全國自動土壤水分觀測運行監(jiān)控APP設(shè)計

曹婷婷++吳東麗++沈超++朱東紅

摘要 基于安卓平臺搭建了一套針對我國2 000多個氣象觀測站的自動土壤水分觀測運行監(jiān)控APP，軟件采用伸縮性部署架構(gòu)，內(nèi)部通過數(shù)據(jù)交換總線進行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)中間件通過HTTP API接口為APP提供數(shù)據(jù)服務。該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)自動土壤水分儀設(shè)備故障診斷、濕度數(shù)據(jù)產(chǎn)品統(tǒng)計、觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品分析及站點管理等功能，可自動生成數(shù)據(jù)異常、設(shè)備故障的類型及其原因分析，并推送至農(nóng)業(yè)氣象員手中；軟件建立了一套土壤水分數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法、觀測設(shè)備故障維修分析庫等，實現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，為農(nóng)業(yè)氣象干旱實時監(jiān)測和站點設(shè)備高效運行提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測；土壤水分觀測；運行監(jiān)控；APP設(shè)計

中圖分類號 S152.7；P412 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）19-0195-02

Abstract Based on the Android platform，a set of automatic soil moisture observation monitoring APP was set up for more than 2 000 national meteorological observations.The software used adjustable deployment structure，and the internal data was exchanged through the data exchange bus.The data middleware provided data services to the APP through the HTTP API interface.The software could realize automatic soil moisture meter failure diagnosis，humidity and temperature data product statistics，observation data product analysis，site management，etc.The software could automatically generate abnormal data and equipment fault types，and also the cause analysis，then push to the agricultural weatherman.The software established a set of soil moisture data quality control algorithm，and the observation equipment failure maintenance analysis database，etc.The statistical analysis of observed data was realized，so as to provide technical supports for the real-time monitoring of agricultural meteorological drought and the efficient operation of site equipment.

Key words agriculture drought monitoring；soil moisture observation；running monitoring；APP design

農(nóng)業(yè)干旱是我國最主要的農(nóng)業(yè)氣象災害，因農(nóng)業(yè)干旱造成的經(jīng)濟損失遠超過任何其他農(nóng)業(yè)氣象災害。在全球氣候變化背景下，近年來我國農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生更為頻繁。干旱持續(xù)時間之長、影響地域之廣為歷史罕見，引起了中央和各級政府的高度關(guān)注，目前農(nóng)業(yè)干旱已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的嚴重障礙。而氣象部門多年來采用人工監(jiān)測干旱的頻率和效率已遠不能滿足決策部門和公眾對干旱監(jiān)測的需求。

自動土壤水分觀測站是為了在氣候變化背景下提高農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測水平而建設(shè)，截至目前，我國氣象觀測自動土壤水分站已建設(shè)2 000多套，形成了較為有效的土壤水分監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[1-4]。隨著手機應用的普及，越來越多的應用移動化需求浮出水面，傳統(tǒng)的工作方式逐漸被移動化方式所取代。目前氣象領(lǐng)域，無論是管理人員、業(yè)務人員還是基層觀測人員，所涉及到的網(wǎng)絡(luò)應用競相向移動應用發(fā)展，智慧氣象領(lǐng)域的APP應用雨后春筍般出現(xiàn)，這將全面提升氣象自動監(jiān)測效率和服務能力。而目前現(xiàn)有的土壤水分業(yè)務應用軟件和監(jiān)控軟件大多是基于PC端開發(fā)，已無法滿足觀測人員對移動應用日益增長的需求。因此，在移動終端開發(fā)一套自動土壤水分觀測儀設(shè)備運行監(jiān)控APP，隨時隨地進行設(shè)備保障和貼身的土壤水分監(jiān)測與預報服務，將會大大提高自動土壤水分觀測儀的運行監(jiān)控能力和保障時效。

1 總體設(shè)計

自動土壤水分觀測儀設(shè)備運行監(jiān)控APP在安卓平臺上搭建，兼顧業(yè)務發(fā)展要求和發(fā)展態(tài)勢，結(jié)合土壤水分監(jiān)測業(yè)務的實際情況，建設(shè)技術(shù)領(lǐng)先、安全可靠、整合土壤水分自動監(jiān)測基本業(yè)務和數(shù)據(jù)應用于一體的APP應用軟件。APP以全國2 000多個自動土壤水分觀測站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提供實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計、分析等功能，可自動生成數(shù)據(jù)異常和設(shè)備故障類型和原因分析，并推送到手機APP用戶。

系統(tǒng)設(shè)計充分保證設(shè)計思想、系統(tǒng)架構(gòu)、應用功能等方面適當超前定位，能夠滿足土壤水分監(jiān)測業(yè)務未來幾年發(fā)展的需要，具備較好的開放性與可擴充性，便于在現(xiàn)有的平臺上拓展升級新的應用。

1.1 設(shè)計原則

（1）經(jīng)濟性。整個項目以現(xiàn)有需求為基礎(chǔ)，充分考慮發(fā)展的需要來確定系統(tǒng)的規(guī)模，既要降低系統(tǒng)的初期投入，又能滿足服務對象的需求，同時系統(tǒng)設(shè)計應充分考慮對已有投資的保護，對已建立的系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、應用軟件應提供完備的整合方案。

（2）先進性。采用先進成熟的技術(shù)，確保平臺應用軟件的先進性、經(jīng)濟性和實用性；同時，在滿足現(xiàn)期功能的前提下，系統(tǒng)設(shè)計具有前瞻性，在今后較長時間內(nèi)保持一定的技術(shù)先進性。

（3）安全性。軟件采用的應用框架及平臺本身提供應用安全保證，對于操作人員，只允許具有相應權(quán)限的人進行相應的操作，從而保證數(shù)據(jù)的安全性和保密性；另外，提供用戶、角色、權(quán)限3級安全控制管理。

（4）開放性。軟件系統(tǒng)對于各類業(yè)務系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等具有通用的或可定制的接口策略。

（5）可靠性。保證平臺的可靠運行和在升級過程中的方便快捷。

（6）可擴展性。軟件應分層模塊化設(shè)計，可以根據(jù)需求的變化，進行功能的調(diào)整、增減、模塊的升級和系統(tǒng)架構(gòu)的完善；根據(jù)接口文檔，能夠快速方便地進行二次開發(fā)。

（7）可維護性。軟件操作簡單，實用性高，具有易操作、易維護的特點，具有專業(yè)的管理維護接口，方便系統(tǒng)維護。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

采用伸縮性部署架構(gòu)，可根據(jù)以后發(fā)展將數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)據(jù)中間件服務器分布式部署，內(nèi)部通過數(shù)據(jù)交換總線進行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)中間件通過HTTP API接口為APP提供數(shù)據(jù)服務（圖1）。

1.3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

采用3層架構(gòu)結(jié)合Restful API技術(shù)于一體，系統(tǒng)劃分即數(shù)據(jù)層、業(yè)務邏輯層、應用層（表現(xiàn)層）。其中數(shù)據(jù)層體現(xiàn)為數(shù)據(jù)庫、文件和其他格式的應用程序數(shù)據(jù)。業(yè)務邏輯層直接從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)，并為應用表現(xiàn)層提供數(shù)據(jù)接口和相關(guān)服務。應用層（表現(xiàn)層）負責服務接口的調(diào)用和用戶交互邏輯。

（1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是數(shù)據(jù)庫中實際存儲的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層按照規(guī)范和標準，對數(shù)據(jù)資源進行標準化處理、交換以及管理。主要指土壤水分數(shù)據(jù)庫（Soil Moisture），數(shù)據(jù)庫平臺采用SQL Server或者Oracle，數(shù)據(jù)訪問方式采用JDBC。

（2）業(yè)務邏輯層。支持表現(xiàn)層所需的所有邏輯和處理，主要負責系統(tǒng)大部分的業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)處理，它從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)，然后根據(jù)業(yè)務規(guī)則，將獲取的數(shù)據(jù)進行封裝、處理成JSON數(shù)據(jù)包提供給表現(xiàn)層。

（3）應用層（表現(xiàn)層）。在業(yè)務邏輯層的基礎(chǔ)上，開發(fā)自動土壤水分觀測系統(tǒng)手機APP，APP提供統(tǒng)一用戶服務入口，依據(jù)用戶權(quán)限提供信息查詢和分析的功能。通過規(guī)范化流程、友好界面和方便性操作設(shè)計，為業(yè)務人員、設(shè)備保障人員和領(lǐng)導決策提供監(jiān)測數(shù)據(jù)信息、設(shè)備狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)異常和故障報警等信息服務。

另外，系統(tǒng)可以提供API、數(shù)據(jù)庫接口、文件等來實現(xiàn)與第三方的應用系統(tǒng)集成。

2 主要功能

自動土壤水分運行監(jiān)控APP主要針對全國自動土壤水分觀測設(shè)備進行運行監(jiān)控，同時兼顧觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控和觀測產(chǎn)品支持服務的軟件。其能實現(xiàn)自動土壤水分儀設(shè)備故障診斷、濕度數(shù)據(jù)產(chǎn)品統(tǒng)計、觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品分析及站點管理等功能（圖2）。用戶主要是全國各級農(nóng)業(yè)氣象觀測的運行監(jiān)控和技術(shù)保障部門。

2.1 觀測數(shù)據(jù)

當前觀測實時數(shù)據(jù)通過列表或者其他視圖形式展示當前時次單站單要素所有層次的土壤水分數(shù)據(jù)，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定值自動判斷當前墑情狀況（適宜、輕旱、重旱等），還可提出農(nóng)事操作建議（比如是否需要灌溉等）。針對過往歷史觀測數(shù)據(jù)可從一天當中選出典型時次（如正午12：00）的墑情數(shù)據(jù)，展示選中站點單層單要素最近1周或者1個月的數(shù)據(jù)走勢，用曲線或者時間軸列表形式顯示（圖3）。

2.2 統(tǒng)計分析

軟件可對選中站點單層單要素統(tǒng)計出最大值、最小值、平均值，以柱狀圖或其他形式進行展示，統(tǒng)計時間跨度可以是1 d、1周、1旬等[5]。

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制主要包括農(nóng)業(yè)氣候極值、土壤濕度閾值、整點數(shù)據(jù)缺測、降幅異常值、恒值異常、文件格式檢查等內(nèi)容。質(zhì)量檢查后的結(jié)果可通過軟件進行顯示和查詢，列出質(zhì)控異常站點和明細、臺站聯(lián)系人、聯(lián)系方式等（圖4）。

2.4 故障診斷

故障診斷是自動土壤水分觀測儀故障分析問答知識庫[5]，主要包括典型故障表現(xiàn)形式、對故障原因的經(jīng)驗判斷以及故障的處理建議。在故障分析頁面中，系統(tǒng)會自動讀取常見設(shè)備故障類型知識庫并以列表形式進行展示，給出具體操作指導意見和建議，設(shè)計的頁面展示框圖見圖5。

3 結(jié)語

本文所介紹的全國自動土壤水分運行監(jiān)控APP實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)氣象觀測中自動土壤水分觀測儀的運行監(jiān)控以及觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，為農(nóng)業(yè)氣象干旱實時監(jiān)測和站點設(shè)備高效運行提供了技術(shù)支撐。通過該軟件的開發(fā)積累了一定開發(fā)設(shè)計經(jīng)驗，培養(yǎng)了一批農(nóng)業(yè)氣象自動化觀測技術(shù)人才。

4 參考文獻

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