基于C/S架构的农田土壤墒情数据采集与管理系统

李培等

摘要：为了提高传统农田土壤墒情的测量方法，采用C/S架构设计了农田土壤墒情数据采集与管理系统，系统由数据监测中心和多个监测站组成。根据预先规划，监测站部署在具有代表性的农田，通过GPRS无线模块接入VPN网络，建立与监控中心服务器的TCP/IP网络连接，埋在地下的传感器采集温湿度数据，经过数据预处理后，将采集时间、监测站ID和数据打包后发送到数据监测中心的服务器。监测中心服务器是1台安装了数据库和专业管理软件的计算机，负责接收、处理、显示、分析统计和存储来自各监测站的数据。通过对小麦农田3个点的监测试验表明，系统工作稳定可靠，能够准确对分布式的农田土壤墒情进行采集和集中管理，并建立了该区域农田土壤墒情与时间的预警模型，为旱情预报工作提供科学有力的数据支持。

关键词：土壤墒情；远程监测；数据预处理；预警模型

中图分类号： TP274+.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）04-0334-03

收稿日期：2013-08-17

基金项目：国家自然科学基金（编号：41101095）；水利部公益性行业科研专项（编号：2009011019）。

作者简介：李培（1985—），女，河南新郑人，硕士，讲师，主要从事自动化与智能控制研究。E-mail：lip1985@126.com。土壤墒情是指在特定土壤中所含水分多少的状况，土壤水分是农田作物生长最重要的调节因子，直接影响作物对养分的吸收，水分过高使作物根系无法正常呼吸而死亡，过低则会无法分解溶解施入土壤中的化学肥料，很容易因缺水而死亡，适宜的土壤墒情是作物增产增收的保障[1]。目前传统的土壤墒情检测方法有烘干法、张力计法、中子法或射线法、电阻法或粒状列阵法、电容法、光电法、热扩散法等，但传统土壤墒情监测手段存在人工依赖性大、监测范围小和监测统计管理困难等问题[2]，为了改善农业传统的耕作方式，用全新的现代科学技术高效手段，全面推广科学种田，确保农产品的稳步增收，采用C/S架构设计了农田土壤墒情数据采集与管理系统，对分布在各地的各类土壤进行长期监测记录，安装在不同位置的监测站监测土壤墒情数据并实时传输到监测中心，一旦发现土壤水分过高或过低会自动触发报警，通知管理人员及时处理，能有效降低相关人员的劳动强度。

1系统设计

土壤墒情监测系统能够在野外长时间连续监测土壤水分墒情变化，并能够满足对多个被测样地的同时观测，监测数据存储在数据中心的数据库中。由于农田土壤所处环境非常复杂，使土壤中温度和水分含量呈现垂直和水平分布的差异性，为了全面监测土壤的温湿度就要求分层进行并通过多布点降低误差，为了掌握土壤温湿度随时间的变化规律，还需要通过长时间监测建立预测模型[3-5]。

农田土壤墒情数据采集与管理系统主要由监控中心管理服务器、数据库、监测站、显示器屏幕、防火墙、传输网络组成。系统总体结构如图1所示。监测站与远端管理服务器采用C/S架构设计，通过GPRS网络接入Internet网络，经过防火墙后，建立TCP/IP网络连接，实现数据交互。

系统中每个监测站都有独立的地址编码ID，事先按照一定的规则部署在不同的被监测土壤，每个监测点在垂直上分3层监测，每层均匀布置3个传感器，通过GPRS无线模块接入专属VPN网络，建立与监控中心服务器的TCP/IP网络连接，每隔固定时间将监测站ID、采集时间、电源状态、每层的温湿度等信息打包并上传至服务器；监控中心服务器上运行着专业设计的管理软件，负责接收、处理、分析统计、显示和存储来自各监测站的数据信息，并实时直观集中地显示在监视器上，同时将数据存入数据库ACCESS 2003中以便进行历史查询使用，也能完成历史曲线分析、历史报表统计、自动报警和建立干旱预警模型等功能。

2监测站设计

2.1监测站硬件结构

监测站主要由控制器MSP430F149、GPRS无线通信模块SIM300C、温湿度传感器SWR-3、固态FLASH、电源监测管理单元组成，监测站硬件结构如图2所示。

监测站的功能比较简单，只是实现将编号ID、温湿度和电源状态等信息发送到数据中心。由于农田面积广、环境复杂、大多没有电源，布线又非常困难，系统采用白天将太阳能换成电能的方式对蓄电池充电，夜间蓄电池向设备供电保证设备的连续运行，采用太阳能保证了前端设备在不同的地理环境和不同气候条件下也能全天候不间断工作[6-7]。

控制器MSP430F149作为监测站的控制核心，串行接口与GPRS模块SIM300C的串口相连，预先在GPRS无线模块内放置1张有余额的SIM卡（开通数据业务），通过温湿度传感器组采集土壤不同层面的数据，经过数据处理后，将自身ID、采集时间、电源状态、温湿度等信息存入本地的FLASH中，并按照一定的协议进行封包，通过向GPRS无线模块发送AT指令控制数据的收发[8]。

2.2监测站软件设计

监测站上电后首先进行初始化，包括单片机MSP430F149的寄存器、GPRS模块SIM300C的工作方式和传输速率的配置、固态FLASH以及各接口等；然后通过向无线模块SIM300C发送AT指令配置拨号上网，获取自身的IP地址后，再主动连接数据中心服务器的IP地址和相应的服务端口号，建立TCP/IP网络连接。单片机MSP430F14通过ADC口获取当前蓄电池端电压，通过温湿度传感器组获取各层面上的温湿度数据，对这些数据经过误差处理后，按照定义的数据格式协议将数据打包，并通过建立的TCP/IP网络连接发送至数据中心服务器。根据预设的循环间隔，延时n秒后，继续进入下一次循环。监测站与数据中心服务器采用C/S架构设计，软件工作流程如图3所示。

2.3数据误差处理

由于被埋入土壤中的传感器环境比较复杂，对蓄电池电源电压的测量也具有波动性，而测量的是某一时刻的瞬时值，使测得的数据具有不确定性和随机性。为了降低测量误差，采用连续5次测量取平均值的算法减小误差，5次采样间隔为200 ms，若某次湿度和温度传感器输出值偏离5次平均值的3.0%，就认为这次采集到的数据误差过大，剔除后求剩余4次的平均值，以此类推[9-10]。

3数据中心服务器管理软件

数据中心服务器管理软件采用C++Builder设计，通过调用TCP Server控件建立与各监测站的TCP/IP网络连接进行数据交互，利用ACCESS 2003作为数据库进行数据存储，软件具有数据接收、预处理、数据库管理、实时显示、统计分析、报表打印、报警与应急和墒情预测模型建立等模块单元。数据中心服务器系统框架如图4所示。

数据中心服务器一直保持与各监测点的网络连接和数据交互，一旦发现土壤水分过高或过低会自动触发报警，并提醒值班人员察看显示画面，通知对应管理人员及时处理，能有效降低人员的劳动强度。数据库管理通过对大量历史资料数据进行查询、处理和分析，建立土壤墒情与时间的预测模型，为今后预防工作提供积极的指导和参考决策价值。

4结果与分析

5结论

针对传统农田土壤墒情监测实时性差和管理难的问题，利用覆盖广泛的GPRS网络作为通信方式，采用C/S架构设计了农田土壤墒情数据采集与管理系统，实现了分布式监测站点的集中管理。通过对3个区域的小麦土壤墒情监测试验，精确地获取了每个监测点的垂直3层的温度数据，最终评估出每片区域的土壤墒情，指导农民科学灌溉，并能为职能管理部门提供及时可靠数据，有效地解决了传统农田作业的人工粗放式管理方式，对实现农作物规范化、科学化和信息化的现代化农业管理具有重要意义。

参考文献：

[1]信东旭，张玉龙，黄毅，等. 不同时期覆膜对辽西旱地农田土壤墒情及春玉米产量的影响[J]. 干旱地区农业研究，2009，27（6）：114-118.

[2]邵孝侯，何俊，胡秀君，等. 水稻控灌中蓄灌溉模式的节水增产效应[J]. 江苏农业科学，2013，41（3）：357-359.

[3]秋勇，陈晓宇，李电，等. 基于DDNS的3G无线通信技术在电能质量在线监测系统中的应用[J]. 电测与仪表，2012，49（2）：44-47.

[4]张丽楠，张淼，盛明娅，等. 基于单片机的四通道数据采集器设计[J]. 计算机测量与控制，2011，19（12）：3172-3174.

[5]徐伟恒，苏志芳，张晴晖，等. 基于物联网架构和WebGIS的森林火灾监测系统研究[J]. 安徽农业科学，2012，40（1）：589-593.

[6]吴建华，付仲良，王力，等. 基于C/S与B/S混合架构的排水地理信息系统[J]. 计算机工程与应用，2007，43（7）：230-232，235.

[7]王亚男，王福林，朱会霞. 田间信息的远程获取与无线传输系统的设计[J]. 农机化研究，2013，35（3）：92-95.

[8]陈天华，唐海涛. 基于ARM和GPRS的远程土壤墒情监测预报系统[J]. 农业工程学报，2012，28（3）：162-166.

[9]邓建强，陈效民，方堃，等. 基于神经网络的混沌时间序列土壤墒情预测预报[J]. 水土保持通报，2008，28（6）：82-85.

[10]杜旭，申刚，刘中胜，等. 电网规划管理信息系统数据库的研究与实现[J]. 电力系统及其自动化学报，2013，25（2）：163-166.

[11]李颀，张小件. 基于PXA322嵌入式GPRS数据采集与传输系统的设计[J]. 仪表技术与传感器，2013（3）：69-71，75.

3数据中心服务器管理软件

数据中心服务器管理软件采用C++Builder设计，通过调用TCP Server控件建立与各监测站的TCP/IP网络连接进行数据交互，利用ACCESS 2003作为数据库进行数据存储，软件具有数据接收、预处理、数据库管理、实时显示、统计分析、报表打印、报警与应急和墒情预测模型建立等模块单元。数据中心服务器系统框架如图4所示。

数据中心服务器一直保持与各监测点的网络连接和数据交互，一旦发现土壤水分过高或过低会自动触发报警，并提醒值班人员察看显示画面，通知对应管理人员及时处理，能有效降低人员的劳动强度。数据库管理通过对大量历史资料数据进行查询、处理和分析，建立土壤墒情与时间的预测模型，为今后预防工作提供积极的指导和参考决策价值。

4结果与分析

5结论

针对传统农田土壤墒情监测实时性差和管理难的问题，利用覆盖广泛的GPRS网络作为通信方式，采用C/S架构设计了农田土壤墒情数据采集与管理系统，实现了分布式监测站点的集中管理。通过对3个区域的小麦土壤墒情监测试验，精确地获取了每个监测点的垂直3层的温度数据，最终评估出每片区域的土壤墒情，指导农民科学灌溉，并能为职能管理部门提供及时可靠数据，有效地解决了传统农田作业的人工粗放式管理方式，对实现农作物规范化、科学化和信息化的现代化农业管理具有重要意义。

参考文献：

[1]信东旭，张玉龙，黄毅，等. 不同时期覆膜对辽西旱地农田土壤墒情及春玉米产量的影响[J]. 干旱地区农业研究，2009，27（6）：114-118.

[2]邵孝侯，何俊，胡秀君，等. 水稻控灌中蓄灌溉模式的节水增产效应[J]. 江苏农业科学，2013，41（3）：357-359.

[3]秋勇，陈晓宇，李电，等. 基于DDNS的3G无线通信技术在电能质量在线监测系统中的应用[J]. 电测与仪表，2012，49（2）：44-47.

[4]张丽楠，张淼，盛明娅，等. 基于单片机的四通道数据采集器设计[J]. 计算机测量与控制，2011，19（12）：3172-3174.

[5]徐伟恒，苏志芳，张晴晖，等. 基于物联网架构和WebGIS的森林火灾监测系统研究[J]. 安徽农业科学，2012，40（1）：589-593.

[6]吴建华，付仲良，王力，等. 基于C/S与B/S混合架构的排水地理信息系统[J]. 计算机工程与应用，2007，43（7）：230-232，235.

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[8]陈天华，唐海涛. 基于ARM和GPRS的远程土壤墒情监测预报系统[J]. 农业工程学报，2012，28（3）：162-166.

[9]邓建强，陈效民，方堃，等. 基于神经网络的混沌时间序列土壤墒情预测预报[J]. 水土保持通报，2008，28（6）：82-85.

[10]杜旭，申刚，刘中胜，等. 电网规划管理信息系统数据库的研究与实现[J]. 电力系统及其自动化学报，2013，25（2）：163-166.

[11]李颀，张小件. 基于PXA322嵌入式GPRS数据采集与传输系统的设计[J]. 仪表技术与传感器，2013（3）：69-71，75.

3数据中心服务器管理软件

数据中心服务器管理软件采用C++Builder设计，通过调用TCP Server控件建立与各监测站的TCP/IP网络连接进行数据交互，利用ACCESS 2003作为数据库进行数据存储，软件具有数据接收、预处理、数据库管理、实时显示、统计分析、报表打印、报警与应急和墒情预测模型建立等模块单元。数据中心服务器系统框架如图4所示。

数据中心服务器一直保持与各监测点的网络连接和数据交互，一旦发现土壤水分过高或过低会自动触发报警，并提醒值班人员察看显示画面，通知对应管理人员及时处理，能有效降低人员的劳动强度。数据库管理通过对大量历史资料数据进行查询、处理和分析，建立土壤墒情与时间的预测模型，为今后预防工作提供积极的指导和参考决策价值。

4结果与分析

5结论

针对传统农田土壤墒情监测实时性差和管理难的问题，利用覆盖广泛的GPRS网络作为通信方式，采用C/S架构设计了农田土壤墒情数据采集与管理系统，实现了分布式监测站点的集中管理。通过对3个区域的小麦土壤墒情监测试验，精确地获取了每个监测点的垂直3层的温度数据，最终评估出每片区域的土壤墒情，指导农民科学灌溉，并能为职能管理部门提供及时可靠数据，有效地解决了传统农田作业的人工粗放式管理方式，对实现农作物规范化、科学化和信息化的现代化农业管理具有重要意义。

参考文献：

[1]信东旭，张玉龙，黄毅，等. 不同时期覆膜对辽西旱地农田土壤墒情及春玉米产量的影响[J]. 干旱地区农业研究，2009，27（6）：114-118.

[2]邵孝侯，何俊，胡秀君，等. 水稻控灌中蓄灌溉模式的节水增产效应[J]. 江苏农业科学，2013，41（3）：357-359.

[3]秋勇，陈晓宇，李电，等. 基于DDNS的3G无线通信技术在电能质量在线监测系统中的应用[J]. 电测与仪表，2012，49（2）：44-47.

[4]张丽楠，张淼，盛明娅，等. 基于单片机的四通道数据采集器设计[J]. 计算机测量与控制，2011，19（12）：3172-3174.

[5]徐伟恒，苏志芳，张晴晖，等. 基于物联网架构和WebGIS的森林火灾监测系统研究[J]. 安徽农业科学，2012，40（1）：589-593.

[6]吴建华，付仲良，王力，等. 基于C/S与B/S混合架构的排水地理信息系统[J]. 计算机工程与应用，2007，43（7）：230-232，235.

[7]王亚男，王福林，朱会霞. 田间信息的远程获取与无线传输系统的设计[J]. 农机化研究，2013，35（3）：92-95.

[8]陈天华，唐海涛. 基于ARM和GPRS的远程土壤墒情监测预报系统[J]. 农业工程学报，2012，28（3）：162-166.

[9]邓建强，陈效民，方堃，等. 基于神经网络的混沌时间序列土壤墒情预测预报[J]. 水土保持通报，2008，28（6）：82-85.

[10]杜旭，申刚，刘中胜，等. 电网规划管理信息系统数据库的研究与实现[J]. 电力系统及其自动化学报，2013，25（2）：163-166.

[11]李颀，张小件. 基于PXA322嵌入式GPRS数据采集与传输系统的设计[J]. 仪表技术与传感器，2013（3）：69-71，75.