基于互联网的农田环境参数采集综合管理信息系统设计

黄 彦，司振江，陶延怀，孟 岩，李芳花

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

黑龙江省是农业大省，耕地面积达1 887万hm2(2.83亿亩)，是国家重要的粮食主产区和商品粮生产基地，承担着保障国家粮食安全的重要使命[1,2]。灌溉试验是农田水利事业的基础工作，是发展现代农业、提高灌溉用水效率、实现水资源可持续利用的重要科技支撑，对稳定国家粮食生产和保障农产品有效供给具有重要的作用[3,4]。黑龙江省灌溉试验工作起步较早，取得了丰硕的试验成果并应用于实践。近年来，黑龙江省农业生产发展进入了新时期，产业结构的调整促进了土地流转和规模化经营，集约化、组织化的农业生产对灌溉试验成果，特别是节水增效新技术、灌溉预测预报等需求趋于迫切。2015年，水利部在《全国灌溉试验站网建设规划》中批复黑龙江设1个中心站6个重点站，新建测坑、蒸渗仪等现代化试验设施开展试验研究工作。因试验站人员更新快，多数未进行过灌溉试验工作。为此，为了更好地管理各个试验站，及时准确的了解试验数据，开发了黑龙江省农田环境参数采集综合管理系统。

黑龙江省农田环境参数采集综合管理信息系统采用传感技术，微电子、计算机技术，通讯技术，并与墒情测报有关的土壤水运动、保持、作物耗水规律为基础的应用软件编程技术结合而成。该系统可有效的贮存多个试验站的采集数据。在先进的管理软件下，每天对各试验站采集来的大数据进行汇总，总结、分析。对研究全省的水稻、玉米及其他旱地作物需水规律，提供了很好的管理平台。

1 总体方案

黑龙江省农田参数环境参数采集综合管理信息系统采用B-S架构，将农田环境参数采集及监测引入无线网络[6]，系统服务安装在服务器计算机上，用户通过任何连接互联网的设备(台式机、笔记本、平板电脑等)使用浏览器访问服务器上的“综合信息管理系统”。数据服务安装在数据服务器上，当用户查询农田参数环境参数时，由上级系统服务器向数据服务器给出指令，将所需时段数据通过用户浏览器显示。各试验站计算机上运行数据上传程序实时传输数据，软件可将每天将最新的采集数据上传到数据服务器上。

图1 农田参数环境参数采集综合管理信息系统结构

2 综合管理信息系统结构设计

2.1 系统结构设计

根据农田环境参数采集综合管理系统实际需求，同时要求系统具有灵活性、可靠性和经济性，确定系统采用B-S的3层结构，设为表现层、应用层和数据层。

图2 结构设计图

表现层是人机交互层，通过计算机可以清楚了解到各试验站基本信息和数据情况。组织好用户界面和内容逻辑关系，是综合管理信息系统设计好坏的关键，为此，在该系统表现层设计时尽量清晰简洁，友好交互，使初级使用者很快掌握并应用。

应用层也称为应用实体，具有文件和数据传输、访问和管理功能，是表现层和数据层的纽带。由WEB和WEBGIS两个应用服务器构成。根据用户端要求，由WEB服务器将所访问的内容传输至用户端，并同WEBGIS服务器进行数据交互。WEBGIS应用服务器接收WEB服务器请求，将请求转换至数据服务层，并将数据服务层提交的结果由WEB服务器传输至表现层[5-7]。

数据层具有文件、图像及数据存储功能。数据服务与应用服务分开使系统管理和维护方便，且保证了系统的稳定性和安全性，更易于系统的扩充和调整。

2.2 系统数据库设计

数据库设计是构建最佳的数据模式以便于有效存储数据，是综合信息管理系统的核心和基础。数据库存储属性数据、多媒体数据及空间数据[8]。属性数据包括各试验站土壤温度、水分、相对湿度、降雨量、蒸发量等数据。空间数据将各试验站基础信息，地理坐标，试验站专题数据等分层处理，并标绘于电子地图上，按应用服务层的要求录入数据库中，将属性数据进行关联，以供查询使用。

2.3 数据传输设计

移动通信和互联网的飞速发展加快了农业信息化的发展。黑龙江省试验站分布范围广，且全部位于乡村，采用有线网络传输工程和后期的使用费用都较高，因此，系统开发基于GPRS网络传输，在各试验站安装一台无线上网卡，配备流量卡，将终端数据通过通讯服务器进行处理计算，并由GPRS网络传输传输至数据库。在应用层设定好通讯服务器传输时间，保证上传数据的准确性和时效性。

2.4 安全设计

系统安全设计是保证数据、信息的保密性、完整性和实用性。设置权限控制和系统管理。权限控制是对用户组及用户进行具体的授权，只有输入正确的用户名和密码方可登录。系统管理部分用来管理用户及用户组，包括用户创建、删除、修改、权限设置等。设有系统管理员，上层管理员，下层管理员。上层管理员管理中心站系统，下层管理员管理试验站系统，上下层查询内容和权限明确，确保系统的安全和稳定。

图3 登录界面

图4 用户管理界面

2.5 界面设计

用户界面是计算机与使用者之间的对话接口，是系统开发的重要组成部分[9]。清晰明了的界面易于操作人员很快入手掌握。系统要存储并读取各试验站农田环境参数数据，首行须保证数据信息的准确，传输的实时性和显示的有效性，要提供可视化的图形和表格表现形式。为此，系统设置了首页、试验站分布、试验图片、数据查询、系统管理等5个栏目。

3 综合管理信息系统的应用

3.1 系统功能

(1)基础资料查询：可查询黑龙江省各试验站的气候、土壤、农业、地理位置、试验站现状、已有的采集系统、试验过程照片等基本情况。在电子地图上可直接查看试验站分布，通过地图放大缩小查看详细的信息。

(2)数据查询：具有查询各试验站不同日期、测点的历史数据、实时数据的功能，并可将数据通过图或表的形式表现出来，提供详细列表显示及数据导出功能。根据不同试验站提供年报表、月报表等。运用地图查询功能，可直观地查询到某试验站属性信息及实时信息。

(3)数据采集：通过安装在计算机终端的无线监测系统采集测坑或蒸渗仪温度、土壤湿度等传感器数据。

图5 地图查询功能

图6 数据查询

3.2 系统应用

本文以黑龙江省灌溉中心站24组蒸渗仪为例。蒸渗仪表面积为1 m2，高度为1.5 m，种植作物为水稻。每组蒸渗仪安装4只水分传感器，4只温度传感器、1只渗漏量传感器、1只称重传感器，配备1个无线分测站，试验时有遮雨设施。图7和图8为随机选择3组蒸渗仪7月份每日8时土壤温度和土壤体积含水量数据，由图可以看出，不同处理措施土壤温度值变化差异不大，土壤体积含水量呈递减变化趋势。但1号和2号蒸渗仪在7月9日和7月20日数据均出现了极值现象，通过农田综合管理信息系统远程监控发现到该问题，经排查是由于无线分测站传输天线接触不好，导致数据传输不通畅而造成。从系统监测的数据来看，在有网络的条件下该系统可以实时查看各个试验站的数据，掌握数据采集中存在的问题，并及时解决，保证了数据的实时性和连续性。

图7 表层10 cm土壤温度变化曲线

图8 表层10 cm土壤水分变化曲线

4 结 语

(1)黑龙江省农田环境参数采集综合管理信息系统通过互联网对各试验站农田环境参数进行远程监控，并将采值的数据存入数据库，在任何时段、任何地点查询到各试验站基本情况、实时数据、历史数据等，为上级管理人员提供了可靠的工作平台，提高了工作效率，实现了农业信息化。

(2)系统开发界面清晰简洁，便于操作，可保证各试验人员较快掌握。

□

[1] 梁 謇，王要武. 粮食生产利益补偿机制系统检视与完善对策----以黑龙江为利[J].黑龙江社会科学，2015，(3):70-75.

[2] 魏 湜，王建国，顾万荣. “中国粮仓”----黑龙江省粮食生产分析与发展策略[J].东北农业大学学报，2011，42(7):1-7.

[3] 王修贵，崔远来. 灌溉试验站规划的有关问题[J].中国农村水利水电，2003,(11):8-12.

[4] 南纪琴，肖俊夫，秦安振，等. 灌溉试验观测仪器使用总结及发展探讨[J].节水灌溉，2014,(10):80-84.

[5] 袁俊江，唐 斌，褚永彬，等. 基于Ajax与ArcMS的网络矿产资源GIS研建[J].国土资源科技管理，2008，25(4):61-66.

[6] 郭涛，喻怀义，罗家海，等.基于WebGIS的水资源管理信息系统开发研究[J].环境科学与管理，2010，35(9):173-178.

[7] 俞建军，姚佩琰，王 磊，等.水资源综合信息管理系统的设计与应用[J].水电能源科学，2012，30(3):147-150.

[8] 丁筱玲，杨翠翠，吴玉红，等.基于无线网络的环境监测与智控灌溉系统设计研究[J].节水灌溉，2015,(7):86-89.

[9] 王慧斌，于洪珍.监控系统的用户界面设计[J].电站系统工程，2003，4(19):45-46.