鐘國財 郝澤亮 謝東東 潘庭龍
摘 要:土壤的水分和環(huán)境溫度都在一定程度上影響著植物的生長。為了實現(xiàn)對土壤墑情長時間的連續(xù)監(jiān)測,文中對采用主從結(jié)構(gòu)的土壤墑情采集系統(tǒng)軟件進行了設(shè)計。主要包含基于SI4432的無線射頻通信、基于SIM900A的GPRS(無線通信)、上位機信息管理系統(tǒng)三部分。測量系統(tǒng)的主站與從站通過SI4432通信,主站收集各從站的測量信息并通過GPRS通信上傳到遠程服務(wù)器,墑情信息管理系統(tǒng)從服務(wù)器提取數(shù)據(jù),并進行相應(yīng)的處理,直觀地顯示在用戶界面上,以實現(xiàn)遠程顯示及監(jiān)控,為作物的最佳灌溉時間提供參考。
關(guān)鍵詞:SI4432;無線射頻通信;GPRS;信息管理系統(tǒng)
中圖分類號:TP212 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:2095-1302(2018)03-00-03
0 引 言
水資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要,土壤水分含量是影響農(nóng)作物生長過程的重要物理參數(shù)[1]。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對土壤墑情(土壤濕度)長時間的連續(xù)監(jiān)測,通過對溫度、濕度數(shù)據(jù)的大量采集與處理,繪制出相應(yīng)的曲線,有利于詳細分析土壤情況,對解決與土地相關(guān)行業(yè)出現(xiàn)的諸多問題有著積極的作用[2] 。
盡管我國各級相關(guān)土地部門在土地信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建方面取得了較大進步,但是問題依然存在[3]。例如,我國墑情監(jiān)測工作相對薄弱,土壤水分信息采集手段比較落后,系統(tǒng)各方面建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,建設(shè)的內(nèi)容不規(guī)范,取得的建設(shè)成果千差萬別,這些都不利于管理和運維墑情信息系統(tǒng)的工作[4]。本文設(shè)計了土壤墑情管理系統(tǒng),用以取代傳統(tǒng)的人工采集、處理土壤信息方法,實現(xiàn)對土地情況高效、便利的檢測,實行遠程實時監(jiān)控,為作物的最佳灌溉時間提供參考。
1 土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計的土壤水分測量系統(tǒng)包括主站數(shù)據(jù)采集和從站數(shù)據(jù)測量兩部分,如圖1所示。每個從站傳感器包含數(shù)字溫度傳感器和土壤水分傳感器,分別用來采集土壤的溫度和水分信息,并將采集到的數(shù)據(jù)通過SI4432傳輸給主站采集器,由主站通過GPRS統(tǒng)一將信息發(fā)送至遠程服務(wù)器。
2 監(jiān)測系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊
2.1 主從站無線通信模塊
主站與從站之間采用無線射頻模塊SI4432進行數(shù)據(jù)傳輸。其中SI4432是高度集成的單芯片無線ISM收發(fā)器件。 EZRadioPRO系列包括發(fā)射機、接收機和射頻收發(fā)器,設(shè)計工程師可以選擇利用其中的無線部分。SI4432的高度集成可以降低BOM,同時簡化整體設(shè)計。極低的接收靈敏度,加上工業(yè)界領(lǐng)先的+20 dBm輸出功率,內(nèi)置天線多樣化和支持跳頻[5],保證了傳輸范圍和穿透能力。
主站傳感器具有數(shù)據(jù)采集器的功能,每個主站與多個從站進行通信,主從站之間通過SI4432無線收發(fā)模塊的廣播通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。主站不斷廣播,廣播的信息結(jié)構(gòu)為從站地址及對應(yīng)的配置信息,如AY3600,其中第1個字節(jié)A表示從站編號,第2個字節(jié)Y表明是否更改測量周期,Y表示更改,N表示不更改;數(shù)據(jù)3 600(s)表示更改后的測量周期。主站廣播流程如圖2所示。
從站傳感器數(shù)據(jù)測量完畢后等待主站廣播,收到廣播本站地址后立即反饋信息給主站,兩者建立通信,接收主站發(fā)送的配置信息并解析,之后發(fā)送測量數(shù)據(jù)給主站,直至收到主站確認數(shù)據(jù)正確接收的信息后,結(jié)束與主站的通信,從站進入待機模式,等待下一次喚醒測量。從站應(yīng)答流程如圖3所示。
2.2 基于SIM900的GPRS無線通信
主站采集器對各從站發(fā)來的測量數(shù)據(jù)進行處理后,通過GPRS無線傳輸將信息上傳至遠程服務(wù)器,同時上位機也將參數(shù)修改信息返回到主站。本設(shè)計采用的無線傳輸模塊為SIM900A。SIM900A是SIMCOM公司研發(fā)的工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊,工作頻段為雙頻900/1 800 MHz,可以低功耗實現(xiàn)語音,SMS(短信,不支持彩信),數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸[6]。GPRS有許多優(yōu)勢,包括資源利用率高、傳輸速率高、接入時間短、支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議等[7]。
主站通過GPRS傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫的信息主要有三種,分別是獲取參數(shù)修改信息請求、土壤墑情信息、傳感器地理位置信息。為了便于區(qū)分,這三種信息請求分別有各自的標(biāo)識。獲取參數(shù)修改信息請求的標(biāo)識是“44”,土壤墑情信息的標(biāo)識是“33”,采集器地理位置信息的標(biāo)識是“22”。通過識別這三種信息的標(biāo)識來判斷其區(qū)別,進而服務(wù)器對其分別進行處理,具體流程如圖4所示。
3 土壤墑情信息管理模塊
土壤墑情信息管理系統(tǒng)主要是面對用戶需求的上位機操作系統(tǒng),用來滿足用戶多方面的需求[8]。用HTML編寫動態(tài)Web網(wǎng)頁界面,并在HTML中嵌入PHP語言編寫的后臺運行代碼,操作云端MySQL數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)信息,并借助一些組件來完成數(shù)據(jù)的處理操作[9]。概括來說,整個系統(tǒng)的設(shè)計主要分為三個方面,即前臺網(wǎng)頁界面、后臺數(shù)據(jù)信息識別與處理及MySQL數(shù)據(jù)庫。
土壤墑情信息管理系統(tǒng)的初始界面應(yīng)當(dāng)簡潔、明了,通過超鏈接的方式打開該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示以及參數(shù)修改界面,如圖5所示。
參數(shù)設(shè)置界面主要用于輸入修改的參數(shù),并將這些參數(shù)通過后臺代碼傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫并存儲。參數(shù)修改界面如圖6所示。
數(shù)據(jù)的顯示功能實現(xiàn)流程如圖7所示。
歷史數(shù)據(jù)顯示界面的傳感器位置信息等都可以實時顯示。通過點擊歷史數(shù)據(jù)顯示界面的“實時數(shù)據(jù)顯示”,就可以運用超鏈接跳轉(zhuǎn)到實時數(shù)據(jù)顯示界面,該界面的主要樣式如圖8所示。
在歷史數(shù)據(jù)顯示界面中選取所需數(shù)據(jù)的傳感器編號后,能夠自動實時顯示所選取傳感器設(shè)備檢測到的最新數(shù)據(jù)信息,并且可以以折線圖的形式顯示不同節(jié)點數(shù)據(jù)的變化趨勢。包括歷史數(shù)據(jù)顯示界面的地理位置信息,通過設(shè)置500 ms/次的掃描,確保數(shù)據(jù)的快速動態(tài)更新。為了動態(tài)地獲取PHP后臺程序返回的數(shù)組信息,HTML網(wǎng)頁程序需要調(diào)用JavaScript中的$.ajax方法。
4 結(jié) 語
本文將從站傳感器與主站采集器相結(jié)合,利用無線射頻模塊SI4432進行通信,采用信息應(yīng)答方式確保兩者之間信息的正確傳輸。主站采集器利用GPRS無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程服務(wù)器,為實現(xiàn)遠程監(jiān)控帶來極大便利。上位機的墑情信息管理系統(tǒng)以MySQL數(shù)據(jù)庫為核心,通過PHP后臺程序與數(shù)據(jù)檢測端進行信息交互,將土壤水分傳感器檢測到的信息數(shù)據(jù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫,并將傳感器的參數(shù)設(shè)置信息發(fā)送到下位機。同時通過HTML構(gòu)建Web動態(tài)網(wǎng)頁即上位機界面,利用嵌入的PHP后臺程序完成數(shù)據(jù)信息的處理,實現(xiàn)Web網(wǎng)頁與MySQL數(shù)據(jù)庫的信息交互,完成滿足用戶需求的數(shù)據(jù)顯示工作。
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