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(jìn)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(yùn)維墑情信息系統(tǒng)的工作 [4]。 本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對土地情況高效、便利的檢測，實(shí)行 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，為作物的最佳灌溉時(shí)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(jì)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(gè)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(yuǎn)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(jìn)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(jī)、接收機(jī)和射頻收發(fā)器，設(shè)計(jì) 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(shí)簡化整體設(shè)計(jì)。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(gè)主站與多個(gè)從 站進(jìn)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(jìn)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(gè)字節(jié) A 表示從站編號，第 2 個(gè)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(rèn)數(shù)據(jù)正確接收的信息后，結(jié)束與主站的通信，從站進(jìn)入待 機(jī)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(jìn)行處理后，通 過 GPRS 無線傳輸將信息上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，同時(shí)上位機(jī)也 將參數(shù)修改信息返回到主站。本設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)。獲 取參數(shù)修改信息請求的標(biāo)識(shí)是“44”，土壤墑情信息的標(biāo)識(shí)是 “33”，采集器地理位置信息的標(biāo)識(shí)是“22”。通過識(shí)別這三種 信息的標(biāo)識(shí)來判斷其區(qū)別，進(jìn)而服務(wù)器對其分別進(jìn)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(jī)操 作系統(tǒng)，用來滿足用戶多方面的需求 [8]。用 HTML 編寫動(dòng)態(tài) Web 網(wǎng)頁界面，并在 HTML 中嵌入 PHP 語言編寫的后臺(tái)運(yùn)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(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要 分為三個(gè)方面，即前臺(tái)網(wǎng)頁界面、后臺(tái)數(shù)據(jù)信息識(shí)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(tái)代碼傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫并存儲(chǔ)。參數(shù)修改界面如圖6所示。

數(shù)據(jù)的顯示功能實(shí)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(shí)時(shí)顯示。 通過點(diǎn)擊歷史數(shù)據(jù)顯示界面的“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示”，就可以運(yùn)用超鏈接跳轉(zhuǎn)到實(shí)時(shí)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(dòng)實(shí)時(shí)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(diǎn)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(dòng)態(tài)更新。為了動(dòng)態(tài)地獲取 PHP 后臺(tái) 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(jìn)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(yuǎn)程服務(wù)器，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控帶來極大便利。上位機(jī)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(tái) 程序與數(shù)據(jù)檢測端進(jìn)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(chǔ)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(jī)。同時(shí)通過 HTML 構(gòu)建 Web 動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁即上 位機(jī)界面，利用嵌入的 PHP 后臺(tái)程序完成數(shù)據(jù)信息的處理， 實(shí)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。