基于互聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境參數(shù)采集綜合管理信息系統(tǒng)設(shè)計

黃 彥，司振江，陶延懷，孟 巖，李芳花

(黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080)

黑龍江省是農(nóng)業(yè)大省，耕地面積達1 887萬hm2(2.83億畝)，是國家重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和商品糧生產(chǎn)基地，承擔著保障國家糧食安全的重要使命[1,2]。灌溉試驗是農(nóng)田水利事業(yè)的基礎(chǔ)工作，是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、提高灌溉用水效率、實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的重要科技支撐，對穩(wěn)定國家糧食生產(chǎn)和保障農(nóng)產(chǎn)品有效供給具有重要的作用[3,4]。黑龍江省灌溉試驗工作起步較早，取得了豐碩的試驗成果并應(yīng)用于實踐。近年來，黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展進入了新時期，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整促進了土地流轉(zhuǎn)和規(guī)模化經(jīng)營，集約化、組織化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對灌溉試驗成果，特別是節(jié)水增效新技術(shù)、灌溉預(yù)測預(yù)報等需求趨于迫切。2015年，水利部在《全國灌溉試驗站網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃》中批復(fù)黑龍江設(shè)1個中心站6個重點站，新建測坑、蒸滲儀等現(xiàn)代化試驗設(shè)施開展試驗研究工作。因試驗站人員更新快，多數(shù)未進行過灌溉試驗工作。為此，為了更好地管理各個試驗站，及時準確的了解試驗數(shù)據(jù)，開發(fā)了黑龍江省農(nóng)田環(huán)境參數(shù)采集綜合管理系統(tǒng)。

黑龍江省農(nóng)田環(huán)境參數(shù)采集綜合管理信息系統(tǒng)采用傳感技術(shù)，微電子、計算機技術(shù)，通訊技術(shù)，并與墑情測報有關(guān)的土壤水運動、保持、作物耗水規(guī)律為基礎(chǔ)的應(yīng)用軟件編程技術(shù)結(jié)合而成。該系統(tǒng)可有效的貯存多個試驗站的采集數(shù)據(jù)。在先進的管理軟件下，每天對各試驗站采集來的大數(shù)據(jù)進行匯總，總結(jié)、分析。對研究全省的水稻、玉米及其他旱地作物需水規(guī)律，提供了很好的管理平臺。

1 總體方案

黑龍江省農(nóng)田參數(shù)環(huán)境參數(shù)采集綜合管理信息系統(tǒng)采用B-S架構(gòu)，將農(nóng)田環(huán)境參數(shù)采集及監(jiān)測引入無線網(wǎng)絡(luò)[6]，系統(tǒng)服務(wù)安裝在服務(wù)器計算機上，用戶通過任何連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備(臺式機、筆記本、平板電腦等)使用瀏覽器訪問服務(wù)器上的“綜合信息管理系統(tǒng)”。數(shù)據(jù)服務(wù)安裝在數(shù)據(jù)服務(wù)器上，當用戶查詢農(nóng)田參數(shù)環(huán)境參數(shù)時，由上級系統(tǒng)服務(wù)器向數(shù)據(jù)服務(wù)器給出指令，將所需時段數(shù)據(jù)通過用戶瀏覽器顯示。各試驗站計算機上運行數(shù)據(jù)上傳程序?qū)崟r傳輸數(shù)據(jù)，軟件可將每天將最新的采集數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器上。

圖1 農(nóng)田參數(shù)環(huán)境參數(shù)采集綜合管理信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 綜合管理信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)采集綜合管理系統(tǒng)實際需求，同時要求系統(tǒng)具有靈活性、可靠性和經(jīng)濟性，確定系統(tǒng)采用B-S的3層結(jié)構(gòu)，設(shè)為表現(xiàn)層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。

圖2 結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

表現(xiàn)層是人機交互層，通過計算機可以清楚了解到各試驗站基本信息和數(shù)據(jù)情況。組織好用戶界面和內(nèi)容邏輯關(guān)系，是綜合管理信息系統(tǒng)設(shè)計好壞的關(guān)鍵，為此，在該系統(tǒng)表現(xiàn)層設(shè)計時盡量清晰簡潔，友好交互，使初級使用者很快掌握并應(yīng)用。

應(yīng)用層也稱為應(yīng)用實體，具有文件和數(shù)據(jù)傳輸、訪問和管理功能，是表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)層的紐帶。由WEB和WEBGIS兩個應(yīng)用服務(wù)器構(gòu)成。根據(jù)用戶端要求，由WEB服務(wù)器將所訪問的內(nèi)容傳輸至用戶端，并同WEBGIS服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互。WEBGIS應(yīng)用服務(wù)器接收WEB服務(wù)器請求，將請求轉(zhuǎn)換至數(shù)據(jù)服務(wù)層，并將數(shù)據(jù)服務(wù)層提交的結(jié)果由WEB服務(wù)器傳輸至表現(xiàn)層[5-7]。

數(shù)據(jù)層具有文件、圖像及數(shù)據(jù)存儲功能。數(shù)據(jù)服務(wù)與應(yīng)用服務(wù)分開使系統(tǒng)管理和維護方便，且保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，更易于系統(tǒng)的擴充和調(diào)整。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計是構(gòu)建最佳的數(shù)據(jù)模式以便于有效存儲數(shù)據(jù)，是綜合信息管理系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫存儲屬性數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)[8]。屬性數(shù)據(jù)包括各試驗站土壤溫度、水分、相對濕度、降雨量、蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)將各試驗站基礎(chǔ)信息，地理坐標，試驗站專題數(shù)據(jù)等分層處理，并標繪于電子地圖上，按應(yīng)用服務(wù)層的要求錄入數(shù)據(jù)庫中，將屬性數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，以供查詢使用。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

移動通信和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展加快了農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展。黑龍江省試驗站分布范圍廣，且全部位于鄉(xiāng)村，采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸工程和后期的使用費用都較高，因此，系統(tǒng)開發(fā)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸，在各試驗站安裝一臺無線上網(wǎng)卡，配備流量卡，將終端數(shù)據(jù)通過通訊服務(wù)器進行處理計算，并由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸傳輸至數(shù)據(jù)庫。在應(yīng)用層設(shè)定好通訊服務(wù)器傳輸時間，保證上傳數(shù)據(jù)的準確性和時效性。

2.4 安全設(shè)計

系統(tǒng)安全設(shè)計是保證數(shù)據(jù)、信息的保密性、完整性和實用性。設(shè)置權(quán)限控制和系統(tǒng)管理。權(quán)限控制是對用戶組及用戶進行具體的授權(quán)，只有輸入正確的用戶名和密碼方可登錄。系統(tǒng)管理部分用來管理用戶及用戶組，包括用戶創(chuàng)建、刪除、修改、權(quán)限設(shè)置等。設(shè)有系統(tǒng)管理員，上層管理員，下層管理員。上層管理員管理中心站系統(tǒng)，下層管理員管理試驗站系統(tǒng)，上下層查詢內(nèi)容和權(quán)限明確，確保系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。

圖3 登錄界面

圖4 用戶管理界面

2.5 界面設(shè)計

用戶界面是計算機與使用者之間的對話接口，是系統(tǒng)開發(fā)的重要組成部分[9]。清晰明了的界面易于操作人員很快入手掌握。系統(tǒng)要存儲并讀取各試驗站農(nóng)田環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，首行須保證數(shù)據(jù)信息的準確，傳輸?shù)膶崟r性和顯示的有效性，要提供可視化的圖形和表格表現(xiàn)形式。為此，系統(tǒng)設(shè)置了首頁、試驗站分布、試驗圖片、數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)管理等5個欄目。

3 綜合管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)功能

(1)基礎(chǔ)資料查詢：可查詢黑龍江省各試驗站的氣候、土壤、農(nóng)業(yè)、地理位置、試驗站現(xiàn)狀、已有的采集系統(tǒng)、試驗過程照片等基本情況。在電子地圖上可直接查看試驗站分布，通過地圖放大縮小查看詳細的信息。

(2)數(shù)據(jù)查詢：具有查詢各試驗站不同日期、測點的歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)的功能，并可將數(shù)據(jù)通過圖或表的形式表現(xiàn)出來，提供詳細列表顯示及數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。根據(jù)不同試驗站提供年報表、月報表等。運用地圖查詢功能，可直觀地查詢到某試驗站屬性信息及實時信息。

(3)數(shù)據(jù)采集：通過安裝在計算機終端的無線監(jiān)測系統(tǒng)采集測坑或蒸滲儀溫度、土壤濕度等傳感器數(shù)據(jù)。

圖5 地圖查詢功能

圖6 數(shù)據(jù)查詢

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

本文以黑龍江省灌溉中心站24組蒸滲儀為例。蒸滲儀表面積為1 m2，高度為1.5 m，種植作物為水稻。每組蒸滲儀安裝4只水分傳感器，4只溫度傳感器、1只滲漏量傳感器、1只稱重傳感器，配備1個無線分測站，試驗時有遮雨設(shè)施。圖7和圖8為隨機選擇3組蒸滲儀7月份每日8時土壤溫度和土壤體積含水量數(shù)據(jù)，由圖可以看出，不同處理措施土壤溫度值變化差異不大，土壤體積含水量呈遞減變化趨勢。但1號和2號蒸滲儀在7月9日和7月20日數(shù)據(jù)均出現(xiàn)了極值現(xiàn)象，通過農(nóng)田綜合管理信息系統(tǒng)遠程監(jiān)控發(fā)現(xiàn)到該問題，經(jīng)排查是由于無線分測站傳輸天線接觸不好，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不通暢而造成。從系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)來看，在有網(wǎng)絡(luò)的條件下該系統(tǒng)可以實時查看各個試驗站的數(shù)據(jù)，掌握數(shù)據(jù)采集中存在的問題，并及時解決，保證了數(shù)據(jù)的實時性和連續(xù)性。

圖7 表層10 cm土壤溫度變化曲線

圖8 表層10 cm土壤水分變化曲線

4 結(jié) 語

(1)黑龍江省農(nóng)田環(huán)境參數(shù)采集綜合管理信息系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)對各試驗站農(nóng)田環(huán)境參數(shù)進行遠程監(jiān)控，并將采值的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，在任何時段、任何地點查詢到各試驗站基本情況、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等，為上級管理人員提供了可靠的工作平臺，提高了工作效率，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)信息化。

(2)系統(tǒng)開發(fā)界面清晰簡潔，便于操作，可保證各試驗人員較快掌握。

□

[1] 梁 謇，王要武. 糧食生產(chǎn)利益補償機制系統(tǒng)檢視與完善對策----以黑龍江為利[J].黑龍江社會科學，2015，(3):70-75.

[2] 魏 湜，王建國，顧萬榮. “中國糧倉”----黑龍江省糧食生產(chǎn)分析與發(fā)展策略[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報，2011，42(7):1-7.

[3] 王修貴，崔遠來. 灌溉試驗站規(guī)劃的有關(guān)問題[J].中國農(nóng)村水利水電，2003,(11):8-12.

[4] 南紀琴，肖俊夫，秦安振，等. 灌溉試驗觀測儀器使用總結(jié)及發(fā)展探討[J].節(jié)水灌溉，2014,(10):80-84.

[5] 袁俊江，唐 斌，褚永彬，等. 基于Ajax與ArcMS的網(wǎng)絡(luò)礦產(chǎn)資源GIS研建[J].國土資源科技管理，2008，25(4):61-66.

[6] 郭濤，喻懷義，羅家海，等.基于WebGIS的水資源管理信息系統(tǒng)開發(fā)研究[J].環(huán)境科學與管理，2010，35(9):173-178.

[7] 俞建軍，姚佩琰，王 磊，等.水資源綜合信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].水電能源科學，2012，30(3):147-150.

[8] 丁筱玲，楊翠翠，吳玉紅，等.基于無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測與智控灌溉系統(tǒng)設(shè)計研究[J].節(jié)水灌溉，2015,(7):86-89.

[9] 王慧斌，于洪珍.監(jiān)控系統(tǒng)的用戶界面設(shè)計[J].電站系統(tǒng)工程，2003，4(19):45-46.