基于Spring的土壤檢測及數據分析系統

王甜 李旭輝 楊開世 杜佳舉 白宇珩 代永強

摘要：由于多年人為和自然因素的綜合作用，使得干旱、半干旱甚至半濕潤地區自然環境退化，世界環境部分出現荒漠化，抑制荒漠化的主要措施是解決植被問題。

土壤檢測及數據分析系統運用互聯網大數據技術，旨在為貧瘠土壤環境檢測及提供植被種植的參考方案。系統為植物種植工作者提供了一個較為科學完備的數據庫，在一些貧瘠土地上工作時不僅可以通過直接搜索關鍵字進行得到植物的相關數據，還可以通過模擬環境以及利用硬件實時檢測的方法，匹配相應適宜的植物作為參考數據，為當地環境篩選出最恰當的植物，減少多次實驗的不必要性。

關鍵詞：西部大開發;生態環境;大數據;土壤元素;數據分析

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）30-0132-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著人們對生活質量要求的提高，生態環境建設逐漸變成關注的要點，其中土地沙漠化引起人們廣泛的關注。自國家確定開始西部大開發規劃以來，我國西部作為經濟建設的一重點戰略地區，而嚴酷的環境卻是阻擋國家建設的一大難題，因此我國西部生態環境建設成為重中之重的任務。而對于生態環境建設不單單只是防止土地荒漠化這一項內容，對于絕大多數西北地區而言，水土流失嚴重，土地鹽堿化，氣候日夜溫差大，降水量少，植被種植自當主要的問題;而解決這些問題首先需要科學得恢復適宜當地生長的自然植被，所選用的植被必須是要符合當地的生態環境，種樹或者種草的人為恢復方法都必須遵循當地植被演替及生態規律。

本套系統硬件與軟件技術相結合，使得整套系統首先具有數據檢測的功能，檢測溫度、PH等土壤元素的多個傳感器進行組合構成硬件部分，利用硬件設備可以對一定區域土壤中溫度、濕度以及pH數據;其次，系統提供了較為完備的數據庫，利用互聯網大數據知識將數據分析整理，為檢測的區域樣方找到合適的植被建議使得數據更加的具有實用性和科學性。

1 可行性分析

1.1 要求

此系統主要分為數據檢測和環境模擬兩大功能。軟件用于供給用戶可視化界面，包括植物信息搜索、環境檢測數據獲取、環境模擬結果等等。硬件系統用以檢測土壤數據并實現存儲等。

1.2 系統開發必要性

1）土壤酸堿度（pH）對植物的影響。土壤的酸堿度對植被的生長情況影響特別大。一般來說，中性土壤環境中的各種養分對于植物來說更容易被吸收，也更有利于植物的生長，也更能促進植被產量的提高，適合絕大部分植物的生長。因此，土壤上種植植物的選取要根據土壤所具有的特性。

2）土壤濕度對植物的影響。土壤濕度指土壤含水量的多少，土壤濕度很大程度會影響植物的生長發育，沙漠、半沙漠地區形成的最主要原因就是土壤含水量低，絕大部分部分植物難以在缺水的環境下生存，從而逐漸消失，土壤裸露在外，常年遭受風沙侵蝕，形成沙漠。因此，不同的植物對于環境適應的能力不同，而當我們清楚地掌握這些數據之后，植物便能更好的生長。

通過以上的研究和分析，認為系統的開發獲得效益大于投入，所以開發項目是可行的。

2 系統總體設計

完整的土壤檢測及數據分析系統主要由3個部分構成，即硬件系統、軟件系統和植物數據庫。

硬件系統主要用于對土壤中給各個元素的數據采集和數據檢測方面，使用溫度、濕度、PH等多個傳感器以及Arduion開發板，實現數據的檢測并對采集獲得的數據進行進一步的處理，將數據傳入軟件緩沖數據庫，然后再交由軟件完成接下來的步驟。

軟件系統主要為用戶提供一個可視化界面以及數據分析功能，采用vue開發整個電腦端頁面，軟件后端提供處理數據的相應接口用來處理硬件設備傳回的數據，軟件將存儲在緩沖數據庫的數據調用進來進行分析，并進行用戶交互，對所收集到的數據進行篩選，處理和選擇。

數據庫中主要存放硬件設備在土壤中采集到的數據，進行軟件與數據庫的數據交互，植物數據庫包含植物的各種信息，具體反映了植物的基本信息以及植物生長所需要的環境，例如PH、生長適宜溫度、濕度、海拔高度、年降水量等。系統功能圖如圖1所示。

3系統硬件設計

土壤檢測及數據分析系統硬件系統構成包括計算機與一些外圍設備，主要實現土壤環境的數據檢測、輸入、存儲、輸出等。

3.1 硬件構成

1）數據輸入設備。包括溫度傳感器、濕度傳感器、pH傳感器，以及Arduion開發板、樹莓派等設備。

2）數據存儲設備。主要采用樹莓派和服務器數據庫存儲環境數據，樹莓派是一種卡片式的便攜電腦，具有電腦的所有基本功能，在樹莓派上安裝Linux系統，即可以安裝MySQL來獲取傳感器的數據并存儲在樹莓派的本地數據庫里。同時使用云服務器的數據庫與樹莓派的數據庫連接，使數據網絡化，供給軟件系統使用。

3.2 硬件功能設計

傳感器通過接觸被檢測環境而獲取環境的具體信息，并且將所測得的數據通過Arduion開發板傳至樹莓派本地數據庫中，由于樹莓派本地數據庫不能滿足系統的需求，故通過在樹莓派上編寫python程序來連接云端數據庫，將傳感器測得的、暫時儲存在樹莓派本地環境數據上傳至云服務器，系統使用數據時直接從服務器端得到數據。

4 系統軟件設計

系統軟件部分主要包括三個功能。數據查找，用戶通過搜索植物名或關鍵字等，從而獲取與該植物有關的植物的基本信息、生長環境信息等所有信息;環境模擬，用戶通過輸入土壤環境必備的一些參數，系統通過計算并從數據庫中找到與該環境匹配度達60%以上的植物并顯示給用戶，供給用戶參考和選擇;環境檢測，硬件部分將土壤中采集到的數據上傳至服務器數據庫之后，通過計算機進行處理輸出在可視化界面向用戶展示當前環境的各種信息。軟件流程圖如圖2所示。

4.1 接口設計

接口主要針對數據庫數據的查詢、插入、刪除、更改等操作設計，例如軟件與緩沖數據庫進行交互，將數據傳入軟件，TemperatureMapper、pHMapper、HumidnessMapper等接口將數據接入軟件分析和顯示部分，用來滿足前端的需求。

4.2 界面設計

軟件前端部分使用了最新的前端技術棧，技術棧基于vue、vuex、axios和element-ui等技術實現界面邏輯及數據的處理。界面提供三個主要功能，通過連接后端接口及數據庫實現各個功能。

5 結束語

本文設計的土壤環境檢測及數據分析系統從大數據信息化方向出發，建立一個較為真實完備的數據庫，其中收集了植物的必備環境條件作為基本數據，以這些基礎數據將植物簡化為一個抽象的模型，可以供人們清楚地理解植物的特征，這些抽象出來的數據供給防沙治沙工作人員作為參考，更清楚的了解植物信息，達到種植效益最大化、成活率大大增加。結合“數字地球”思想，使植物信息數字化，由大量數字化植物信息組成“數字植物圈”，讓防沙、治沙工作變得更加簡單、高效，讓植物信息更加透明、直觀。

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【通聯編輯：李雅琪】