土壤墒情远程监测系统软件设计

钟国财　郝泽亮　谢东东　潘庭龙

摘 要：土壤的水分和环境温度都在一定程度上影响着植物的生长。为了实现对土壤墒情长时间的连续监测，文中对采用主从结构的土壤墒情采集系统软件进行了设计。主要包含基于SI4432的无线射频通信、基于SIM900A的GPRS（无线通信）、上位机信息管理系统三部分。测量系统的主站与从站通过SI4432通信，主站收集各从站的测量信息并通过GPRS通信上传到远程服务器，墒情信息管理系统从服务器提取数据，并进行相应的处理，直观地显示在用户界面上，以实现远程显示及监控，为作物的最佳灌溉时间提供参考。

关键词：SI4432；无线射频通信；GPRS；信息管理系统

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）03-00-03

0 引 言

水资源在农业生产中至关重要，土壤水分含量是影响农作物生长过程的重要物理参数[1]。土壤墒情监测系统能够实现对土壤墒情（土壤湿度）长时间的连续监测，通过对温度、湿度数据的大量采集与处理，绘制出相应的曲线，有利于详细分析土壤情况，对解决与土地相关行业出现的诸多问题有着积极的作用[2] 。

尽管我国各级相关土地部门在土地信息管理系统的构建方面取得了较大进步，但是问题依然存在[3]。例如，我国墒情监测工作相对薄弱，土壤水分信息采集手段比较落后，系统各方面建设的标准不统一，建设的内容不规范，取得的建设成果千差万别，这些都不利于管理和运维墒情信息系统的工作[4]。本文设计了土壤墒情管理系统，用以取代传统的人工采集、处理土壤信息方法，实现对土地情况高效、便利的检测，实行远程实时监控，为作物的最佳灌溉时间提供参考。

1 土壤墒情监测系统结构

本文设计的土壤水分测量系统包括主站数据采集和从站数据测量两部分，如图1所示。每个从站传感器包含数字温度传感器和土壤水分传感器，分别用来采集土壤的温度和水分信息，并将采集到的数据通过SI4432传输给主站采集器，由主站通过GPRS统一将信息发送至远程服务器。

2 监测系统无线数据传输模块

2.1 主从站无线通信模块

主站与从站之间采用无线射频模块SI4432进行数据传输。其中SI4432是高度集成的单芯片无线ISM收发器件。 EZRadioPRO系列包括发射机、接收机和射频收发器，设计工程师可以选择利用其中的无线部分。SI4432的高度集成可以降低BOM，同时简化整体设计。极低的接收灵敏度，加上工业界领先的+20 dBm输出功率，内置天线多样化和支持跳频[5]，保证了传输范围和穿透能力。

主站传感器具有数据采集器的功能，每个主站与多个从站进行通信，主从站之间通过SI4432无线收发模块的广播通信协议进行数据传输。主站不断广播，广播的信息结构为从站地址及对应的配置信息，如AY3600，其中第1个字节A表示从站编号，第2个字节Y表明是否更改测量周期，Y表示更改，N表示不更改；数据3 600（s）表示更改后的测量周期。主站广播流程如图2所示。

从站传感器数据测量完毕后等待主站广播，收到广播本站地址后立即反馈信息给主站，两者建立通信，接收主站发送的配置信息并解析，之后发送测量数据给主站，直至收到主站确认数据正确接收的信息后，结束与主站的通信，从站进入待机模式，等待下一次唤醒测量。从站应答流程如图3所示。

2.2 基于SIM900的GPRS无线通信

主站采集器对各从站发来的测量数据进行处理后，通过GPRS无线传输将信息上传至远程服务器，同时上位机也将参数修改信息返回到主站。本设计采用的无线传输模块为SIM900A。SIM900A是SIMCOM公司研发的工业级双频GSM/GPRS模块，工作频段为双频900/1 800 MHz，可以低功耗实现语音，SMS（短信，不支持彩信），数据和传真信息的传输[6]。GPRS有许多优势，包括资源利用率高、传输速率高、接入时间短、支持IP协议和X.25协议等[7]。

主站通过GPRS传输到数据库的信息主要有三种，分别是获取参数修改信息请求、土壤墒情信息、传感器地理位置信息。为了便于区分，这三种信息请求分别有各自的标识。获取参数修改信息请求的标识是“44”，土壤墒情信息的标识是“33”，采集器地理位置信息的标识是“22”。通过识别这三种信息的标识来判断其区别，进而服务器对其分别进行处理，具体流程如图4所示。

3 土壤墒情信息管理模块

土壤墒情信息管理系统主要是面对用户需求的上位机操作系统，用来满足用户多方面的需求[8]。用HTML编写动态Web网页界面，并在HTML中嵌入PHP语言编写的后台运行代码，操作云端MySQL数据库的数据信息，并借助一些组件来完成数据的处理操作[9]。概括来说，整个系统的设计主要分为三个方面，即前台网页界面、后台数据信息识别与处理及MySQL数据库。

土壤墒情信息管理系统的初始界面应当简洁、明了，通过超链接的方式打开该系统的數据显示以及参数修改界面，如图5所示。

参数设置界面主要用于输入修改的参数，并将这些参数通过后台代码传输到数据库并存储。参数修改界面如图6所示。

数据的显示功能实现流程如图7所示。

历史数据显示界面的传感器位置信息等都可以实时显示。通过点击历史数据显示界面的“实时数据显示”，就可以运用超链接跳转到实时数据显示界面，该界面的主要样式如图8所示。

在历史数据显示界面中选取所需数据的传感器编号后，能够自动实时显示所选取传感器设备检测到的最新数据信息，并且可以以折线图的形式显示不同节点数据的变化趋势。包括历史数据显示界面的地理位置信息，通过设置500 ms/次的扫描，确保数据的快速动态更新。为了动态地获取PHP后台程序返回的数组信息，HTML网页程序需要调用JavaScript中的$.ajax方法。

4 结 语

本文将从站传感器与主站采集器相结合，利用无线射频模块SI4432进行通信，采用信息应答方式确保两者之间信息的正确传输。主站采集器利用GPRS无线通信方式将数据发送至远程服务器，为实现远程监控带来极大便利。上位机的墒情信息管理系统以MySQL数据库为核心，通过PHP后台程序与数据检测端进行信息交互，将土壤水分传感器检测到的信息数据存储到MySQL数据库，并将传感器的参数设置信息发送到下位机。同时通过HTML构建Web动态网页即上位机界面，利用嵌入的PHP后台程序完成数据信息的处理，实现Web网页与MySQL数据库的信息交互，完成满足用户需求的数据显示工作。

参考文献

[1] MA Ying， FENG Shaoyuan， SONG Xianfang.A root zone model for estimating soil water balance and crop yield responses to deficit irrigation in the North China Plain[J].Agricultural water management，2013， 127（9）：13-24.

[2]张绪利.土壤墒情信息采集与远程监控系统设计[D].西安：西安科技大学，2015.

[3]李占成.基于GPRS的土壤墒情远程监测系统研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2015.

[4] 邹文安，章樹安，杨建青.土壤墒情自动测报系统建设思路[J].中国水利， 2014（15）：66.

[5] GAO Xiaodong，WU Pute，ZHAO Xining，et al. Estimating the spatial means and variability of root-zone soil moisture in gullies using measurements from nearby uplands[J].Journal of hydrology，2013， 476（1）：28-41.

[6]陈继磊，祁云嵩，徐钊.基于SI4432的无线收发平台设计[J].仪表技术与传感器， 2016（7）：60-63.

[7]于灿.无线通信技术在远程数据监控中的实际应用[J].电子技术与软件工程， 2017（5）：49.

[8]李培，李爽，王庆强.基于C/S架构的农田土壤墒情数据采集与管理系统[J].江苏农业科学，2014，42（4）：334-336.

[9] ROMANO NC，NVNAMAKER JF，BRIGGS RO，et al. Architecture，design，and development of an HTML/JavaScript web-based group support system[J].Journal of the American society for information science， 1998， 49（7）：649-667.