土壤墒情监测系统的设计与实现_刘欣伟

２０１３年第７期福建电脑支持基金：吉林省世行贷款农产品质量安全项目“基于物联网的设施蔬菜安全生产技术研究与应用”，编号：2011-Z 20１、引言我国是农业大国，在农业逐步迈入现代化生产的时期，利用计算机相关技术，对农业的生产进行预测与指导是十分必要的。

近些年来旱情的发展严重地制约了我国的经济发展，这对农业灌溉产生了巨大的影响，我们需要长期考虑的课题就是如何提高灌溉水的利用效率。

传统灌溉方式会大量的浪费水资源，并且不能针对不同地块和农作物实行不同的灌溉方案，不能使农作物达到最适宜的生长环境。

这些问题可以通过发展土壤墒情监测技术，建立墒情监测数据数据库和土壤墒情监测系统，实现土壤的适时适量灌溉，达到节约水资源，提高作物产量和提高效益的目的。

本文应用计算机技术，信息技术，人工智能，网络技术与地理信息系统等技术，建立土壤墒情监测系统，从而解决水资源配置与高效利用等常见问题。

２、土壤墒情土壤墒情是农田耕作层土壤含水率的俗称，是影响农作物生长的重要因素。

土壤墒情是不断变化的，所以需要对其进行实时监控，这样采集的信息才有利用价值。

土壤水分的变化不仅与土壤特性有关，还受降水、灌溉、蒸发、根系层下边界水分能量等因素影响，而且其动态变化也是一个复杂的系统问题[1]。

３、ＧＩＳ在土壤墒情中的应用在全国第三次农业气候区划会议上，土壤水分委员会提出了GIS 技术应用于监测土壤水分的原因。

地理信息系统在农业气候区划，主要经济作物适宜种植区划，天气和其他业务领域，提供了土壤水分研究的新工具[2]。

在布置数据采集点的同时布置GPS 装置，利用全球卫星定位采集监测点的经度和纬度，再结合GIS 软件就可以实现大面积的土壤墒情实时监测。

４、系统总体设计本系统共有四个模块组成，分别是数据采集模块，数据传输模块，人机交互模块和数据库模块。

数据采集模块利用传感器采集土壤温度、湿度等土壤墒情数据，GPS 装置采集监测点经度、纬度等数据，通过zigbee 网络实现单个监测区域内数据的相互传递。

再利用GPRS 技术，实现zigbee 网络之间与zigbee 网络和智能终端之间数据的远距离传送。

在智能终端，采用浏览器的形式结合GIS 技术，将数据以不同形式展示给用户，后台数据库则对数据进行加工、存储和数据的分析，查询与统计。

4.1土壤墒情数据采集模块：土壤墒情数据采集模块是利用土壤温湿度传感器对土壤温度和湿度等数据进行采集。

利用GPS 装置对监测点经度、纬度等地理信息数据进行采集。

监测区土壤墒情监测点设置的主要依据包括：地理位置；土壤质地类型及土壤物理特性；所属行政区划、周边地形地貌；作物种植的种类及范围；水文地质条件:地下水埋深；灌溉条件。

土壤含水量监测点布在地块中央平整的地方，避开低洼易积水的地点[3]。

监测土壤墒情效果的好坏，取决于监测点的数量。

监测点过多虽然会提高监测效果，但会使系统的投资过大。

所以合理的选取监测点数量是十分必要的。

在布设土壤墒情监测点时，每二十平方米放置一个节点，采样点之间保持一定的距离，采样点的位置一经确定，应保持其相对的稳定。

传感器可以埋入土中的不同深度，结合GIS 软件，就可以全方位立体的对土壤墒情土壤墒情监测系统的设计与实现刘欣伟，司秀丽，蒋小琴（吉林农业大学吉林长春130118）【摘要】：本文阐述了信息技术在农业方面应用的必要性，介绍了土壤墒情概念和G I S 技术，对土壤墒情监测系统进行了综合分析与设计。

本文结合了G I S 技术来构建土壤墒情监测系统，其中包括几大主要模块：土壤墒情数据采集模块，数据传输模块，人机交互模块和数据库模块。

【关键词】：土壤墒情；监测；系统设计33··２０１３年第７期福建电脑信息进行监测。

图1是无线传感器节点采集数据的流程图。

4.2数据传输模块：本文的数据传输模块采用zigbee 网络与GPRS 网络结合的数据传输方法。

克服了有线传输中布线的复杂性和对面积的限制。

Zigbee 技术是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术，其自组网、自愈和、多组网方式、三级安全模式等优点，为无线网络的建立带来方便[4]。

zigbee 的节点铺设简单，只需要每隔一段距离放一个传感器，则所有的传感器自动组网[5]。

GPRS 通信技术有覆盖域广，按量计费，接入迅速等优点，在远程突发性数据传输中具有很好的优势[6]。

可以实现zigbee 网络之间和zigbee 与智能终端之间数据的远距离传输，适用于突发性数据传输。

所以本文结合了适用于短距离组网的zigbee 技术与适合远距离数据传输的GPRS 技术，使系统性能更加优越，价格更加低廉，在现实中更容易推广。

图2为系统连接示意图。

4.3智能终端：该部分主要是根据前面的研究内容，结合GIS 技术，综合土壤温湿度，采集点的经纬度，全方位展示土壤墒情信息给用户。

系统是基于GIS ，以Win7系统运行环境为平台，以SQL sever 2005数据库和模型库为管理核心，以面向对象的C#语言为实现语言建立的。

其中包括人机交互模块和数据库模块两部分。

4.3.1人机交互模块：人机交互模块以浏览器的形式，将数据以不同形式展示给用户，结合GIS 技术使用户可以更直观的了解不同地区的土壤墒情指数，从而更容易对数据进行分析，对灌溉进行指导。

本文所建立的系统不但人机交互界面友好，而且系统具有智能性、可扩展性以及可视化等一系列特点。

首先，可以实现针对监测区内的土壤墒情监测点进行实时监测，可以及时、快速、动态地获取监测区内的土壤墒情信息，针对监测区内的土壤墒情信息对农田灌溉进行有效的监督和评价，可以提高水资源的利用率。

其次，采用GIS 技术、数字通信技术以及网络技术等先进技术，实现了监测区内的信息共享与网络发布功能。

最后，本系统的实用性强，操作简单快捷，功能可扩展性强，并且界面友好。

4.3.2数据库模块：数据库模块采用SQL Server 2005建立关系型数据库，将接收到的土壤墒情数据进行整理并且保存，以备后续查询，分析和数据的统计。

此系统还可以将数据转化为图表和地理信息图像的形式展示给用户，以便用户更加直观的了解土壤墒情的变化范围和趋势，帮助其做出灌溉决策。

另外，GIS 地理数据不同于其他数据，它并不保存在SQL 关系型数据库中，而是直接保存在专门的地理信息系统数据库中，数据内容包括矢量图、栅格图等[7]。

所以GIS 地理数据，只能通过GIS 二次开发组件进行读取、保存和修改。

对已有的多条数据利用决策树方法进行数据分析后，就可以根据土壤墒情级别给出灌溉方案。

５、结论：本文通过传感器采集土壤温湿度数据，通过GPS 采集监测点地理数据，zigbee 网络与GPRS 网络结合的方式将传感器采集的数据传输给智能终端，智能终端可以对数据进行多种形式的显示，加工处理和存储。

对土壤墒情进行实时监测不仅可以对土壤有一个合理的评价，而且可以指导农户对不同区域的土壤制定有针对性的灌溉方案，节约水资源，在实际应用中是可行的。

参考文献：［1］杨达.基于G I S 的土壤墒情监测及抗旱管理决策系统［D ］.［硕士学位论文］.吉林:吉林农业大学，2012［2］王晓蕾.基于RS 与G I S 的白沙灌区土壤墒情监测系统［D ］.［硕士学位论文］.河南:郑州大学，2011（下转第37页）图1无线传感器节点采集数据流程图图2系统连接示意图34··２０１３年第７期福建电脑［3］乔平林.区域水资源动态变化遥感定量测算方法研究［D ］.［硕士学位论文］.济南:山东大学,2004［4］胡培金,江挺,赵燕东.基于z igb ee 无线网络的土壤墒情监控系统［J ］.农业工程学报，2011，27(4)：230－234［5］沈娣丽,上官同英,孟雅俊等.z igb ee 和百度地府A PI 在农田信息采集系统中的应用［J ］.中国农机化,2012,(4):184-188［6］张磊.基于G P RS 技术的农田土壤水分检测校正系统［J ］.农机化研究,2012,(9):124-126［7］杨绍辉，杨卫中，王一鸣.土壤墒情信息采集与远程监测系统［J ］.农业机械学报,2010,41(9):173-177据流到Lan 口。

在守护进程进入主循环前，做一些登记pid 、初始化多播路由、计时器及设置Wan 口和Lan 口的多播参数的必需工作。

最后进入消息处理主循环igmpv3_accept 。

消息处理函数igmpv3_accept 的重要步骤是IGMP_HOST_MEMBERSHIP_REPRORT/IGMP _V3_HOST_MEMBERSHIP_REPORT 消息的处理：前者针对IGMPv2,将会调用函数igmp_add_group 和igmp_add_mr,分别完成群组添加和多播路由的添加。

后者特别针对IGMPv3完成类似功能。

也就是说，在这里Proxy 完成了两项重要工作：向Wan 口方向汇报了成员关系；添加了多播路由给内核使用。

此外，除了用户层的守护进程，还需要kernel 层的支持。

3.3.IGMP Snoop 的实现Snoop 作为实现IGMP 的一个新增功能：由用户态的配置与核心态的包处理和多播群组的维护构成。

配置部分包括：a)Enable 还是disable Snoop;b)增加或删除静态组播群组。

前者通过proc 文件系统来决定是否使能IGMP Snoop ；后者通过Ioctl 来设定群组到kernel 中，因为snoop 工作在核心态。

当kernel 从LAN 口收到IGMP 报文，就会解析并记录下收到报文的端口，并维护多播组与端口的映射关系。

当多播组要转发给LAN 口时，就通过Snoop 模块来按照多播组和端口的映射关系，转发给合适的LAN 口。

４实验结果与分析4.1环境搭建实验中，我们搭建了如下的简单拓扑图：PC1<---->小型多播路由器<---->DSLAM <---->PC2群组中仅有两个成员,一个作为IPTV 的服务器端,另一个作为客户端来播放网路视频流。

4.2测试步骤与实验结果4.2.1测试步骤1.在PC2上用VLC media player 在向导的帮助下运行多播服务器,播放视频。

2.在PC1上用VLC media player 作为客户端，播放网络视频流。

注意事项：上面步骤中，两者的多播地址设置必须一致,而且是D 类非保留IP,如228.1.2.3。

4.2.2测试结果在PC1上能顺利的播放PC2上播放的视频，说明多播路由成功实现。

图3是客户端JOIN 包截图５结论通过在一般路由器上添加IGMP proxy 成功地实现了组播路由器。

这对于研究和学习IGMP 协议有重要的实践意义，也为将IGMP 协议实现在其他类似设备上提供了指导方向。