土壤墒情远程监测系统软件设计

0 引 言

水资源在农业生产中至关重要，土壤水分含量是影响农 作物生长过程的重要物理参数 [1]。土壤墒情监测系统能够实 现对土壤墒情（土壤湿度）长时间的连续监测，通过对温度、 湿度数据的大量采集与处理，绘制出相应的曲线，有利于详 细分析土壤情况，对解决与土地相关行业出现的诸多问题有 着积极的作用 [2] 。

尽管我国各级相关土地部门在土地信息管理系统的构建 方面取得了较大进步，但是问题依然存在 [3]。例如，我国墒情 监测工作相对薄弱，土壤水分信息采集手段比较落后，系统各 方面建设的标准不统一，建设的内容不规范，取得的建设成 果千差万别，这些都不利于管理和运维墒情信息系统的工作 [4]。 本文设计了土壤墒情管理系统，用以取代传统的人工采集、处 理土壤信息方法，实现对土地情况高效、便利的检测，实行 远程实时监控，为作物的最佳灌溉时间提供参考。

1 土壤墒情监测系统结构

本文设计的土壤水分测量系统包括主站数据采集和从站 数据测量两部分，如图 1 所示。每个从站传感器包含数字温 度传感器和土壤水分传感器，分别用来采集土壤的温度和水分 信息，并将采集到的数据通过 SI4432 传输给主站采集器，由 主站通过 GPRS 统一将信息发送至远程服务器。

2 监测系统无线数据传输模块

2.1 主从站无线通信模块

主站与从站之间采用无线射频模块 SI4432 进行数据传 输。其中 SI4432 是高度集成的单芯片无线 ISM 收发器件。 EZRadioPRO 系列包括发射机、接收机和射频收发器，设计 工程师可以选择利用其中的无线部分。SI4432 的高度集成可 以降低 BOM，同时简化整体设计。极低的接收灵敏度，加上 工业界领先的 +20 dBm 输出功率，内置天线多样化和支持跳 频 [5]，保证了传输范围和穿透能力。

主站传感器具有数据采集器的功能，每个主站与多个从 站进行通信，主从站之间通过 SI4432 无线收发模块的广播通 信协议进行数据传输。主站不断广播，广播的信息结构为从 站地址及对应的配置信息，如 AY3600，其中第 1 个字节 A 表示从站编号，第 2 个字节 Y 表明是否更改测量周期，Y 表 示更改，N 表示不更改 ；数据 3 600（s）表示更改后的测量周 期。主站广播流程如图 2 所示。

从站传感器数据测量完毕后等待主站广播，收到广播本 站地址后立即反馈信息给主站，两者建立通信，接收主站发送 的配置信息并解析，之后发送测量数据给主站，直至收到主站 确认数据正确接收的信息后，结束与主站的通信，从站进入待 机模式，等待下一次唤醒测量。从站应答流程如图 3 所示。

2.2 基于 SIM900 的 GPRS无线通信

主站采集器对各从站发来的测量数据进行处理后，通 过 GPRS 无线传输将信息上传至远程服务器，同时上位机也 将参数修改信息返回到主站。本设计采用的无线传输模块为SIM900A。SIM900A 是 SIMCOM 公司研发的工 业级 双 频 GSM/GPRS 模块，工作频段为双频 900/1 800 MHz，可以低 功耗实现语音，SMS（短信，不支持彩信），数据和传真信息 的传输 [6]。GPRS 有许多优势，包括资源利用率高、传输速率 高、接入时间短、支持 IP 协议和 X.25 协议等 [7]。

主站通过 GPRS 传输到数据库的信息主要有三种，分别 是获取参数修改信息请求、土壤墒情信息、传感器地理位置 信息。为了便于区分，这三种信息请求分别有各自的标识。获 取参数修改信息请求的标识是“44”，土壤墒情信息的标识是 “33”，采集器地理位置信息的标识是“22”。通过识别这三种 信息的标识来判断其区别，进而服务器对其分别进行处理，具 体流程如图 4 所示。

3 土壤墒情信息管理模块

土壤墒情信息管理系统主要是面对用户需求的上位机操 作系统，用来满足用户多方面的需求 [8]。用 HTML 编写动态 Web 网页界面，并在 HTML 中嵌入 PHP 语言编写的后台运行 代码，操作云端 MySQL 数据库的数据信息，并借助一些组件 来完成数据的处理操作 [9]。概括来说，整个系统的设计主要 分为三个方面，即前台网页界面、后台数据信息识别与处理及 MySQL 数据库。

土壤墒情信息管理系统的初始界面应当简洁、明了，通 过超链接的方式打开该系统的数据显示以及参数修改界面， 如图 5 所示。

参数设置界面主要用于输入修改的参数，并将这些参数 通过后台代码传输到数据库并存储。参数修改界面如图6所示。

数据的显示功能实现流程如图 7 所示。

历史数据显示界面的传感器位置信息等都可以实时显示。 通过点击历史数据显示界面的“实时数据显示”，就可以运用超链接跳转到实时数据显示界面，该界面的主要样式如图 8 所示。

在历史数据显示界面中选取所需数据的传感器编号后， 能够自动实时显示所选取传感器设备检测到的最新数据信息， 并且可以以折线图的形式显示不同节点数据的变化趋势。包括 历史数据显示界面的地理位置信息，通过设置 500 ms/ 次的 扫描，确保数据的快速动态更新。为了动态地获取 PHP 后台 程序返回的数组信息，HTML 网页程序需要调用 JavaScript 中 的 $.ajax 方法。

4 结 语

本文将从站传感器与主站采集器相结合，利用无线射频 模块 SI4432 进行通信，采用信息应答方式确保两者之间信息 的正确传输。主站采集器利用 GPRS 无线通信方式将数据发 送至远程服务器，为实现远程监控带来极大便利。上位机的 墒情信息管理系统以 MySQL 数据库为核心，通过 PHP 后台 程序与数据检测端进行信息交互，将土壤水分传感器检测到 的信息数据存储到 MySQL 数据库，并将传感器的参数设置 信息发送到下位机。同时通过 HTML 构建 Web 动态网页即上 位机界面，利用嵌入的 PHP 后台程序完成数据信息的处理， 实现 Web 网页与 MySQL 数据库的信息交互，完成满足用户 需求的数据显示工作。