數字農業信息獲取平臺的設計與應用

侯陽青,楊柳青

數字農業信息獲取平臺的設計與應用

侯陽青,楊柳青

福州職業技術學院阿里巴巴大數據學院, 福建 福州 350108

傳統以物理信息為基礎的農業信息平臺智能化程度低，無法保障農業工作人員實時精準了解數字農業田間信息。本文設計一種數字農業田間信息獲取平臺，平臺的數據采集和輸出層依靠數據采集板，獲取農業田間信息，通過GPRS無線傳輸模塊，將獲取的農業田間信息傳輸到數據解析和存儲層中的SQL SERVER 2018 數據庫中。智能化解析獲取的農業田間信息，依照數據使用和共享層中Web應用服務器與數據庫服務器之間的交互作用，完成數字化信息轉換與應用。經過實驗分析驗證，該平臺獲取空氣溫度和空氣濕度的相對誤差最小值分別是0.39%和0.12%，且獲取數字農業田間空氣溫度和空氣濕度的時間和實際時間之間相差較小，平臺實時顯統計分析示土壤溫度和濕度的顯示效果較好，優于單一物理信息展示平臺，智能化程度提高。

數字農業; 信息采集; 平臺設計

病蟲害分析和農作物長勢分析的重要手段是數字農業田間信息。大部分學者主要依照農業生產圖像和農作物實際長勢判斷農作物長勢和鑒定田間病蟲害[1]。通過人工定點定時拍照獲取田間農業植物信息的方式采集農業生產信息，該種方式效率低下、使用范圍較為狹窄且實時性較差[2]。隨著現代科技不斷發展，應用中出現較多種類的數字農業田間信息獲取平臺，依照數字農業田間信息獲取平臺傳輸媒介，可將平臺分成兩類[3]，即無線物理信息農業田間信息獲取平臺和有線數字農業田間信息獲取平臺。這些數字農業田間信息獲取平臺存在工作量大、耗時長和布線困難等缺點[4]。需要利用無線數字技術，設計數字信息獲取平臺。這種平臺是一種新型數據信息獲取技術，該種技術具有體積小、靈活便捷和自組網等優點。

本文主要設計無線數字農業田間信息獲取平臺。農業工作人員可通過該平臺獲取所需數字農業田間信息，分析獲取的數字農業田間信息后，更為方便快捷的了解田間農業信息，高效管理農作物生長信息，提高農田作業質量[5]。

1 田間信息獲取平臺設計

1.1 設計平臺邏輯體系體系

經調查發現，設計的數字農業田間信息獲取平臺應該滿足農業田間生產需求，農業工作人員需要通過該平臺，實時查詢數字農業田間信息和田間信息歷史數據，精準分析農業田間信息[6]。平臺應充分考慮現代精準農業田間環境業務要求，實現精準獲取田間信息和正確解析田間信息的目標，且應具有較好的穩定性和可擴展性，滿足其他田間環境下的業務需求。本文設計的平臺中，核心設置為SQL SERVER 2018數據庫，采用動態網頁形式分析和顯示數據庫中田間作物環境[7]（圖1）。

圖 1 數字農業田間信息獲取平臺結構邏輯圖

從圖1中可以看出，該數字農業田間信息獲取平臺主要由數據采集和傳輸層、數據解析和存儲層以及數據使用和共享層三部分構成。其中數據采集和輸出層中包含數據采集板、終端節點和GPRS無線傳輸模塊，該模塊采用數據采集板獲取數字農業田間信息，通過GPRS無線傳輸模塊將獲取的數字農業田間信息傳輸到數據解析和存儲層中數據處理服務器中的SQL SERVER 2008數據庫中，采用數據處理服務器解析獲取的數字農業田間信息[8]。依照數據使用和共享層中Web應用服務器與數據庫服務器之間的交互作用，農業工作人員和科研人員通過Web網頁查看田間農業作物環境信息、各項數據和農業作物長勢情況，制定田間農業作物生長趨勢預測建議。

1.1.1 數據采集模塊設計從數字農業田間信息獲取平臺的結構圖中可看出，該平臺較為重要的是數據采集功能，該平臺數據采集功能主要是通過數據采集板實現的，依照數字農業田間信息獲取平臺需求設計數據采集板（見圖2）。

圖 2 數據采集板結構圖

依照數字農業田間信息獲取平臺需求將數據采集板劃分成核心板、傳感器模塊、鍵盤操作模塊等五個部分（圖2）。其中微控制器最小系統、相關通信模塊和大容量數據存儲器構成數據采集板的核心板[9]。通過數據采集板中傳感器模塊獲取數字農業田間信息，數字農業田間信息包括土壤水分和濕度、空氣溫度和濕度、降雨量、蒸發量等環境信息和農作物長勢信息。鍵盤操作模塊和液晶顯示模塊構成該數據采集板的人機交互界面，用戶直接操作數據采集板獲取數字農業田間信息[10]。

1.1.2 溫度傳感器設計經過上述分析發現，獲取數字農業田間信息過程中較為重要的是數據采集板中的傳感器模塊。通過傳感器模塊采集外界田間各種參數，如土壤溫度和濕度、空氣溫度和濕度以及降雨量等參數，需采用不同傳感器采集不同參數[11]。本文主要以土壤溫度傳感器為例分析傳感器采集原理。土壤溫度采集過程中主要采用DS18B20溫度傳感器，通過該土壤溫度傳感器能更加精準測量農田中土壤溫度。該土壤溫度傳感器在工作過程中需一直處于土壤中，因此該溫度傳感器需具備尖銳的探頭和較好的抗腐蝕性[12]（見圖3）。

圖 3 溫度傳感器

從圖3中可以看出，土壤溫度傳感器主要組成部分為導線、空心探頭和溫度傳感器。為提升土壤溫度傳感器抗腐蝕程度，需在土壤溫度傳感器探頭頭部采用耐腐蝕金屬材料，且溫度傳感器裝在外殼椎體下面，與傳感器之間接觸緊密，保障土壤溫度傳感器的導熱性。從圖（b）中可以看出，該溫度傳感器適用于測量惡劣環境溫度，提升數字農業田間信息獲取平臺獲取信息的抗干擾能力，同時DS18B220溫度傳感器具由可編程性，能夠設置8 -12位分辨率，溫度傳感器在12位分辨率時，可在較短時間內轉換溫度值，將溫度值轉換成數字，溫度傳感器副業特性較好，即當出現電源反接溫度計的情況時，溫度傳感器不會出現燒毀情況[13]。

1.2 平臺功能分析

本文設計數字農業田間信息獲取平臺的平臺功能結構（見圖4）。

圖 4 數字農業田間信息獲取平臺

從圖4中可以看出，該數字農業田間信息獲取平臺中包含實時顯示、平臺管理以及信息采集等五類平臺功能。其中數字農業信息采集功能采用數據采集板中傳感器采集數字農業田間信息，通過GPRS通信將數字農業田間信息傳輸到服務器上，GPRS采用TCP通訊協議實現和服務器之間的通信。通過程序將采集到的數字農業田間信息傳輸到公網端口和固定IP上是信息采集功能的關鍵點，通過該功能采集數字農業田間信息，將田間信息傳輸到端口上達到接受、解析和入庫數字農業田間信息的目的。平臺管理功能主要由歷史信息管理、實時信息管理力和采集區域管理等子功能構成。由于數字農業田間信息采集區域有所區別，為統一管理數字農業田間信息，需采用平臺管理模塊管理數字農業田間區域，管理員可指定數字農業田間區域類型、地理位置和工作狀態等詳細信息，管理員通過該功能模塊管理和維護數字農業田間信息，解析數字農業田間信息后將田間信息放入數據庫中，普通用戶通過該平臺查看田間信息，但不能更改田間信息[14]。數字農業田間信息實時顯示功能通過圖表等形式將田間信息展示在Web頁面上，通過信息統計分析功能分析田間作物信息要素的最大值、平均值和最小值等統計信息。

1.3 軟件設計

農業工作者為制定合理的生產計劃、估計農業投入和計算農業產物產出，需掌握田間地塊大小。通過面狀地物調查功能記錄地塊的面積、長度和位置等信息和預期相關的屬性信息。田間地物分布信息能精準識別較大石塊、噴灌出水口等田間危險物，因此以田間地物分布信息獲取為例，分析平臺獲取田間信息的流程（見圖5）。

圖 5 田間地物信息獲取流程

從圖5中可以看出，平臺獲取田間地物信息過程中用戶交互操作能夠界定面狀地物和線狀地物的點集，通過獲取點集構建面狀和線狀地理特征，采集地物矢量信息后，需為矢量信息匹配相應屬性信息。不同地物具有不同功能的屬性信息，具有相同的地物編號字段、面狀地物面積字段和線狀地物長度字段等公有信息字段[15]。通過用戶拓展屬性字段描述地物特殊屬性，屬性信息中包含多媒體信息，該多媒體信息主要是通過相機和數字攝像機構成。

2 實驗分析

2.1 采集精準度分析

為分析本文設計數字農業田間信息獲取平臺獲取信息的精準度，以某地區的農田為例，采用本文設計平臺獲取添加該地區農田的空氣溫度和濕度信息，對比本文設計平臺獲取田間空氣溫度和濕度信息和人工測量的田間空氣溫度濕度信息，研究本文數字農業田間信息獲取平臺獲取田間信息精度（見表1、表2）。

表 1 空氣溫度獲取精準度分析

表 2 空氣濕度獲取精準度分析

從兩個表可以看出，采用本文設計的數字農業田間信息獲取平臺獲取田間空氣溫度和空氣濕度的相對誤差值均小于1%，本文平臺獲取空氣溫度和空氣濕度的相對誤差最小值分別是0.39%和0.12%，即本文平臺獲取數字農業田間信息精準度較高。同時分析本文平臺獲取數字農業田間信息時間可發現，本文平臺獲取數字農業田間空氣溫度和空氣濕度的時間和實際時間之間相差較小，即本文平臺獲取數字農業田間信息效率較高。

2.2 平臺功能分析

為探析平臺功能，需采用本文設計數字農業田間信息獲取平臺獲取田間信息，分析本文設計平臺的實時顯示功能和統計分析功能（見圖6、圖7）。

圖 6 平臺實時顯示功能

圖 7 平臺統計分析功能

從圖6~7可以看出，本文設計獲取平臺實際功能較好，通過圖6可看出平臺實時顯示效果較好，通過平臺實時顯示功能用戶可清晰明了的觀測數字農業田間溫度和濕度信息。從圖7中可看出該平臺統計分析效果較好，可精準統計田間風速，為農業工作人員種植和管理農作物提供數據理論。

3 結論

為向農業工作人員提供較為精準的數字農業田間信息，本文設計一種數字農業田間信息獲取平臺，以期通過該平臺獲取所需的數字農業田間信息。該數字農業田間信息獲取平臺中較為重要的部分是數據采集板中的傳感器，通過不同種傳感器可精準獲取數字農業田間信息。經實驗分析發現，該數字農業田間信息平臺獲取田間信息精準度較高，和實際結果較為相符，具有實際使用價值。

[1] 丁幼春,詹鵬,周雅文,等.北斗定位田間信息采集平臺運動控制器設計與試驗[J].農業工程學報,2017,33(12):178-185

[2] 馮建英,魏學鑒,肖廣汀,等.基于數據質量控制的葡萄生產信息采集系統設計與應用[J].農業工程學報,2017,33(s1):192-198

[3] 蔡德楠,司志恒,顏烈帆,等.基于Android的縣域測土配方信息系統的設計與實現[J].江蘇農業科學,2017,45(24):197-201

[4] 熊美東,李就好,田凱,等.基于太陽能供電的田間圖像采集系統設計[J].江蘇農業科學,2016,44(7):389-393

[5] 李林,王竹,呼延正勇,等.田間數據傳輸同步策略與中間件研究[J].農業機械學報,2016,47(1):279-288

[6] 梁萬杰,曹宏鑫.基于3G和ARM嵌入式系統的農作物圖像信息定時采集系統[J].江蘇農業科學,2017,45(21):267-270

[7] 李文龍,鄭文剛.基于云服務接入的溫室環境采集終端優化設計[J].沈陽農業大學學報,2018,49(3):121-127

[8] 臧賀藏,王猛,張杰,等.農田玉米土壤墑情遠程監測云平臺的設計與應用[J].南方農業學報,2017,48(11):191-196

[9] 賈艷輝,費良軍,黃修橋,等.農田漬害監測預警系統設計與應用[J].排灌機械工程學報,2017,35(12):1075-1080

[10] 鄭桂林,張天.基于iOS的農業信息采集系統的設計與實現[J].江蘇農業科學,2018,46(22):242-246

[11] 劉建剛,趙春江,楊貴軍,等.無人機遙感解析田間作物表型信息研究進展[J].農業工程學報,2016,32(24):98-106

[12] 魏圓圓,王雪,王儒敬.基于WebGIS的農場生產管理信息系統的設計與實現[J].農業工程學報,2018,34(16):147-155

[13] 蒙季華.面向精準農業的農田信息遙感獲取系統[J].高技術通訊,2018,28(6):5-15

[14] 劉建剛,趙春江,楊貴軍,等.無人機遙感解析田間作物表型信息研究進展[J].農業工程學報,2016,32(24):98-106

[15] 韓文霆,張立元,張海鑫,等.基于無人機遙感與面向對象法的田間渠系分布信息提取[J].農業機械學報,2017,48(3):205-214

Design for the Digital Agricultural Information Acquisition Platform and Its Application

HOU Yang-qing, YANG Liu-qing

350108,

The traditional agricultural information platform based on physical information is not intelligent enough to ensure that agricultural staff can accurately understand digital agricultural field information in real time. This paper designs a digital agricultural field information acquisition platform. The data acquisition and output layer of the platform rely on data acquisition board to obtain agricultural field information. Through GPRS wireless transmission module, agricultural field information will be acquired. Transfer to the SQL SERVER 2018 database in the data parsing and storage layer. Intelligent parsing of agricultural field information, according to the interaction between Web application server and database server in the data use and sharing layer, complete the conversion and application of digital information. The experimental results show that the minimum relative errors of air temperature and humidity obtained by the platform are 0.39% and 0.12% respectively, and the difference between the time and the actual time of obtaining air temperature and humidity in the field of digital agriculture is small. The real-time display and statistical analysis of the platform shows that the display effect of soil temperature and humidity is better than that of a single physical information display platform, and the degree of intelligence is improved.

Digital agriculture; information collection; platform design

TP126

A

1000-2324(2020)03-0572-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.039

2019-02-25

2019-03-19

福建省福州市科技計劃項目(2013-G-96)

侯陽青(1979-),女,碩士,講師,主要研究方向數據庫技術、軟件工程. E-mail:hyq235@foxmail.com