农田信息处理系统

农田信息处理系统（精选12篇）

农田信息处理系统 第1篇

“传感网”是指以对物理世界感知为目的,以信息处理为主要任务,以网络为信息交互载体,实现物与物、物与人之间的信息交互,提供感知信息服务的智能综合信息系统。“传感网”由随机分布的传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点和通过自组织的方式构成的无线网络所组成。“传感网”被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。我国高度关注、重视传感网的研究。温家宝总理在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时提出:至少3件事情可以尽快去做,一是把传感网和3G中的TD技术结合起来;二是在国家重大科技专项中,加快推进传感网发展;三是尽快建立中国的传感信息中心,或者叫“感知中国”中心[1]。

本系统就是基于“传感网”背景下所提出的,依赖于传感技术和蓝牙技术的发展,为“传感网”提供随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点。此系统的实现能满足实施精准农业的要求,能快速实时地采集数据并传送数据,实现农田信息的交换和共享。

1 无线方式的选择

目前,各类网络中最具增长潜力的是无线网络,从WAN到MAN,再到LAN,PAN,这些技术已逐渐成熟。许多机构会选择采用无线局域网(WLAN)来拓展他们的现有网络,获得在机构区域内部移动接入网络的能力。10年多来,人们不断地探索如何不通过电缆,摆脱物理连接上的限制,使设备互联起来。因此出现了很多的无线传输方式,如IrDA、802.1lWi-Fi,RFID和蓝牙(Bluetooth)等。表1为蓝牙与其他无线传输的比较[2,3,4]。

由表1对比可以看出,各种无线传输技术各有特点。在诸多的无线传输方式中,当前很多传感器采用红外传输(IrDA),但红外要求收发器之间要必须对准,中间不能被其他物体阻隔,同时还要求设备位置相对固定;而其它无线传输方式如802.1lWi-Fi,RFID等虽然也具有很好的传输性能,但因其成本较高,只使用于某些高端的应用。蓝牙具有使用方便、可靠性高、成本低、功耗低、抗干扰能力强的特性,比较适用于小型、便携式无线测量和采集装置。因此,本设计采用蓝牙技术作为采集系统的传输方式。

2 系统设计及实现

2.1 系统总体结构

本设计系统总共分为4大模块:数据采集模块、MCU控制模块、无线传输模块、显示模块。数据采集模块采用的DALLAS公司生产的DS18B20温度传感器,用于采集环境温度数据,该模块使用了两个温度传感器用于采集不同农田现场的温度。MCU控制模块采用的是STC公司生产的51系列CMOS工艺的STC89C52RC低功效单片机,用于控制数据的采集、处理和发送,一个单片机作为一个节点,本设计配置了2个单片机节点。无线传输模块则采用蓝牙技术构建,利用无线蓝牙模块进行下位机与上位机的通信,这里选用的是带底座的HC-06蓝牙串口透传模块,该模块采用的CSR公司的BlueCore4-External蓝牙芯片,蓝牙串口透传模块与蓝牙适配器配合使用,2个蓝牙串口透传模块和1个蓝牙适配器(即1个主机,2个从机)一起构成了本系统的无线传输模块。显示模块分为液晶显示和PC机显示,液晶显示用于采集现场,方便工作人员在农田现场也可直接知道当前土壤温度,PC机显示则采用VB语言编写的一个人机交互界面,用于室内工作人员观测农田现场的温度,以便现场环境出现异常时可快速做出反应。系统无线通信接口是利用蓝牙技术的串口仿真功能模拟一个UART接口,用于主机(蓝牙适配器)与蓝牙模块的通信。其结构图如图1所示。

2.2 系统通信方式

系统通信方式如图2所示。系统设计了2个网络节点:蓝牙模块1,单片机节点1、温度传感器1和LCD液晶显示屏1构成网络节点1;蓝牙模块2,单片机节点2、温度传感器2和LCD液晶显示屏2构成网络节点2。

下面以其中一个网络节点来说明系统采集数据的过程:温度传感器把采集到土壤温度数据传入单片机进行处理,数据处理完后,由单片机把数据送到LCD显示屏和蓝牙模块。LCD显示屏用于农业现场显示数据,蓝牙模块则通过串口仿真功能仿真1个UART接口与蓝牙适配器(主机)进行通信,把数据传输到蓝牙适配器,然后通过PC机上的COM口把数据传到PC机上进行显示。

2.3 系统硬件电路实现

系统设计电路图如图3所示。硬件电路设计简单,由1片单片机STC89C52、1个温度传感器18B20、1个液晶显示器、1个蓝牙透传模块和单片机的一些外围电路组成。图中J1为4脚跳针,用于连接蓝牙透传模块。温度传感器也是先通过跳针引出需要连接的引脚,然后通过导线连接,这样温度传感器位置就可以灵活移动,方便测量所需位置的温度。电源则采用USB供电,USB能提供稳压5V输出。

2.4 单片机控制程序设计及实现

单片机控制程序设计方面主要利用Keil软件使用C语言对单片机进行编程,设计流程如图4所示。

2.5 上位机的设计及实现

上位机程序主要采用VB语言[5]编写一个人机交互界面。VB采用的是面向对象的设计思想,能把复杂的设计问题分解为多个能够完成独立功能且相对简单的对象集合。设计人员可根据设计要求,通过可操作实体如窗体、按钮、标签、文本框等,直接在界面上编程,并为每个对象设置属性。本设计通过VB模拟串口助手设计了一个串口通信界面,用于工作人员与下位机的交互,工作人员可在界面上发送命令,控制下位机实时发送数据,然后可直接在界面读取到相关信息。其效果图如图5所示。

3 系统测试

3.1 蓝牙模块测试

1)连线说明:

因底板上接有3.3V稳压芯片,蓝牙模块正极接入5V电源,蓝牙模块的TX脚接MAX232的T2in脚(即10脚),蓝牙模块的RX脚接MAX232的T2out脚(即9脚)。这里要注意,在应用AT指令对蓝牙进行设置时先不要与电脑建立连接,否则无法设置。测试工具:蓝牙透传模块HC-06,蓝牙适配器,串口+MAX232,USB转串口线。

2)测试内容和步骤:

(1) 测试蓝牙物理串口是否正常。

如果蓝牙模块能够响应AT指令,则说明蓝牙物理串口正常。打开用串口调试助手交互界面,发送AT,如果返回OK则说明正常。

(2) 设置蓝牙参数:

设置蓝牙波特率,本系统波特率设置为9600;设置蓝牙名称;设置蓝牙配对密码,本系统蓝牙密码设置为1234。

(3) 测试蓝牙链路至物理串口是否正常。

短接蓝牙模块的RX和TX脚,给模块上电并与蓝牙适配器配对好,第一次配对时,需要输入配对密码(1234),配对成功后,则电脑与蓝牙模块将建立连接,此时蓝牙LED灯将常亮;然后在人机交互界面上选择与蓝牙连接的端口(这里为COM8),发送任意数据,如果在界面上能收到刚才发送的数据,则说明蓝牙链路至物理串口正常。

3.2 上位机测试

1)上位机测试主要看用VB编写的界面能否正常发送和接受数据。

这里增加一个十六进制与ASCII码相互转换的功能测试描述,因为在系统在上位机显示时采用的发送模式为十六进制,接受模式为ASCII码。所采用的工具有:串口调试助手、VB编写的人机交互界面和虚拟串口工具。

2)测试内容和步骤:

(1)运行虚拟串口,选择COM1和COM2相连;

(2) 打开串口调试助手和人机交互界面,选择相应的发送模式和接收模式,测试十六进制与ASCII码能否正常转换,如发送“1”的ASCII码,则收到相应的十六进制为31。人机交互界面ASCII码发,串口助手十六进制收;串口助手ASCII码发,人机交互界面十六进制收。

3.3 整机一对二测试

根据系统设计硬件电路图,用Protel99制作PCB板,焊接好元件后,可以开始进行整机的测试。本测试为1台主机2台从机,其中1台测试整机机组号为1,另1台测试整机机组号为2。其工作原理为:对于1号测试整机,在单片机中设置机组号为1,即是在上位机发送命令“1”,单片机就会返回当前1号机所采集到的温度,如果是发送其它命名,则单片机返回错误信息提示“Wrong Device Number”;2号测试整机同之。不过这里需要注意的是当主机需要切换从机时,需要把其它从机关掉,开启需要被配对的从机,因此要想获得2号机采集到的数据,就必须先把1号机断掉,即把1号机分配到的串口号COM13关掉,然后开启2号机,即打开2号机分配到的串口号,这里为COM15。测试结果如图6和图7所示。

4 结论

本文从构建“传感网”理念出发,利用传感器采集数据,蓝牙作为传输媒介,低功耗的单片机作为数据处理单元,设计了一个农田信息的无线多点动态采集系统。该系统用蓝牙无线传输方式,把采集到的农田信息数据传输到监控台,从而改变了传统采集系统利用电缆的传输方式。而且本系统实现了蓝牙一对二的通信,可以采集到不同环境下的环境参数,这有助于研究不同农业环境对农作物的影响。因此,本系统的实现能满足实施精准农业的要求,能快速实时地采集数据并传送数据,从而帮助农业人员实现对农业现场的远程监控,并有助于探讨蓝牙技术在“传感网”领域中应用的可能性。

参考文献

[1]钱志鸿,杨帆,周求湛.蓝牙技术原理、开发与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[2]禹帆.蓝牙技术[M].北京:清华大学出版社,2002.

[3]马建仓,罗亚军,赵玉亭.蓝牙核心技术及应用[M].北京:科学出版社,2003.

[4]樊昌信.通信原理教程(2版)[M].北京:电子工业出版社,2009.

农田水利灌溉渠道系统日常维护论文 第2篇

1.1.1 渠道淤积严重、灌溉效益低。我国近些年来在水利灌溉设施方面有了很大的进展，建造了很多造福百姓的水利灌溉设施。然而由于一些水利灌溉渠道是沿着山坡开挖的，时常受到坍塌或者沉陷等问题的影响，导致水利灌溉渠道严重的淤积。

很多水利灌溉渠道都是修了很长时间的，长时间的运行，很多地方都已经老化了，再加上没有及时地对老化的地方进行维修，导致渠道的渗透量逐渐增大，灌溉效率逐渐降低，特别是后来人们的人为活动给水利灌溉渠道造成了破坏，侵占渠道建房、甚至是乱种植、乱排放等情况时常发生，这些不良的行为给水利灌溉渠道造成了不良的影响，直接压低了灌溉效益。

1.1.2 缺乏维护意识、专业水平低。虽然水利灌溉渠道系统对于农业生产有很重要的作用，农民对此也有深刻的认识，但是这种深刻的认识却没能提高农民的日常维护意识。

政府帮助农民建立了水利灌溉渠道系统之后没有意识到后期使用维护管理的重要性，同样农民只知道利用水利灌溉渠道系统进行灌溉，但是却没有加强对其维护。由于认识不足、重视不够，因此在对水利灌溉渠道系统进行维护的时候缺乏相应的设备、技术、以及专业人才的支持。

如今，基层的水利灌溉渠道系统管理人员的专业素质以及专业技术能力不高，没有专业的教育与培训，不仅如此，他们的工作积极性也有待于提高，没有先进的管理经验和思想的支持，使得维护管理模式相当落后。

1.1.3 维护管理资金支持力度不够。水利灌溉渠道系统常年使用，维护是少不了的，但是维修水利灌溉渠道系统是一项巨大的工程，它牵涉到很多问题与内容，以及众多的施工环节、步骤，成本比较高，因此需要大量资金的支持，政府在这方面担负着重要的责任，但是从资金投入来看，很多地方政府的资金投入都是很有限的，在所需维护资金中仅占一小部分，这部分资金对于维护水利灌溉渠道系统这一项浩大的工程中，犹如杯水车薪，难以实现维护的目的，无法落实维护水利灌溉渠道系统的工作，从而给农业发展埋下了隐患。

1.1.4 缺乏管护机制、管护主体缺位。在实行家庭联产责任制之前，水利灌溉渠道系统等设施都是由乡镇、村委等来管理维护的，但是在家庭联产责任制实行之后，对水利灌溉渠道系统的管理与维护逐渐缺失了管理主体，维护管理渐渐沦为一种形式，由于责任不明、产权不清导致了水利灌溉渠道系统有人建设、却没有人管理的情况，总体来说就是国家管不着、集体管不好、农民管不了的现状。

在这种情况之上，再加上没有健全的管护机制，以及缺乏管护经费、没有专业的管理人员、管理水平不高等问题，导致水利灌溉渠道系统缺乏相应的日常维护，使其逐渐老化、灌溉功能逐渐减退。

1.2 发展农业的需要

我国处于产业升级转型时期，第二产业与第三产业有了很大的发展，第一产业却有些止步不前。我国地区经济发展不平衡，东部地区经济很发达，于是出现了打工热潮，很多农民背井离乡出外打工，使农业发展缺少了必要劳动力，面对这种情况，如果水利灌溉渠道系统由于老化或者维护不妥，会给原本就比较严峻的第一产业的发展雪上加霜。

农田信息处理系统 第3篇

一、农田生态系统结构简单，稳定性差

天然生态系统演进时间长，在风、水和迁徙动物的帮助下，生物种类繁多，各种生物在相互竞争中，形成了复杂的生态群落，在一个生态群落里即便某种生物处于绝对优势，但是，其他生物特别是伴生生物也会“枝繁叶茂”。在这种复杂的生态系统中，生物之间既有竞争关系，也有互助关系，生态系统能够自我平衡，因此，生态系统较为稳定。

农田生态系统不是自发形成的，而是人类主动构建的，目的是生产满足人类生存需要的粮食，虽然也有其他伴生生物，也形成了一定规模的生态系统，但是农田生态系统物种相对单一，特别是在肥力有限的情况下，人类为了提高产量，经常清除一些“杂物”，所以，农田生态系统不完善，伴生生物很难生长，而且伴生生物规模非常小，生物间相生相克作用无法发挥，生态系统难以平衡，生态系统稳定性差，需要人类经常性地干预。

二、农田生态系统对人类依赖性强

天然生态系统是自发形成的，生物在生长初期就面临激烈的自由竞争，在竞争中物种相互选择，相生相克，最后形成一定规模的生态群落，生物种类和数量都维持在一种相对稳定的状态，形成动态平衡。如果没有外界强烈的干预，这种生态系统会循环反复，永续发展。

农田生态系统是人类有意识地建立的，人的主观意识起决定性作用，系统中的主要物种是人主动选择的，其他物种能否生存，取决于人的认识和兴趣爱好。这种情况下，生物之间不能自由竞争，无法自主选择生存伴侣，难以形成共生共长的生态群落。这种生态系统中，物种的抗逆性差，对人类的依赖性强，离开人类，农田生态系统就可能毁灭。

三、农田生态系统主要产品移出系统，物质无法循环

天然生态系统除能量和信息外，在物质上是闭环的，物质从无机界进入有机界，通过食物链传递，最后经微生物分解又回到无机界，除极少数物质通过风、水和动物迁徙等带出系统外，绝大部分物质永远在本系统内循环，不会流出系统。通过这种循环，生物得以生存和繁衍，无机环境得到更新并变得越来越适合生物生存的需要。

农田生态系统则完全不同，它在能量、信息和物质上都是开环的，其主要产品移出系统，供人类食用，所以在物质上无法循环。如果物质长期移出系统，而没有相应物质补偿的话，无机环境将得不到恢复和更新，必然会影响生态系统的平衡，农产品质量就会下降。所以，农田生态系统的物质需要外界补偿或归还。

四、农田生态系统生产力高于天然生态系统

天然生态系统受制于自然条件，生态系统生产力低于农田生态系统。在天然生态系统中，光、热、营养等均受自然条件制约，特别是营养物质受地理环境的制约非常明显。以植物为例：植物在生长发育过程中,一般都需要吸收碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫等9种营养元素和铁、氯、硼、锰、铜、锌、钼等7种微量营养元素。〔1〕其中需要从土壤中吸取量最大的为氮、磷、钾。而一般土壤中氮、磷、钾的含量远不够供应,必须通过施肥来补充,故通常称氮、磷、钾为肥料“三要素”。

农田生态系统主要受人工控制，人类在耕作过程中不断从系统外部补充氮、磷、钾等元素，土壤肥力不断改进、增强，而且人类还可以改变光和热对农作物的影响，所以，农田生态系统生产力远远高于天然生态系统。当然，这种生产力需要人类的帮助，这种生产力实际上是人类的社会生产力，这也是农田生态系统与天然生态系统的重要区别。

五、农田生态系统食物网结构简单，食物链顶端在系统外部

天然生态系统中生物之间实际的取食和被取食关系非常复杂，如：食虫鸟不仅捕食瓢虫，还捕食蝶蛾等多种无脊椎动物，而且食虫鸟本身也不仅被鹰隼捕食，而且也是猫头鹰的捕食对象，甚至鸟卵也常常成为鼠类或其他动物的食物。而农田生态系统食物网相对简单，除了蛇、鼠、青蛙、虫等少量动物外，其他动物很难在其中生存。主要产品——粮食被人类移出系统，所以，农田生态系统留给自然的食物非常少，这也制约了其他生物的生长，所以，食物网的结构相对简单。

同时，在天然生态系统中，食物链非常完整，生产者、消费者和分解者都完整地存在系统中。虽然，能量在食物链的传递中逐级递减，但是，食物链的顶端（大型肉食动物）仍然在系统内部。而农田生态系统的食物链是不完整的，生产者在系统内部，而主要消费者——人类却在系统外部，人类也是农田生态系统食物链的顶端，这个顶端不在生态系统内部，而是在系统外部。

六、农田生态系统群落演替时间短，甚至断裂

天然生态系统群落演替是从裸地开始，经过一系列中间阶段，最后形成生物群落与环境相适应的动态平衡的稳定状态，这一阶段的生物群落叫做顶极群落，〔2〕这一阶段的生态系统属于顶极稳定状态生态系统。这种自然群落演替具有时间长，稳定性好的特点，处于顶级状态的生态系统非常稳定，可以持续几十年、上百年乃至上千年。

农田生态系统群落演替时间非常短，一般半年就是一个周期，这种情况下生态系统要素变化快，系统不够稳定。如果采取轮作的耕种方式，群落演替就会发生断裂，群落演替断裂有利也有弊。有利的方面是土地可以得到休整，病虫害得到遏制；不利的方面是生态群落演替断裂，不利于农产品品质的提高，不利于农田生态系统的稳定。

参考文献：

[1]陈继侠，任艳华. 植物缺氮、磷、钾元素症状及防治技术[J].中国农村小康科技, 2008(9)：51-52.

乡镇农田耕地信息库建立与应用研究 第4篇

1 目标和主要研究开发内容

1.1 目标

综合利用计算机网络技术、地理信息技术、数据库技术等, 建成信息采集、存储、处理、分析、动态更新和发布为一体的农田耕地信息库;进行土壤特性、作物种苗、作物产量、病虫草害发生发展趋势等可视化空间分布研究;探讨农田时空差异性与农业生产管理的关系, 研究合理诊断调控方案, 以实现精细化管理。提供扶绥县中东镇、昌平乡、龙头乡基于GIS的耕地信息库, 支持广西农业专家系统决策。

1.2 主要研究开发内容

通过对中东镇、昌平乡、龙头乡耕地属性数据库建设, 开展土壤理化性质的研究分析, 获取对应田块的地理信息, 数据包括耕地类型、地块面积、不同作物及产量水平、土壤类型、土壤质地、土壤养分、温度、日照、降雨、辐射强度、相对湿度等, 为“基于GIS的信息数据库”集成和整合提供基础数据。

2 建立信息数据库方法

2.1 开展课题工作培训

2005年1月课题实施后, 扶绥县科技局就召集中东、昌平、龙头乡 (镇) 的技术人员, 进行课题工作培训, 使他们掌握数据收集、填写、归档和勾图的方法。由乡 (镇) 再举行相应的培训, 培训到村屯干部。

2.2 数据收集

制作复印课题所需要的“扶绥县农田耕地信息数据库调查表”。复印3个乡镇1∶10000地图。根据3个乡镇具体农户及耕地面积数据, 及时制作复印了课题地理信息调查表发给有关乡镇。全县共复印下发课题地理信息调查表6000多份。同时复印了“扶绥县中东、昌平、龙头乡 (镇) 土地利用总体规划图”共11张。在技术人员和工作人员的共同努力及密切配合下, 完成了数据的收集、填写、勾图和归档工作。

2.3 采集土壤样本化验

结合扶绥县实施“扶绥县0.67万hm2甘蔗智能化农业信息技术应用项目”的“土壤诊断施肥建议汇总表”上的数据, 3个乡镇的土壤样本923个, 其中中东镇372个, 昌平乡283个, 龙头乡268个。采取补漏、补全, 加大采集量的办法, 3个乡镇共采集土壤样本314个进行化验。同时结合农业部, 财政部实施的“测土配方施肥”项目中土壤调查表的数据, 3个乡镇共测土样本1126个, 其中中东镇405个, 昌平乡374个, 龙头乡347个。新旧土壤样本共2363个。利用原有的样本数据与新化验的样本数据整理成表格资料。

2.4 图表数据录入电脑, 集成信息平台

把中东镇、昌平乡, 龙头乡的有关农户、耕地面积、农作物产量水平、土壤类型、质地养分等数据录入电脑。综合利用计算机网络技术, 地理信息技术、数据化技术等, 建成了农田耕地信息库。与电脑农业专家系统数据集成整合为一个信息平台。以电子地图在计算机多媒体下显示了解农田时空差异性与农业生产的关系, 建立诊断调控方案, 实现农业生产精细化管理。

3 课题研究取得的科技成果

建成了中东镇、昌平乡、龙头乡基于GIS的农田耕地信息库, 信息库以电子地图的形式在计算机多媒体技术支撑下显示。在电子地图上可查找某一户某一地块坐落的乡 (镇) 、村屯所处垌 (片) , 并由此可查到农田户主、耕地类型、面积大小、土壤质地、土壤养分及其中的p H值、有机质、速效磷、速效钾、全氮、缓效钾等含量及相关数据。

农田耕地信息数据库中的数据全部采用“农田承包责任制到户的耕地、开荒地承包合同书”上的数据。所有乡镇均为1995年的第2次土地承包制的数字, 合同书上的土地类型、面积大小、所处方位, 均有村公所、乡镇管辖机关签字盖章以合同形式明确, 其内容真实可靠, 数字准确。

4 应用成果, 效益显著

4.1 经济效益

通过实施“基于GIS的农田耕地信息库建立与应用研究”, 完成了“扶绥县中东镇等3个乡 (镇) 农田耕地信息库建立与应用研究”内容, 建立了3个乡 (镇) 耕地属性数据库。充分利用“基于GIS的农田耕地信息库”的科技成果, 指导农业精细化管理, 实行统一规划、规模开发、集约化经营, 利用, 搞好产业空间布局, 提高经济效益, 增加农民收入。扶绥县结合广西电脑农业专家系统, 以GIS的耕地信息支持农业专家系统决策, 在甘蔗生产上取得了显著的经济效益。2007年中东、昌平、龙头乡 (镇) 实施耕地信息库农业决策, 甘蔗面积9173 hm2, 占3个乡 (镇) 甘蔗种植面积65%。经验收, 应用耕地信息库农业决策的甘蔗增产1.12 t/667 m2, 3个乡 (镇) 全年共增产甘蔗15.4万t, 新增产值4004万元。

4.2 为科技兴农提供平台

扶绥县农民群众科技意识得到了进一步提高, 加速传统农业向现代化农业转变。扶绥县实施“科技兴农”战略, 宣传农田耕地信息库建立与应用成果, 为进一步实施应用耕地信息库与相关的“电脑农业专家系统”技术, 打下了良好的基础。促进了农民群众学科学用科学的自觉性, 提高了农民群众的科技素质和技术水平。

5 结语

农田耕地信息库建立与应用研究, 充分发挥计算机网络技术、地理信息技术、数据库技术等, 把它们有机地结合起来, 建成了农业信息处理、分析、发布平台。对农作物的种植、施肥、病虫、草害发生发展趋势等可视化空间分布研究, 探讨农田时空差异性与农业生产的关系, 实现精细化管理, 并支持广西农业专家系统决策。研究成果切实可行, 应用于农业生产取得了显著的经济效益和社会效益。但该研究项目, 在电子地图标示各个农业生产要素方面还需要不断完善。

摘要：基于GIS的农田耕地信息库建立, 获取信息数据, 应用信息数据, 指导农业生产, 实行农业精细化管理。

关键词：信息库建立,信息数据应用,精细化管理

参考文献

[1]江惠生.在改革发展中关于妥善处理农用地问题加快农业现代化进程的探讨研究[J].广东农业科学, 2009 (1) :5-8, 18.

农田信息处理系统 第5篇

1系统整体方案

系统主要研究微控制器、GPRS通信网络和数据中心三部分组成。传感器采集到数据经过A/D转换以及相关处理后发送到STM32微控制器，STM32通过串口将数据发送到GPRSSIM900A模块，GPRS无线数据传输系统与数据中心之间一般可通过HTTP协议建立数据连接。将数据经GPRS空中接口接入无线网络，并由移动通信连接到网络，通过网关到达远程数据中心，数据中心接受数据将其分类整理储存等。

2STM32芯片特性

意法半导体推出的STM32系列32位微控制器基于ARMCortex-M3内核，包括提升性能的同时又提高了代码密度的Thumb-2指令集、大幅度提高的中断响应，而且所有新功能都具有非常低的功耗水平。Cortex-M3处理器在高性能内核基础上，集成了多种系统外设，可以满足不同应用对成本和性能的要求。处理器是全部可综合、高度可定制的（包括物理中断、系统调试等）。处理器内核是ARMv7-M架构的。Cortex-M3内核是建立在一个高性能哈佛结构的三级流水线基础上的，可满足事件驱动的应用需求。STM32的优势是低功耗、高性能，程序在不同核之间的兼容性很好。基于Cortex-M3内核的STM32芯片比其他ARM系列芯片运行速度更快，性能也得到很大提高[2]。

2.1STM32最小系统

2.1.1电源控制电路

基于主控制器STM32F103RCT6的最小系统硬件电路包括电源电路、复位电路、晶振电路接口电路等。STM32处理器工作电压为2.0~3.6V，常用3.3V。通过内置的电压调节器为内核、内存和片上外设提供所需的1.8V电源。为了提高转换的精度，ADC使用一个独立的电源供电，过滤和屏蔽一些外部干扰。ADC的电源引脚为VDDA，独立的电源地VSSA当主电源VDD掉电后，可通过VBAT脚为实时时钟和备份寄存器提供电源，切换VBAT供电由复位模块中的掉电复位功能控制。

3STM32与SIM900A通讯链接方式

MAX232是TTL—RS232电平转换的典型芯片，按照芯片的推荐电路，取振荡电容为uF的时候，若输入为5V，输出可以达到-14V左右，输入为0V，输出可以达到14V，在扇出电流为20mA的时候，处处电压可以稳定在12V和-12V。因此，在功耗不是很大的情况下，可以将MAX232的输出信号经稳压块后作电源使用。RS232串口通信分配连接在USART2上，由PA2和PA3连接MAX3232电平转换芯片，以DB9针形座输出MAXA3232串口电路图2所示。

3.1SIM900A模块

SIM900A是ALIENTEK推出的一款高性能工业级GSM/GPRS模块。SIM900A模块板载是工业级GSM/GPRS模块：SIM900A，工作频段双频：900/1800Mhz，SIM900A模块支持RS232串口，并带硬件流控制，支持5~24V的超宽工作范围，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输[3]。GPRS模块采用内置HTTP协议的SIM900A作为数据传输工具，从而保证数据传输实时性和可靠性，而且非常经济实用。SIM900A模块的功能特性如表1所示。

3.2GPRS技术的优势

在GSM网络中，GPRS首先引入了分组交换的传输模式，使得原有的采用电路交换模式的GSM传输数据发生了根本变换，这在一定程度上解决了无限资源稀缺的问题。用户只有充分利用这些空隙，才能充分利用无线资源，从而提高信道利用率[4]。传输速率高，GPRS可提供高达115Kbits-1的数据传输速率。这意味着通过便携式电脑GPRS用户将可以获得和ISDN用户一样的快速上网浏览，使快速网络服务可以随时随地。接入时间短，分组交换接入时间小于1秒，能提供快速即时的连接。可以大幅度提高一些事物的效率，并使现有的Internet操作更加方便、快捷、流畅。GPRS支持Internet上应用最广泛的IP协议和X.25协议。支持X.25协议可使已经存在的X.25应用能够在GSM网络上继续使用。而且由于GSM网络覆盖面广，所以使得GPRS能够提供Internet和其他分组网络的全球性无线接入[6]。

3.3GPRSHTTP服务实现步骤

在本系统中，利用STM32串口2发送AT指令对SIM900A无线数据传输模块的工作状态进行控制。首先通过串口2与SIM900A串口相连接。启动STM32的GPRS通信工作状态，串口波特率-9600，相应的AT命令控制GSM模块工作，详见下图5串口子程序流程图。AT+SAPBR=3，1“，Contype”“，GPRS”；//配置承载AT+SAPBR=3，1，“APN”，“CMNET”；//配置GPRS参数AT+SAPBR=1，1；//打开承载AT+SAPBR=2，1；//请求承载AT+HTTPINIT；//初始化HTTP协议AT+HTTPPARA=“CID”，1；//测试HTTP设置值AT+HTTPPARA=“URL”，“ninsword.sinaapp.com/get.php?data=%d%d.%d”//域名访问，提交数据AT+HTTPACTION=0；//HTTP激活方式：GET，上传数据由图3可见，该SIM900A系统实现了GPRSHTTP服务功能。我们通过该SIM900A系统向云服务器提交了传感器采集的机车工作状态的实时数据。

3.4系统通信方式与优势

机车远程数据传输系统通过GPRS无线数据模块发送到云服务器处理存储。服务器具有固定的IP，所以终端查询客户端可以在任何一台或多台计算机进行数据访问。服务器提供面向连接、可靠数据传输服务，能够实现发送应答机制，数据无差错、无重复的发送，且按发送顺序接收，数据传输系统本身就是可靠链路传输，提供一个实时的双向的传输通道，能很好的满足传输的要求。该方案使用范围广，费用低廉，稳定性强等优点来满足数据的传输[5]。

4系统方案实现

4.1数据中心的设计

数据中心的设计主要包括网络通信的实现，数据的接受与发送和数据库的管理及对传输终端的控制。在硬件启动之后，经过系统调度，主要包括：初始化、参数配置、建立连接、数据传输、断开连接五个组成部分。如图4所示，应用程序流程图。其中对通信配置主要步骤概括如下：（1）将GPRS模块的串口线与RAM的串口相连。（2）在调制解调器属性中输入AT命令，控制GPRS模块，完成系统的启动，获得GPRS内部固定的IP地址。（3）在计算机系统的调制解调器上重新建立一个新的拨号连接，并将之设为断线重拨模式。（4）成功登录GPRS网络之后，采用HTTP协议传输数据，进一步降低编程工作量并同时提高系统的稳定性。

4.2终端界面

设计的终端经过机车开始工作后，通过传感器采集到的数据监测机车田间的工作状态、温度、油耗等，在数据中心的界面进行监测[6-7]。如图5所示对温度测试。GSM模块定时发送采集到的数据，将作业状态、作业速度、地理位置信息实时上传给数据中心。机车工作中匀速行驶，远程数据采集以定时采集的模式向远程监测中心上传数据，时间间隔设定值最小为20s，最大达到24小时。这样作业时间间隔与实时间隔一致，使系统数据传输稳定性好，实时性强。机车作业过程中，远程数据中心通过读取数据采集器发送的地理位置信息，实时对机车进行作业轨迹的动态跟随（如图6所示）。

5结论

农田信息处理系统 第6篇

关键词：土壤墒情；远程监测；无线通信；自动控制；精准灌溉

中图分类号： TP274+.4；S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0428-03

收稿日期：2013-03-05

基金资助：国家自然科学基金（编号：61170243）。

作者简介：张歌凌（1975—），女，河南开封人，硕士，讲师，主要研究方向为计算机应用与人工智能。E-mail：xuhaiup@126.com。适宜的水分是农作物正常生长不可缺少的因素，干旱或者洪涝都会影响作物的产量。我国水资源非常缺乏，如何在保证增产增收的前提下，合理利用水资源进行农业灌溉是建设农业现代化的基本要求[1-3]。不同作物对水分的需求有明显差别，作物在不同生长阶段对水分的需求也不一样，有些地区的农业管理者会不定期到农田测量土壤墒情，用于指导农业灌溉，但是这种方法存在工作效率低、实时性差、准确度低的问题[4]。为了掌握农田土壤墒情的连续变化规律，笔者设计了分布式农田土壤墒情集中监测管理系统，通过水分传感器对各地的农田土壤墒情数据进行采集、处理，并通过GPRS网络将土壤墒情数据上传到监测中心，根据作物的生长发育规律，指导农田管理者进行精准灌溉，大大提高了作物产量，现将分布式农田土壤墒情集中监测管理系统介绍如下。

1系统总体设计

土壤墒情评价指标以土壤含水量占田间持水量比值的比重来表示[5]。为了获得农田的土壤墒情信息，要综合考虑该地区的土壤特性、作物分布、地势等因素，选择有代表性的采样点。这些采样点一般数量多、分布广，很难通过铺设线路方式进行数据通信，考虑到数据传输量不是很大，为此，采用覆盖广泛的GPRS网络实现系统数据的交互。分布式农田土壤墒情集中监测管理系统主要由土壤墒情监测点、农田土壤墒情监测站、集中监测中心、通信网络等组成。系统整体结构如图1所示。系统中农田土壤监测站与集中监测中心采用C/S架构设计。由于单点监测容易出现随机性，影响测量的准确度，为提高系统的监测精度，在每个监测站周围50 m处均匀设置4个监测点，每次上传的数据均来自这4个监测点，采用剔除均值法对这4个数据进行处理，大大提高了系统的测量精度。考虑到监测点节能、数据量不大等因素，农田土壤监测站与土壤墒情监测点之间采用ZigBee无线网络进行数据通信，每个监测点只需要1节干电池就能工作半年以上，保证系统能够长时间运行。

根据系统设定，农田土壤墒情监测站定时向监测点发送测量指令，并接收监测点返回的土壤墒情数据，剔除均值后，将监测站ID、采集时间、土壤墒情等数据按照规定的通信协议打包，再通过GPRS网络与集中监测中心建立的TCP/IP网络连接上传。集中监测中心可设置为自动获取数据，还可按设定的时间间隔设定采样频率，实现连续或者动态监测土壤墒情数据。由于GPRS网络是基于IP地址的数据分组通信网络，集中监测中心主机需要配置固定公网的IP地址，各农田土壤监测站使用中国移动通信公司的SIM卡。在监测中心利用管理软件对信息进行统计处理，当土壤水分过高或者过低时，系统通过控制GPRS模块向指定的农田管理者发送实时的农田土壤墒情预警短消息；系统还可产生各种报表输出，并将数据进行图形化显示，实现了农田土壤墒情数据的可视化管理[6]。

2监测站硬件平台及工作原理

系统的农田土壤墒情监测站、监测点共用同一个硬件平台设计，都采用MSP430F149作为控制器核心，只是在扩展接口上添加相应的功能模块，并编写程序。

2.1农田土壤墒情监测站设计

农田土壤墒情监测站硬件平台采用控制器MSP430F149作为监测站的核心，主要由ZigBee收发器CC2530、土壤水分传感器FDS100、GPRS通信模块SIM300C、太阳能电池板、蓄电池、电源管理等单元组成（图2）。由于农田电网不是很健全，为给系统提供持续稳定的电能，采用太阳能发电方式为系统供电。白天通过太阳能电池板接收光照，并转化为电能储存在蓄电池内，夜间系统利用蓄电池供电，保证了系统持续供电，即使遇到阴雨天，蓄电池的容量也可以维持整个系统运行1～2周[7]。

2.1.1控制器MSP430F149控制器MSP430F149主要负责处理、运算、协调各模块之间的工作，通过串口与ZigBee无线通信模块CC2530连接，直接访问内部寄存器、存储器，实现点对点或者点对多点的快速组网。控制器MSP430F149的串口与GPRS通信模块SIM300C连接进行数据通信，实现网络配置、数据收发。

2.1.2ZigBee收发器CC2530组建ZigBee网络的通信模块选取了适应2.4 GHz IEEE802.15.4的RF收发器CC2530芯片，它具有優良代码预取功能的低功耗8051微控制器内核，并提供了与MUC之间通信的接口，可以方便地发出命令、配置参数、读取设备状态、收发数据[8]。4种供电模式之间可以自由切换，且转换时间较短，进一步确保了低功耗的工作状态，是一整套完整的片上系统解决方案。每个ZigBee节点都有唯一的ID，通过8位拨码开关实现设置。

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2.1.3GPRS通信模块SIM300C系统中的GPRS模块采用的是新一代GSM/GPRS模块SIM300C，能工作在EGSM900、DCS1800、PCS1900 3个频段；提供GSM 语音、短消息、GPRS上网等业务；内置集成了完整的TCP/IP协议栈[9]；提供端到端的广域无线IP连接，工作时的最大下行传输速度为 85.6 kb/s，最大上行速度为42.8 kb/s。监测站将数据打包处理后，通过串口以字符串的形式发到GPRS模块SIM300C上，模块SIM300C与附件的GPRS基站通信，移动基站的SGSN再与网关支持接点GGSN进行通信；GGSN对分組数据进行相应的处理后，再进行TCP/IP协议转换将数据打包，再由SIM300C模块以GPRS数据包的形式将数据发送到移动的CMNET，最后通过GPRS的服务接点GSN将数据发送到 Internet 上，根据监测站对目标地址的设置，寻找Internet上监测中心服务器主机上的IP地址、端口号[10]。

2.2土壤墒情监测点

土壤墒情监测点主要由控制器MSP430F149、3组土壤水分传感器FDS100、ZigBee收发器CC2530、干电池组、电源管理单元等部分组成。监测点硬件平台组成如图3所示。

系统采用土壤水分传感器FDS100，探针长度为6 cm，密封性强，具有防水防潮能力；供电电压为5～12 V直流电，工作电流25 mA，土壤含水量为0～100%，输出信号为 0～1.5 V 直流电。FDS100土壤水分传感器输出信号与土壤水分含量具有良好的线性关系，不要重新标定。监测点采用间隔供电，只在采集时才对传感器供电，避免出现常供电导致的土壤理化性质变异情况，导致测量结果误差增大。3组土壤水分传感器FDS100分别测土壤深度为10、20、40 cm的田间持水量，输出电压信号与控制器MSP430F149的ADC口相连，再求3个传感器测得的均值，最后通过无线模块CC2530建立的ZigBee网络连同节点ID发送到监测站。

3土壤墒情集中监测中心

土壤墒情集中监测中心的管理软件应用程序采用 VC++ 6.0环境开发编写而成，运行在监测中心的服务器上，主要负责处理各监测站上传的土壤墒情数据，再进行数据处理、归类分析。管理软件具有网络通信、数据处理与显示、分析预测、自动报警、报表统计、数据存储等功能[11]。管理软件结构与功能框图如图4所示。

管理软件通过调用Socket函数与分布在各地的监测站建立TCP/IP网络连接，接收各监测站定时发送的土壤墒情数据，对这些数据进行处理，并将结果实时显示在屏幕上，也可通过调用Teechart控件实时绘制某区域的墒情-时间曲线图，同时将数据存储在ACCESS2003数据库中[12]。对历史数据进行统计分析，还可以建立墒情变化趋势模型，并预测未来一段时间内土壤墒情的变化情况，指导农业管理者提前进行精准灌溉；一旦发现某区域出现不利于作物生长的旱情，监控中心的显示器会发出报警信号，并通过AT指令控制监测模块SIM300C向预存管理者的手机号码及时发送短消息，提醒管理者进行补水灌溉作业。

4结果与分析

为了验证系统的工作性能，笔者对华北某地区的冬小麦生长过程进行了土壤墒情监测，冬小麦的生长时期主要分出苗期、幼苗期、返青期、拔节期、灌浆期5个阶段。系统设置了8个土壤墒情监测站，每个监测站有4个监测点，每个监测点有3个土壤水分传感器，测定土壤深度分别为10、20、40 cm的田间持水量，再取这3个传感器的均值，即可得到该监测站的农田持水量，测量结果如表1所示。

从表1可以看出，8个监测站测得冬小麦5个生长期内的土壤持水量都在冬小麦适宜生长范围。4号监测点属于沙土，保持水分的能力稍微差一些，但是通过合理灌溉，也能够使其保持在冬小麦各生长期的适宜生长范围内。拔节期到抽穗期以及抽穗期到成熟期2个时期小麦耗水量最高，各占小麦全生育期总耗水量的35%、40%左右，通过农田土壤墒情集中监测管理系统可以准确测量各区域土壤的墒情。

5结论

本研究针对目前传统农田土壤墒情监测手段较为繁杂的问题，借助GPRS网络，提出了基于GPRS无线通信方式的分布式农田土壤墒情集中监测方案，引入了多点、多土壤深度的测量方法，大大提高了测量精度。监测中心的服务器端软件结构设计合理、功能强大，能实现数据的实时显示、分析预测、自动报警、报表统计等功能。系统工作稳定、测量精度高，可实现对土壤墒情的集中实时监测，降低了农田管理者的劳动强度，有效指导农田灌溉水量调配，为建设智能化、现代化农业奠定了基础。

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农田水利工程滴灌系统设计探析 第7篇

1 滴灌技术的原理及特点

滴灌技术为一种先进、低压节水的新型灌溉技术, 其是将存在一定压力的水通过过滤后通过管网、出水管道进行输送, 将水输送至灌溉带进行以水滴的形式来实现缓慢且均匀的滴灌[2]。滴灌技术的应用需要有配套的机械化系统, 一般情况是使用小口径管管道来配合滴头, 将水、化肥等进行滴灌。为了降低水分蒸发, 还需使用自动化系统对滴灌技术进行控制。滴灌技术在应用过程中的优点主要表现如下。首先, 节水效果好。滴灌技术的应用可大大提高水的利用率, 且可有效降低水分蒸发。其次, 农药施用量少, 提高作物品质。滴灌技术可同时将水和肥料滴灌至农作物根本附近的土壤, 保证农作物得到充足的水分和养分, 且可对区域内的温度进行有效控制, 降低病虫害发生频率, 降低农药使用量, 进而促进农作物的品质得到提高。最后, 适应能力强。滴灌技术适用于任何地形和土壤, 适应能力极强。

2 滴灌系统的具体设计

进行滴灌系统设计时, 首先需要对当地地形、地质进行全面、详细的勘察, 全面了解并掌握当地的气候特点及水资源条件, 然后应用科学的计算方法进行相关计算, 进而实施滴灌系统设计。

2.1滴灌带铺设方式和管道的具体布置

滴灌带铺设及管道布置方式应以工程所处土壤条件作为根据进行合理选择。例如, 在沙漠平原地区可选择应用低压、小流量的高效节水模式。管道布置方式需根据具体灌溉农作物进行选择。不同农作物在灌溉过程中对管道布设存在不同的要求。在对管道布置进行设计时, 应最大限度的缩短路线, 滴灌带铺设方向应与农作物的生长方向保持良好一致性[3]。此外, 在对管道布置进行设计时, 还应对各用水单元的实际需要进行充分考虑, 尽量使管道的管理具有便捷性, 为组织轮灌的实施提供便利。同时, 管道布置设计还应对其经济合理性和运行过程中的可靠性和实效性进行充分考虑。

2.2 滴灌及工作制度设计

2.3 相关计算设计

2.3.1 毛管水头损失

毛管水头损失计算公式为:

其中, f为摩阻系数, m为流量指数, b为管径指数, k为水头损失扩大系数, Se为毛管上分流孔间距, qd为灌水器的设计流量, d毛为确定毛管内径, N为确定毛管孔数, S0为毛管首孔至支管的距离。

2.3.2 毛管的进口工作压力

毛管的进口工作压力计算公式为:

其中, hd为额定工作水头, k为水头损失扩大系数, f为摩阻系数, m为流量指数, Se为毛管上分流孔间距, qd为灌水器的设计流量, d为毛管内径, N为确定毛管孔数, S0为毛管首孔至支管距离。

2.3.3 支管水力计算

支管水力计算的计算公式为:

其中, k为水头损失扩大系数, k=1+hj/hf=1.2, SL为毛管布设间距, qd为灌水器的设计流量, Δh2为支管允许水头偏差, N1为一条支管控制毛管对数, S0为首孔至支管距离。

2.4 水泵选择及首部枢纽设计

在选用水泵时, 应以水力计算作为根据进行合理选择。水泵的设计流量、设计扬程、选取潜水泵型号等均需根据具体水力计算结果而定。为了避免水锤发生, 在运行水泵的过程中应向将出水口打开, 然后在将水泵打开。实施关闭操作时, 应先将水泵关闭, 然后再将出水口关闭。系统的开启和关闭均需要缓慢进行, 避免水锤发生。

在系统首部设计主要包含过滤器、施肥罐、控制量测设施与保护装置3个部分。过滤器按照在干管上, 并同时按照配套相应管件。以系统的设计流量作为根据, 严格参照微灌常用施肥设施技术参数表进行施肥罐的配备装置。当在过滤器前设置有水表时, 应在首部枢纽进管网位置设置逆止阀, 其规格应和过滤器的进出口直径保持一致。在过滤器进出口位置设置有压力表时, 首部枢纽应在连接管合田间管网的最高位置设置有排气阀。

2.5 系统投资估算及经济效益评价

进行农田水利工程滴灌系统设计过程中还需对系统的投资及经济效益进行估算和评价。全面考虑工程实际施工的便捷性和对农作物产生的影响, 高度重视滴灌管线布置及敷设的合理性。同时, 还要对工程造价进行充分考虑, 最大限度地选择使用经济型滴灌系统设计方案。

3 结语

现阶段, 我国农田水利中滴灌技术的应用范围在不断扩大。该种技术的应用存在诸多优点, 但是技术的应用还有需不断完善。在实施系统设计的过程中积极借鉴相关成功设计方案, 从具体工程特点及实际情况出发, 选择应用具有科学性、合理性的经济型滴灌系统设计方案, 促进滴灌技术的应用价值得到充分体现。

参考文献

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农田灌区地下水位自动监测系统设计 第8篇

农业灌溉用水在水资源利用中占据了相当大的比例,尤其在我国北方地区,大部分都靠地下水对农田进行灌溉[1]。由于某些灌区对地下水的大规模开采,引发了一系列生态环境问题,如地面沉降、水质污染、咸水入侵、天然植被衰退等生态环境恶化现象[2,3]。为了合理调度和优化开发地下水资源,保障灌区农业生产的可持续发展和生态环境的改善,非常有必要对灌区的地下水位进行动态监测[4]。为此,采用GPRS无线通信技术,设计了农田灌区地下水位自动监测系统,利用水位传感器采集灌区内样本机井内的水位高度,通过VPN网络发送到数据监测中心,将水位高度信息实时显示出来。经过分析处理,建立地下水位动态变化规律,为合理管理灌区地下水的开采提供数据支持,控制水位在最佳范围;在灌区供需水量平衡分析的基础上,使生态、社会和经济效益最大化,实现灌区农业的高效用水。

1 工作原理与系统结构

1.1 工作原理

灌区机井周围土壤中的水通过渗透流入井内,井内的水位与地下水位始终保持平衡的状态,故监测该区域的地下水位高度完全可以借助现有的机井[5]。机井水位测量示意图,如图1所示。

方案采用水位传感器测量水压,通过压力与高度的换算获取传感器与水位面的距离h,由于从地面到传感器的距离H(H=h+h')是已知的,就可以得到水位面距离地平面的距离h'。传感器投入被测液体某一深度时,传感器迎液面受到的压力公式为

其中,P为传感器迎液面所受压力;ρ为水的密度;g为重力加速度;P0为液面上的标准大气压;h为传感器投入水里的深度。

1.2 系统结构

农田灌区地下水位自动监测系统主要由多个灌溉机井水位监测终端、数据监测中心和传输网络3部分组成,系统总体结构如图2所示。灌溉机井水位监测终端与数据监测中心采用C/S架构设计,传输网络采用GPRS-VPN专网通信方式,并为使用的每张SIM卡绑定一个内部的IP地址,使数据在专网上传输,而不进入Internet网络,保障了数据传输的安全性。

灌溉机井水位监测终端按照一定的规则部署在灌区机井的样本里,负责获取井内水位的高度,并通过GPRS模块接入VPN网络,建立与监测中心服务器的TCP/IP网络连接,将采集到的水位信息和终端的ID打包上传到数据监测中心;监测中心上运行着专业设计的管理软件,负责收集来自各灌溉机井水位监测终端的水位高度信息,并实时直观集中地显示在显示器上,同时将数据存入数据库ACCESS2003中以便进行数据查询调用,也可实现历史曲线分析、报表统计和自动报警等功能[6]。如果由于降雨或者干旱等原因使灌区地下水位超出了预设的安全范围,管理软件会自动发出报警信号,告知管理人员科学调控地下水位,确保灌区的地下水位在合理的开采范围之内。

2 灌溉机井水位监测终端

灌溉机井水位监测终端主要由嵌入式处理器LPC2129、GPRS无线通信模块SIM300C、水位传感器PY206、调理放大电路、存储器K9K2G8U0M、SIM卡和LED显示器等组成,监测终端硬件结构如图3所示。

水位传感器PY206被投到井中,受水压作用经调理放大后,输出0~5V的电压信号,嵌入式处理器LPC2129将其进行模数转化,根据预设的参数,计算出水位面距离地平面的距离h',并显示在本地的LED上,供现场的工作人员观察;嵌入式处理器LPC2129通过串口向GPRS通信模块SIM300C发送AT指令建立与数据中心的TCP/IP网络连接,再将终端的ID号、采集时间和水位高度等信息进行打包,上传至数据中心服务器;一旦当网络出现故障无法与数据中心通信时,会将采集到的这些数据保存到本地的存储器K9K2G8U0M上,当网络恢复时再自动上传,保证了监测数据的完整性[7]。

2.1 水位传感器

水压力传感器PY206采用进口高精度感应芯体,先进的贴片工艺,全不锈钢封焊结构,具有良好的防潮能力以及优异的介质兼容性;配套带有零点、满量程补偿和温度补偿的高精度、高稳定性放大集成电路,将被测量介质的压力转换成4~20m A和0~5VDC标准电信号。该传感器最小量程为0.6MPa,量大量程为120MPa,综合精度:±0.25%FS、±0.5%FS和±1%FS[8];供电为24VDC(15~30VDC);绝缘电阻≥1000MΩ/100VDC。控制器LPC2129的ADC0接口与压力传感器的电压输出相连,即可完成水压数据的采集和数字化处理,再根据公式(1),将其转化为水位高度信息。

2.2 数据通信协议

灌溉机井水位监测终端在软件设计方面主要获取从水位传感器PY206输出的电压信号,并将终端的相关信息一起发送到数据中心。为了保证终端与数据中心的通信能够相互识别,通信过程还要遵循一定的规则,故定义了特殊的数据通信协议,数据打包时就会按照这个协议格式进行封装成帧。通信时利用文本格式传输,根据串口通信特点定义:一个数据帧共计29字节,每个字符占用一个字节[9]。终端发送数据帧结构如表1所示。

数据帧的开头以“star”为开始,并以“end”作为结束标志,中间部分为数据区,主要包括终端的ID号、数据的采集时间和水位的高度信息。同时,在存入本地存储器K9K2G8U0M和数据中心的数据库AC-CESS2003的过程中,也是按照这个数据帧格式进行建表。

3 农田灌区地下水位监测管理软件

监测中心管理软件借助PC完成,工作在Windows环境下,是一个集数据输入、存储、显示、网络管理、数据库、查询和分析统计预测于一体的多功能软件。其采用VC++6.0作为开发工具编写,通过调用Socket函数与灌溉机井水位监测终端建立TCP/IP网络连接进行通信,接收灌溉机井水位监测终端定时发送来的地下水位数据;主机对这些数据处理后,将信息动态显示在屏幕上,同时将数据保存在数据库AC-CESS2003中,以备在需要的时候查询及进行分析统计预测,为今后安排灌溉作业提供数据支持,也可打印报表输出[10]。监测中心管理软件结构与功能框图如图4所示。

管理软件实现的主要功能包括:(1)利用MScomm串口控件,实现与各地下水位监测终端的通信;(2)用Teechart控件实时绘制灌区各机井内的水位高度-时间曲线图;(3)根据历史数据进行统计分析,建立地下水位变化模型。数据监测中心服务器始终保持与灌区各监测终端的网络连接和数据交互,一旦发现监测机井的地下水位超过预设的安全范围时会自动触发报警,提醒数据中心的值班人员察看显示画面,并通知相应的管理人员指导灌区农民合理作业,控制水位在最佳位置,使灌区供需水量保持平衡[11,12]。

4 试验结果与分析

为了验证系统的功能,对北方平原某灌区进行了为期12个月的地下水位监测。由于灌溉机井本身在选址建设时就考虑了均匀分布,选择了其中的6口井作为监测样本,对该区域地下水动态水位进行监测和分析。设置水位记录周期为6h,每天采样4次,测量与记录精度达到了0.01m。每口井的月度平均水位如表2所示。

m

从表1中可以看出,这6口灌溉机井在同一时期(相同月份)的水位高度基本上持平,也验证了系统测量的准确性;但该灌区每个月的平均水位随着时间的变化上下浮动。设置水位的安全范围为-15~-30m,将表1中平均地下水位高度数据转化为直观图,如图5所示。

从该区域月平均水位高度看,1-4月份由于没有灌溉需求,降水也很少,所以水位比较平稳;在5月份,由于灌溉用水加大,出现了相对降低的趋势;从6月份开始,由于持续的降水的原因,水位又出现了明显上浮,直到7-9月份,这也是雨季的旺季,地下水位到了最高-20.42 m;在10-12月份,基本没有了灌溉需求,故水位基本没有太大的浮动。

从灌溉用水量的年际特征变化来看,灌溉用水量与当年降水情势有一定关联性,且该灌区全年的地下水位都在警戒安全范围之内。

5 结论

系统采用水位压力传感器获取地下水位高度,并选择了覆盖范围广的GPRS网络技术解决了分布式数据传输问题,省去了复杂的网络建设费用。数据监测中心管理软件功能强大,不仅能监测每口井的水位高度,还可以利用数据库资源,建立水位高度与时间模型,对灌区地下水位的发展趋势分析预测,一旦出现地下水位超出了安全范围,能自动发出报警,提醒管理人员采取必要措施。经过长达12个月的实验表明,该系统工作稳定可靠,能够直观了解地下水水位动态变化情况,测量精度达到了0.01m,为合理管理灌区地下水的开采提供了强有力的数据支持。

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农田信息处理系统 第9篇

关键词：智能手机,Windows Mobile,农田墒情,GPRS通信

0 引言

随着计算机技术、GPS技术、传感器技术、自动控制技术和无线通讯等技术的发展,国内外田间信息采集技术的研究有了很大的进步。Raul Morais等人运用Zig Bee网络建立小型农田数据采集平台,获取太阳能、风和水流信息[1];Yunseop K等人通过分布式WSN和GPRS实现了灌溉系统的远程监控[2]。国内吉林大学的庞娜和程德福采用Zig Bee无线传感器网络实现了温室监测系统的设计[3];上海交通大学的李楠、刘成良等人利用Zig Bee和GPRS相结合构建了农田墒情远程监测系统[4]。

为了有效地获取农田信息、降低劳动强度、提高劳动生产率以及提高生产自动化程度,建立符合农业信息高效获取要求的自动化控制系统,是区域农业发展的必然要求。随着科学技术的不断发展,无线移动通讯网络已遍及城市、乡村,手机也已非常普及。若能用手机对农田信息进行实时无线数据检测并进行控制,不仅方便了农民对农田的日常管理,还减少了田间设备、降低了劳动强度、提高了劳动生产率,同时对实现农业自动化有着重要的意义。本文提出了一种基于智能手机和GPRS无线通讯技术的农田信息远程监测系统的实现方法。

1 系统总体结构

农田信息监测系统以实现对农田土壤温度、作物叶片温度、土壤含水量和光照强度信息的远程快速获取、传输、显示为目标,由智能手机平台、GPRS通信模块、ARM9核心处理器及数据采集模块构成。按照系统功能的实现可将硬件结构分为上位机和下位机两大部分。上位机选用基于Windows Mobile的智能手机平台,用于远程接受农田信息并进一步发送控制命令;下位机采集和发送数据并执行控制命令,包括ARM9核心芯片、数据采集模块和GPRS模块等。数据采集模块通过土壤温度传感器、叶片温度传感器、土壤水分传感器和光照强度传感器来采集农田各种参数信息。系统总体架构图如图1所示。系统由4个部分组成。

1)传感器模块。主要由分布在监测区域的各种传感器组成传感器终端节点,以采集土壤温度、叶片温度、土壤水分和光照强度信息。

2)控制器网关。系统控制器网关由ARM9处理器构成,用来完成和GPRS之间数据的透明转换,软件基于Linux开源操作系统和Mini GUI图形系统,实现农田信息参数的采集、传输、显示和存储功能。

3)GPRS网络。GPRS网络是2.5代移动通信系统,是GSM向3G过渡的桥梁。它的基本功能是在控制终端与Internet网络的路由器之间传递分组数据。它使用分组交换技术,能兼容GSM,并在网络上高速传送数据。

4)智能手机系统。在智能手机系统界面上可查询农田参数,或发送相应的控制指令,下位机开始或停止作业。

2 系统硬件设计

2.1 控制器网关硬件结构

系统选择基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器S3C2410。ARM920T内核由ARM9TDMI、存储管理单元(MMU)和高速缓存3部分组成[5]。系统控制终端部分采用核心板和底板的硬件设计方法,核心板集成了Samsung的S3C2410处理器(32位ARM920T内核),16M的FALSH和64M的SDRAM,JTAG2ICE调试接口等。核心板的资源有2UART,1个USB口,数据线和液晶显示屏接口。底板包括电源电路、各种接口电路、触摸屏、小键盘和USB存储电路等。系统硬件结构如图2所示。

2.2 智能手机平台

选用基于Windows Mobile的智能手机平台,而基于智能手机平台的SMS必受智能手机平台软硬件的支持和限制。本系统所选用的智能手机采用了TI的OMAP850芯片[6],属于“应用处理器+基带处理器的数字部分”类型。OMAP系列处理器一般拥有双核(DSP和ARM)结构,具有很强的运算能力、极低的功耗和丰富的外围接口。手机硬件参数如表1所示。

2.3 GPRS通信模块

GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务)是在现有GSM系统上发展起来的一种新的承载业务。目前,基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来,如工业控制、环境保护、道路交通、移动办公、零售服务、公安系统等。GPRS允许用户在端到端分组转义模式下发送和接收数据,而不需要利用电路交换的模式,比较适合于突发性的、频繁的、数据量小的数据传输。

系统中通信模块是上、下位机数据传输的关键部分,采用CENTEL公司推出的PIML-900/1800型GPRS,具有GSM/DCS双频模块,带GPRS功能,集成了完整的射频电路和GSM的基带处理电路,为用户提供了功能完备的系统接口。ARM处理器S3C2410通过异步串行通信接口与PIML-900/1800模块相连,并通过AT指令对该模块进行控制和相关数据的传输。

3 系统软件实现

3.1 嵌入式软件架构设计与开发流程

嵌入式模块采用嵌入式Linux操作系统。Linux作为一种优秀的开源操作系统,其本身具有稳定、高效、多任务、支持多种体系结构和大量硬件设备等优良特性,而且具有完善的网络通信、文件管理机制和优秀的开发工具链[7]。嵌入式Linux系统软件开发一般需要经过5个步骤:建立交叉开发环境、编译和移植Bootloader,根据硬件资源配置裁剪Linux内核(Kemel)和编写添加驱动程序、安装文件系统(Ramdisk)、开发用户空间(User)程序。在配置裁剪Linux内核时,应添加对PPP协议的支持,另外需要单独编写AD模块的驱动程序,Linux系统的使用可以使开发者把主要精力放在应用程序的开发上,大大提高了开发效率,根据系统功能要求,将数据的采集和发送设计为两个独立的线程并行运行,之间用信号量进行同步,减少相互干扰。

通过Linux套接字实现与服务器通信,Linux socket编程基本模式是Client Server,即客户端向服务器发送服务请求,服务器根据该请求提供相应的服务,基本流程如图3所示。

3.2 GPRS网络连接

S3C2410嵌入式控制器通过RS-232串口以AT指令形式与PIML-900/1800无线模块进行通信。若控制器发送指令正确,则PIML-900/1800模块将返回“OK”,错误则返回“ERROR”或者其他格式的指令,控制器通过判断无线模块返回的指令来决定下一步执行的程序,直到成功连接上GPRS网络。网络连接程序流程图如图4所示。

本系统采用TCP点对点连接方式进行GPRS连接,数据监测控制网关需要先获得服务端的IP地址,以短信形式发送本地IP给数据采集终端,数据采集终端提取IP地址后再进行本地设置,发起连接。

数据采集程序部分由数据采集和数据转换两部分构成。数据采集从传感器获得个参数信息,数据转换主要进行十进制转换,ASCII编码和正负判定。在网络不忙、网络质量较好且发送的数据量小于1k B时,GPRS数据通信延时为6~8s。如每次发送的数据量越大,延时越明显,且网络质量对延时有很大影响。如果每次发送的数据超出了GPRS模块的发送缓冲,则会造成数据包的丢失,甚至可能引起GPRS模块自动复位。

3.3 智能手机平台界面设计

智能手机的主要功能是当接收到来自下位机的实时消息时,可以识别出相应格式的数据流,经过处理在屏幕上显示出来。软件设计界面如图5所示。

Windows Mobile软件平台是微软为手持设备推出的“移动版Windows”系统,使用Windows Mobile操作系统的设备主要有PPC手机、PDA和随身音乐播放器等。本系统采用Windows Mobile 6.0,开发工具使用Microsoft的Visual Studio 2005,该平台集成了NET Framework和Windows Mobile SDK,对Windows Mobile的基本功能进行了类封装,调用十分方便。同时,该软件具有按规定格式收发信息、处理信息、显示信息等功能,并且具有友好的界面,使用十分方便。软件流程图如图6所示。

4 结束语

本文将智能手机终端应用于农田信息监测系统中,提出了一种基于GPRS通信技术的远程无线监测系统的实现方法。采用Windows Mobile嵌入式操作系统的智能手机作为远程控制器,ARM9核心处理器作为农田墒情监测系统下位机的核心芯片,利用手机远程监测农田信息。系统实现了农田墒情无线远程监测,有较强的稳定性、可靠性和实用性。

参考文献

[1]Sun R.M.Wind and water flow as energy supply for smallstationary data acquisition platforms[J].Computing&Elec-tronics in Agriculture Journal,2008,64:120-132.

[2]Yunseop K.Remote sensing and control of an irrigation sys-tem using a distributed wireless sensor network[J].IEEETrans.on Instrumentation and Measurement,2008,57(7):1379-1 387.

[3]庞娜,程德福.基于ZigBee无线传感器网络的温室监测系统设计[J].吉林大学学报,2010,28(1):55-60.

[4]李楠,刘成良,李彦明,等.基于3S技术联合的农田墒情远程监测系统开发[J].农业工程学报,2010,26(4):169-174.

[5]夏继强,袁骏,满庆丰.基于ARM处理器的CAN-Ether-net通信模块实现[J].测控技术,2004,23(9):30-33.

[6]贺科峰,李式巨.S3C2410X在无线宽带通信网中的应用[J].电子技术应用,2004(5):18.

基于GSM的农田环境监测系统 第10篇

2013年1月,2013年中央一号文件首次提出发展“家庭农场”的政策。家庭农场可实现规模经营与精细化管理的有机结合,实现收益最大化,避免了规模小而无效、规模大而不精的双重弊病[1,2]。目前,家庭农场已成为我国研究和讨论的热点,而家庭农场不可避免要设计到“精细农业”。精细农业是一个系统工程,基本的工作流程主要由三部分组成:农田环境参数采集、智能决策、田间管理,三者相互作用,构成一个整体[3]。农田环境参数采集、数据处理、管理决策、智能控制等问题,己成为国内外机构所研究的重点。

实现精细化农业必须首先弄清楚农田的环境参数,根据农田的环境现状指导农业生产,所以,实时、准确的获得农田环境参数信息是实现精细农业的基础。然而农业具有地域分散、对象多样和环境参数不确定等特点,面向农业生产者应用的信息获取及通讯技术研究仍然十分匾乏。传统的农业生产主要是凭借人的经验或人工现场采集数据,这种方式浪费人力物力,实时性差,无法实现远程监测,无法对农业生产全程进行实时精准监控,无法实现最优化的生产和最大的效益。

因此结合先进的通讯技术设计一款结构简单、实时性高、控制性能强、工作稳定、操作简便、成本低廉的农田环境监测系统对农田环境参数进行监测是十分必要的。

2 系统整体结构

该监测系统以单片机为控制核心,可以实现多种农田环境参数采集,包括温度、湿度、光照、风速、土壤盐分、降水量、蒸发量、土壤PH值(本次设计只以田间环境温湿度采集对象)等,把采集到的环境参数数据传送单片机的进行处理,将信息实时显示在LCD显示屏上,同时对预设的环境参数进行超限判断,在环境参数超限时,利用GSM(Global System for Mobile communication全球移动通信系统)进行数据传输到工作人员手机,能够使工作人员实时掌握农田环境信息,实现无线远程监测。系统整体结构图如图1所示。

3 硬件设计

本控制系统针对目前农田环境参数监测中存在的问题,利用相关的通信网络、计算机技术和传感器技术,以短信息为基本控制指令和数据信息传送方式,实现农田环境信息的自动采集、传输、存储和显示功能,包括传感器模块、控制器模块、显示模块、无线通信模块等。主要电路如图2所示。

(1)环境参数检测模块

环境参数检测模块的作用是在满足一定的精度和准确度情况下,通过各种传感器对农田环境参数信息进行检测,主要包括温度、湿度、光照、风速、土壤盐分、降水量、蒸发量、土壤PH值(本次设计只以田间环境温湿度为采集对象)等信息,将这些物理量按照一定的规律转换成数字量,传送给控制器模块;本监测系统采用DHT21型数字式温湿度传感器,其内部包含一个湿度敏感元件和一个温度敏感元件,能够直接输出校准过的数字信号,信号传输距离可达20米以上,具有抗干扰能力强、性价比高等优点。

(2)控制器模块

控制器模块以单片机为核心芯片,包括时钟电路、复位电路等外围电路,以及防止控制器程序跑飞、死机的看门狗电路,通过对多个环境传感器检测数据进行采集、处理、显示、传输,同时在参数超限的情况下,输出报警信号;本监测系统采用的是STC89C52型单片机,该单片机具有8K在系统可编程Flash存储器、32位I/O口线、3个16位定时器/计数器、4个外部中断、全双工串行口等标准功能,指令和引脚上与MCS-51单片机完全兼容,能够满足系统需要[4,5,6]。

(3)无线传输模块

无线传输模块可以将农田环境参数信息发送到工作人员的手机上,使工作人员及时掌握农田状况。无线传输模块采用西门子公司生产的TC35-GSM通用模块实现,TC35模块是德国SIEMENS(西门子)公司的一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块,电压范围为直流3.3~4.8V,休眠状态电流消耗为3.5m A,空闲状态为25m A,发射状态为300m A(平均),2.5A峰值;它支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service,短消息),可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复,该模块与单片机通信遵循RS232通讯协议,可以快速、安全、可靠的实现环境参数数据通信服务[7,8,9,10]。其与单片机的接口电路如图3所示。

总之,本监测系统借助已经全面覆盖的GSM网络,能够实现农田环境参数的随时随地监测;使用简单,系统所有数据都以短信形式发送,用户手机作为一个便携式监测终端,能够及时了解到农田环境参数数据。系统能够为用户提供一个简单可靠、安全经济的农田环境监测平台。

4 软件设计

系统上电后单片机主程序首先调用系统初始化子程序,该子程序完成对I/O口、LCD、串口、GSM模块等进行初始化工作并创建系统文件,待初始化工作结束后,主程序将调用基本参数设置子程序,在该子程序运行过程中,用户可通过红外遥控键盘进行一些基本参数(包括时间、温湿度上下限、报警手机号码等)的设置,待设置完成后按下确认键,系统将保存设置,并在LCD上显示相应的信息,之后进入总循环。在总循环中,系统首先调用温湿度传感器数据采集子程序进行温湿度数据采集,后判断是否有请求命令,有则发送实时数据,没有则判断温度和湿度当中是否有数据超限,若温度和湿度中至少有一个超限有则调用GSM模块短信报警子程序发送报警短信,同时声光报警,反之则返回总循环的开始处执行新的一次循环。主程序流程图如图4所示。

5 系统调试与测试

5.1 系统调试

(1)按下电源开关通电源,LCD通电点亮显示系统初始化界面如图5所示,此时GSM模块指示以每500毫秒间隔闪烁,直到以1秒间隔闪烁为止,此时说明GSM模块已经正常接入网络。

(2)进入系统运行界面,当GSM模块初始化成功后,系统立即跳转至运行界面,此时可通过红外遥控器进行时钟设置时间。利用红外遥控器功能键CH键可遥控界面在主界面和温湿度参数及报警手机号码的界面进行切换。当调试好后,按下确认键即可自动进入运行模式。参数设置界面如图6、图7所示。

(3)当环境温度达到所设定的参数上限或下限任意一个值时,GSM模块立即向手机发送当前的温湿度参数值,延时一段时间(这里程序设计时默认设定为1分钟,)后,如报警参数任然上升处于报警范围,那么立即再发一条短信,直到报警参数恢复正常温湿度值。在报警未解除期间,系统主板上会发出持续的声光报警信号,即红色报警指示灯亮,蜂鸣器发声。报警短信接收如图8所示。

5.2 实地测试

(1)测试方案

在系统调试完毕后,进行实地测试。实地测试主要是测试系统在实际的农田环境下的工作性能。首先将系统电路板安装在某农地的空地处,测试现场如图9所示。通过前文描述的传感器检测环境温度、湿度等环境参数,在12864液晶上显示出来,然后与专业测量工具在同等条件下测试结果进行对比,根据测量结果,优化传感器性能。

(2)测试过程

设定温度范围为:14℃~30℃;湿度范围为:40R H%~85RH%;短信报警间隔2分钟;温度允许误差±0.5℃,湿度允许误差±2RH%,将传感器测试数据取值与专业温湿度计测量值进行对比,每隔30分钟记录一次数据,测试结果见表1所示。

(3)结果分析

经过分析,发现控制系统采集数据和专业测量工具测量数据误差较小,温度最小误差为0,最大误差0.2℃,湿度数据最小误差为0,最大为1.1RH%;在超过设定值时,声光报警装置工作,报警短信2s内发出。测试结果表明,本监测系统在实际工作中,运行情况稳定,温湿度测量误差较小,报警功能正常,较好的达到了设计要求。

6 结束语

本文结合计算机技术、GSM通信技术及传感器技术,设计了基于基于GSM的农田环境监测系统,具有农田环境参数的实时显示、短信报警等功能。最后经过对开发出的样机进行试验测试,结果表明,本系统的温湿度传感器数据采集性能良好,短信息发送及时,能够实现环境参数的实时监测及远程报警,极大的降低了中小农户人工成本,具有应用价值高,实用性强等特点。

摘要：农田环境参数采集的实现精细农业的重要步骤。为解决传统的采集方式存在的费时费力、实时性差等问题,结合GSM通信技术,以单片机为核心处理器,设计了一种基于GSM的农田环境监测系统。其具有环境参数的采集、显示、超限报警、实时查询等功能。实验结果表明,该监测系统测量误差较小,数据通讯正常,操作方便,具有良好的稳定性和可靠性,可以满足农田环境监测的实际需求,具有较好的社会效益和经济效益。

关键词：GSM,单片机,传感器,环境监测

参考文献

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农田信息处理系统 第11篇

1 农田生态系统服务功能及评价

1.1 农田生态系统服务功能 农田生态系统是一种半自然的人工生态系统，是由农田、环境及人为控制组成的复合生态系统，服务功能具有特殊性。它不仅包括为人类的生存与发展提供坚实物质基础和食物保障的产品服务功能，还具有巨大的环境服务功能。

1.2 农田生态系统服务功能形成机理 农田生态系统是人类依靠土地资源，利用农田生物与非生物环境之间以及农田生物种群之间的关系来进行人类所需食物和其它农产品生产的半自然人工生态系统。农田生物包括植物、动物和微生物等；非生物环境包括地理位置、温度、降雨、土壤养分、pH值等。农田生态系统在经过一系列的生态过程的基础上，通过物质循环、能量流动和信息传递产生生态系统服务功能。生态系统服务功能是生态系统功能的具体体现，生态系统非生物环境特征、生物特征和生态过程及其相互作用是农田生态系统服务功能形成的内在机制。作为一种半自然的人工生态系统，人类活动对生态系统服务功能有着重要的影响。从根本上说，人类活动是农田生态系统服务功能形成的驱动力。但是，不科学的人类管理活动会对农田生态系统服务功能造成巨大的损害。

1.3 农田生态系统服务功能价值评价 近年来，生态系统服务功能的价值评价引起了生态学界的广泛关注，成为当前生态经济学、环境经济学研究的前沿领域和热点问题。没有定量经济量度的生态系统服务易被忽视，对农田生态系统服务功能进行评价，是量化农田生态系统服务功能的重要环节。通过价值量化评估技术，探讨生态系统的价值，不仅可为构建绿色GDP、制定生态环境保护政策、区域发展决策提供理论依据，而且对认识中国“三农问题”、优化农业种植结构、保护农田及农村生态环境、促进农业可持续发展等具有重要意义。

2 农田生态系统服务功可持续发展策略

2.1 建立综合的经济与资源环境核算体系,制定合理的补偿价格 农田生态系统不仅具有生产生态系统产品的功能，而且具有支撑与维持人们赖以生存的自然环境的功能，如涵养水源、改良土壤、调节气候等。现行国民经济核算体系只重视经济产值及其增长速度的核算，而忽视国民经济赖以发展的资源基础和环境条件的核算，通过建立综合的经济与资源环境核算体系，对损害(或保护)农田资源环境的行为进行收费(或补偿)，激励人们减少(或增加)因其行为带来外部不经济性，并完善相关的政策制度，制定合理的补偿价格。为了维护生态平衡和持续发展,必须给农民适当的价格补偿，补偿的额度应不少于消耗耕地资源所带来的经济损失。对农田生态系统服务功能及其价值研究可为耕地资源合理定价、有效补偿、科学管理和持续发展提供科学的理论依据。

2.2 合理应用生态学基本原理,大力推行生态农业 农田环境污染的加剧、不合理的物种配置和种植方式等，严重影响了农田生态系统服务功能正常发挥，进而影响到农业的可持续发展。推行生态农业是正常发挥农田生态系统服务功能的有效保障。在进行农业生产的过程中，在应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理、结构与功能协调的原则，结合系统分析的最优化方法，设计促进分层多级利用物质的生产工艺系统，促进自然界良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，最大限度地减少对农业环境的污染和破坏，实现经济建设与环境的协调发展。在可行范围内，还可尽量依靠作物轮作、秸秆、牲畜粪肥、豆科作物、绿肥等，利用生物和人工技术防治病虫草害，并通过植物生产、动物转化、微生物还原，来实现农业废弃物的资源化利用、农业的清洁生产以及农业的高效益。

农田无线传感器网络系统应用浅析 第12篇

2013年, 我单位引进了北京农业信息技术研究中心开发的“农田无线传感器网络系统”进行装备组网。通过农业生产实践, 该系统具有监测针对性强、数据传输精准、模块化组网、系统故障率低等优势, 整套系统体现出来优良的智能化程度和自适应性。

1 农田传感器网络系统架构及技术优势

1.1 网络系统架构

网络系统主要由感知节点设备、网关设备和服务器管理终端等组成, 基于低功耗、自组织网络通信技术, 实现对环境温度、空气相对湿度、光照强度、土壤湿度、土壤温度、光合有效辐射强度、叶片表面温度、叶片表面湿度等农田信息进行实时监测, 为农业生产提供及时准确的信息支持 (见图1) 。

底层的感知节点设备是无线传感器网络的基本功能单元, 由传感单元、处理单元、通信单元以及电源部分等基本组成模块构成。实现数据采集、数据融合、数据发送等功能。

中层的网关设备主要作用是实现传感器网络和其他设备的桥接, 相当于“翻译器”, 实现系统管理终端和传感器网络的双向通信。它首先接受来自传感器节点的数据信息, 对数据进行处理后, 转换成系统管理终端数据包, 通过传输网络发送至数据服务器。在整个系统中起到承上启下, 协作调度的作用。

上层的服务器管理终端主要实现从各个网关设备节点接收信息, 完成数据解析、处理、存储、查询、统计图表绘制、网络数据发布以及与其他信息系统集成整合的功能。并且通过网关设备发送控制指令至感知节点设备, 完成远程参数设置。只要在服务器管理终端登录, 即可在线实时监测信息和数据的传输。

1.2 工作流程

网络系统的工作流程是“感知节点收集并处理数据—传输数据至网关节点—网关接收传感器网络节点数据—按照传感器网络协议解析传感器数据—调用网关数值校验算法, 验证数据的准确性—对多组数据进行整合、压缩—按照网络数据包格式生成通信数据包—发送数据包—确认数据服务器数据接收正确—服务器接收并处理数据—信息反馈”。

1.3 技术优势

该网络系统的核心部件是网络网关设备, 是农田无线传感器网络系统的专用设备 (见图2) 。该设备的适应性强, 可兼容多种通信协议, 支持3G、GPRS、Ethernet、RS485等通信协议, 实现两种网络系统的数据桥接, 可方便实现多种网络传输环境下的组网使用。如果有现成的RS485干线网络环境, 使用有线RS485网络, 实现网关与数据服务器的短距离数据传输;在周围有有线网络接入的使用环境, 实现Ethernet局域网传送数据;如果在野外没有可供使用的网络设施, 则通过使用GPRS、CDMA、3G等移动通信网络实现数据的反馈与处理。

该设备具有以下特点:①内嵌有环境参数 (尤其是环境温度、空气相对湿度、土壤、风速、风向等参数) 校准模型, 可以有效提高参数监测精度;②具有高效的数据压缩算法, 相较同类网关, 移动通信数据量更少, 通信费用更低;③网关采用windows CE作为操作系统, 采用TFT触控显示屏作为人机交互界面。

目前国内市场上销售的无线传感器网络系统, 组网和使用费用较为昂贵, 因为这些产品基本上都采用国外研发的网络系统硬件设备和通信协议, 使用过程中维修、故障处理、零配件供应及系统兼容性受到制约。

使用北京农业信息技术研究中心开发的网络设备进行组网, 系统的硬件设备、通信协议以及低功耗控制等都是该中心的专利技术产品, 完全实现了技术的国产化, 组网和使用成本低, 与市场上现有产品进行比较, 可节约成本35%以上。

2 应用前景

随着农业结构调整和城镇化进程的加快, 土地流转整合的速度呈加快增长趋势, 这就会出现耕种面积越来越大, 而劳动力却相对紧缺的情况。农业生产的田间信息获取就会出现滞后, 无法及时采取有效的措施, 影响农作物的生长和产量。利用“无线传感器网络”进行农田信息监测, 能够大大提高农田作业效率, 降低劳动力成本。它能够实时反馈农田基本信息, 降低灌溉、施肥、病虫害防治等方面的支出。通过监测, 只需要对出现旱情的地块进行灌溉, 无需大面积的漫灌。对不同地块的肥力和作物生长情况进行统计, 因地制宜的进行施肥作业, 可使后期农田管理作业投入成本降低20%。监测系统可较好的为各级农业部门和大中型农场推广使用, 用户可以使用家用PC或手机, 足不出户就能了解农田里的环境信息, 有着广阔的推广应用前景。

摘要：通过无线传感器网络系统在农业产业化生产中的应用, 实现对农田环境温度、空气相对湿度、光照强度、土壤湿度、土壤温度等信息的实时监测, 为农业生产提供及时准确的信息支持, 提高灌溉、施肥、病虫害防控等后端农事的实施效果, 实现农业可持续性发展。