基于移動通信技術的灌溉信息平臺設計

王 娟,張萃珍

(江西機電職業技術學院,南昌 330013)

0 引言

灌溉是農業生產的基礎,智能化灌溉是現代農業發展的趨勢,現代農業生產對灌溉的數字化和信息化要求也逐步提高,精細灌溉已經成為當前農業科學研究的焦點[1]。精細灌溉采用網絡通信的方式對灌溉準備過程和灌溉過程進行實時監測,主要運用計算機技術、物聯網及移動通信技術,實現遠程對作物的生長狀態、土壤墑情以及需水量進行監測和灌溉需求分析,從而達到科學、精細灌溉的目的[2-4]。目前,對灌溉過程相關信息的管理已經成為智能化灌溉技術推廣的關鍵。

本文采用移動通信技術,設計了一種能夠使用移動客戶端進行灌溉參數和灌溉信息管理的智能化平臺,包含遠程數據查詢、分析、灌溉指令發送以及灌溉預約等功能,以實現遠程智能化灌溉數據管理。

1 灌溉信息管理平臺需求分析

灌溉信息管理是灌溉管理的基礎,正確的灌溉信息管理有助于合理、科學灌溉過程的實施。灌溉信息管理平臺是以微機系統為基礎搭建的一種能夠進行數據交互和信息管理的綜合平臺,主要包含數據采集、通信、數據管理及灌溉決策等[5]。灌溉決策過程是根據土壤條件、氣候條件及作物生長狀態等綜合信息進行灌溉需求分析的過程[6]。灌溉管理人員需要科學、合理地獲取灌溉需求信息,并根據灌溉需求信息進行灌溉決策,建立一種安全、穩定和科學的灌溉信息管理平臺。

灌溉信息管理平臺要求能夠使用移動終端進行灌溉需求分析、灌溉決策以及灌溉指令的下達。當平臺使用人員通過移動終端發送灌溉通信時,灌溉平臺根據接收到的灌溉指令進行系統準備,并將相關數據信息存儲至數據庫當中,灌溉完成后生成歷史數據,便于后期查詢[7]。所設計的灌溉信息平臺要求具有移動通信控制功能,其通信架構如圖1所示。

圖1 灌溉信息平臺通信架構圖Fig.1 Communication architecture of irrigation information platform

平臺使用人員可在加入的任何計算機終端或移動終端上進行數據瀏覽和相關指令信息發送;當服務器接收到指令信息后,能夠將接收到的通信數據生成臨時報表數據;平臺進行數據發送與接收時,采用一種GSM移動通信方式[8]。圖2所示為灌溉信息平臺通信程序圖。

圖2 灌溉信息平臺通信程序圖Fig.2 Communication program diagram of irrigation information platform

圖3 灌溉信息平臺結構框架圖Fig.3 Structure frame diagram of irrigation information platform

平臺移動終端在為用戶提供灌溉信息服務的同時,要求能夠實時對作物的生長狀態和水分需求情況進行查詢,且具備用戶遠程灌溉預約的功能,用戶可在移動終端進行注冊、登錄、信息查詢以及灌溉預約等[9]。

2 灌溉信息管理平臺設計

灌溉信息平臺數據庫是灌溉信息數據管理的核心,也是平臺信息開發的基礎。灌溉信息平臺數據庫主要包含作物種類、氣候條件、水資源以及管理條件等綜合因素[10]。灌溉信息平臺數據庫包含歷史信息數據和專題數據,能夠實現數據的顯示、查詢和分析,并在平臺內進行數據共享,將管理區域內的地理信息數據和灌溉管理數據以圖表和曲線的形式進行顯示,實現平臺數據的數字化管理和顯示可視化,如圖2所示。灌溉信息平臺要求能夠結合歷史數據進行灌溉區域數據預測,為管理部門決策提供參考依據。在進行信息平臺搭建時,預留多個數據交互接口,以滿足灌溉信息的實時監測和數據交互[11-12]。

3 灌溉信息平臺模塊設計

灌溉信息平臺數據庫分為空間和屬性兩種類型數據庫。其中,空間數據庫主要為地理信息數據,屬性數據庫為灌溉過程預測模型和灌溉決策模型。在進行灌溉信息平臺數據庫設計時,要保證數據庫的安全性,同時要求數據庫具有擴展性,能夠在數據庫中進行空間數據提取,并利用屬性數據進行運算分析[13]。平臺中空間數據庫可以構建出地理信息客戶端,并為用戶提供地理數據服務。灌溉信息平臺可將信息管理模塊和地理信息管理模塊進行數據交互,平臺中空間數據由系統管理員進行更新,屬性數據則可通過終端用戶進行維護修改,從而保證歷史數據的穩定性,同時為終端用戶的使用提供便利。

根據功能不同,可將灌溉信息平臺系統數據庫劃分為地理信息數據庫、歷史信息數據庫以及專題數據庫。其中,地理信息數據庫包含區域內的行政劃分圖、交通圖以及灌溉水資源分布圖,可在地理信息數據庫中按照不同的要素劃分圖層[14]。表1 為平臺地理信息數據庫屬性。

表1 平臺地理信息數據庫屬性Table 1 Properties of platform geographic information database

歷史信息數據庫主要包含使用區域內的灌溉信息數據,即農業氣候特征、灌溉工程現狀、歷年灌溉信息以及農業生產狀況等。專題數據庫主要是區域內的灌溉制度,包含供水制度和經濟灌溉制度[15]。圖4為數據庫信息交互界面示意圖。

圖4 灌溉信息平臺數據庫交互界面示意圖Fig.4 Schematic diagram of database interactive interface of irrigation information platform

信息檢索模塊用于向平臺使用人員和管理人員提供數據查詢服務,主要包含空間查詢和條件查詢兩種模式。在空間查詢模式下,可通過平臺中的地圖方式進行查詢,獲取需求數據;條件查詢模式是在查詢界面中根據查詢條件獲取需求數據。

數據分析模塊用于進行測量和統計分析,測量過程是在地圖界面中進行距離、面積以及坐標的測量,獲取相關空間信息。統計分析主要是對農業灌溉過程中的分布情況、灌溉類型以及灌溉量進行統計匯總,生成設定的圖形或報表數據,便于后期進行查詢使用。

灌溉預測模塊是平臺管理人員在制定灌溉政策時,通過調用相關數據信息,利用預測模型模擬區域內的灌溉需求過程,并進行數據分析,生成灌溉推薦方案和灌溉指標,向區域內的使用人員提供灌溉資源配置參考依據。

平臺在建立預測模型時,要綜合考慮農業生產現狀和歷史數據,基于灌溉區域管理制度建立灌溉用水量預測模型。灌溉模型主要包含綜合灌溉凈定額和灌溉用水量。

綜合灌溉凈定額計算公式為

其中,m為綜合灌溉凈定額;ai為作物種植比例;mi為作物灌溉定額。

灌溉用水量計算公式為

其中,W灌為灌溉用水量;F為灌溉面積;η綜為灌溉水有效利用系數。

灌溉管理模塊主要用于用戶管理、系統數據管理以及系統工具使用。用戶管理包含用戶賬號信息的管理和維護,可根據使用人員性質的差異將平臺用戶劃分為普通用戶、管理人員以及系統管理員3個不同的群體。系統數據管理主要用于對平臺內的數據庫進行編輯和更新,并要求能夠批量進行數據的導入和導出。系統工具使用主要用于對平臺內的數據進行管理,包含報表生成、曲線生成及打印輸出等。

為保證移動終端與平臺服務器之間能夠有效進行數據交互,采用移動通信技術,利用Java多線程方式實現數據傳輸。當一個移動終端項平臺服務器發送網絡連接請求時,同時產生一個額外的子線程來進行該移動終端的連接需求;當每一個通信線程啟動完成后,每一個移動終端即與平臺服務器之間建立通信網絡,從而保證移動終端和平臺服務器之間能夠有效進行數據交互。

移動客戶端完成組網后,即可在終端進行平臺用戶登錄,使用數據查詢功能進行灌溉數據查詢,并根據不同區域的灌溉需求進行灌溉預約,同時可在終端用戶界面內進行相關結果和狀態查詢。圖5為灌溉平臺移動終端程序執行流程圖。

圖5 灌溉信息平臺移動終端程序執行流程圖Fig.5 Flow chart of mobile terminal program execution of irrigation information platform

4 平臺測試

利用移動通信技術建立灌溉信息平臺,對區域內的灌溉參數進行預測。將建立好的灌溉信息平臺應用于某地區,進行平臺應用測試分析。該區域內總灌溉面積2000hm2,有效灌溉面積1333.3hm2。其中,包含蔬菜種植區域666.7hm2,采用地下水進行灌溉;其余種植區域主要種植小麥和玉米,采用灌溉水庫進行灌溉。參照歷史數據可以得出:該區域的水分蒸發量為每年1600mm,年平均氣溫9℃,最高氣溫37℃,最低氣溫-15℃,年平均降水量600mm。

將灌溉區域內的種植作物類型、種植面積以及其他相關參數采用移動終端或服務器進行輸入,對區域內666.7hm2小麥和玉米的灌溉信息進行預測,如表2所示。

表2 灌溉信息預測數據Table 2 Irrigation information forecast data

5 結論

灌溉信息管理平臺采用移動通信技術進行信息數據交互,實現灌溉信息的統一管理,并進行歷史數據管理,同時可對信息數據進行圖表顯示和分析,有效提高了灌溉信息平臺的自動化和智能化水平。采用基于灌溉制度的預測模型對區域灌溉需求進行預測,為灌溉管理者的決策提供輔助。