基于AGWTracker和自动位置报告系统的农田信息采集系统

张卫正，鲍晓杰，裘正军，吴 翔，何 勇

（浙江大学 生物系统工程与食品科学学院，浙江 杭州310058）

农田信息的准确实时获取是现代农业精准化耕作的重要前提，精准农业需要及时了解农田中植物、土壤和环境信息的分布情况［1-2］.将GPS技术与以传感器和单片机为核心的农田信息采集技术相结合，可以实现农田信息的定点采集；结合地理信息系统（GIS）进行图形化显示，生成农田信息空间分布图；依靠农业管理决策支持系统和专家系统，能够为农作物的生长环境监控及有针对性的精细化耕作提供技术支持［3-5］.

近年来，国内外学者对农田信息采集及GIS显示技术进行了研究.高骁骁等［6］利用Mapgis和C#等技术集成开发作物与环境信息系统，构建土壤水分、气象因子、作物等信息地理数据库，采用桌面端和网络端的模式对数据进行交互式空间查询、统计分析、生产专题图等.张丽等［7］采用Geo Map进行灌区用水管理二次开发，研究了基于GIS和智能数据采集技术的灌区用水管理系统，实现了地图显示、水量计算、水位报警等功能.刘卉等［8］设计了由农田无线监测网络和远程数据中心两部分组成的土壤温湿度监测系统，应用ESRI嵌入式GIS组件库ArcEngine进行监测数据的实时变化和空间变异分析.王海江等［9］根据区域土壤肥力差异、作物需肥规律、土壤供肥性能与肥料效应等因素，应用Map Info与Delphi集成技术和组件式GIS模块建立了集棉田土壤养分信息管理、土壤模型施肥推荐、GIS图形信息管理于一体的棉田土壤肥力信息管理与施肥推荐决策系统.Francis等［10］采用电磁感应器获取土壤含盐量，结合GPS定位信息，利用ArcGIS绘制土壤盐度图，并转换为处方图，实现精准农业在棉花生产上的应用.以上研究在农田信息分布图显示上大都采用商用GIS软件或自行开发的GIS软件.商用GIS软件虽然功能强大，但操作复杂，软件成本高；自行设计的GIS软件需要较高的软件编程基础，开发工作量大，软件通用性差.

APRS是一款免费的软件平台，用户无需单独购买地理信息系统软件.它将定位、地图和网络结合起来，通过网络方式在地图中实时查看站点的位置及属性信息.使用时无需编程，只要将信息按一定的格式上传至APRS服务器即可，便于开发小型的农田信息GIS分布.本文设计集成多传感器的农田信息采集系统，通过APRS技术实现农田信息在地图中的实时发布，用户可以通过PC机或移动设备访问APRS服务器查看农田信息，快捷直观.

1 APRS和AGWTracker

1.1 自动位置报告系统（APRS）

1992年，在美国无线中继联盟（American radio relay league，ARRL）和无线电爱好者社区数字通信会议上，Bob Bruninga首次引入APRS的名称.初期的APRS被设计为通过双向电台进行数字通信的工具，称为自动分组报告系统（automatic packet reporting system，APRS）［11］.1999年，Steve Dimse引入了APRS的第一个因特网接口，APRS的传输媒介出现了无线分组通信与因特网两者共存的局面.众多免费而功能强大的应用软件促进了基于APRS的因特网传输的快速发展［12］.

APRS的软件部分由服务器软件和客户端软件组成.硬件部分主要由APRS节点、无线数字中继台、APRS网关和APRS服务器等组成.APRS节点分为只发、只收和收发结合节点.网关将无线电和互联网结合起来，APRS服务器提供互联网接入，所有实时信息通过网关传送到服务器.服务器充分利用互联网资源，将所有实时数据快速发送到互联网上与它连接的客户端，允许任何支持Java的浏览器通过网页查看APRS活动［13］.

APRS将无线电数据通信、全球定位系统、计算机和互联网有机地结合起来，具有能提供位置报告、移动对象跟踪、气象报告等常用功能［14］.该软件使用谷歌地图API，通过地理信息系统达到良好的展示效果.同时该系统具有标准接口，可以在地图上实时显示信息.

1.2 AGWTracker软件

农田土壤信息和环境信息数据通过AGWTracker软件上传至APRS服务器.该软件是一款在计算机上运行的APRS客户端软件，由希腊呼号为SV2AGW的爱好者及其团队采用Windows系统开发.该软件拥有选项卡式和多帧式的双模用户界面，其中多帧式的界面适应大型显示器或双显示器配置的需求.该软件支持的电子地图种类众多，有栅格地图（raster map）、矢量地图（vector map）、谷歌地图（google map）等，用户可同时打开多个地图［15-16］.

将采集到的农田信息转换成Wxnow.txt文件格式，AGWTracker软件能够自动将名为 Wxnow.txt的数据文件上传至APRS服务器，服务器读取数据文件后在地图中实时显示该站点的位置及相关的属性信息.

2 农田信息采集系统设计

2.1 系统结构

系统主要由供电模块、农田信息采集模块、信息集成模块、无线传输模块、数据推送部分和APRS接收及显示部分组成.系统架构如图1所示.

采用太阳能供电方式对底层监测及传输模块进行供电.太阳能电池由太阳能电池板、蓄电池和充电控制器三部分组成.太阳能电池板的输出电压为18 V，输出功率为20 W；蓄电池的输出电压为12 V，输出功率为8 W；充电控制器的系统电压可在12 V和24 V这两档转换，总额定负载电流为20 A.

农田信息采集模块采集的主要信息为农田土壤的温度、水分、位置信息和农田环境信息，这些信息分别由温度传感器TSIC506、水分传感器SWR-2型和Weather Station气象站套件获取.

信息集成模块采用单片机收集农田土壤水分、温度信息，环境风速、风向、温湿度、降雨量等信息，并通过SV652无线数据传输模块发送.监控中心的PC机将接收到的数据通过AGWTracker上传至APRS服务器，用户通过浏览器登录APRS服务器实现查阅.

2.2 信息采集

土壤温度采用TSIC506数字式温度传感器采集，该传感器由瑞士IST（innovative sensor technology）公司生产，温度测量精度高达±0.1℃，测量范围为10～60℃，基本的信号传送仅通过一条信号线，具有无需校准、转换速度快（100 ms）、易使用和长期稳定等优点.

采用SWR-2土壤水分传感器通过测量传输线上的驻波率间接测量土壤含水率，该传感器的输出电压信号为0～2.5 V，测量范围为0%～100%，测量精度为2%.对土壤含水率值的模拟电压信号进行模数转换，经数据总线传输到单片机.该传感器具有以下特点：1）测量精度高，响应速度快；2）土质影响小，应用地区广；3）价格低廉；4）密封性好，不受腐蚀，可埋入土壤对土壤水分进行定点监测.

环境信息采集采用自动气象站套件ADS-WX1 Weather Station.该套件采用RS-232电平串口输出.套件如图2所示，由主机、风速计、风向标、雨量计和其他安装附件组成.主机包括单片机、闪存、温湿度传感器和气压传感器等，风速风向以及降雨量传感器通过RJ12连接器连接到主机内部.

图2 气象站套件Fig.2 Weather station kit

主机直接以RS-232串口输出Peet Brother格式数据，符合APRS格式要求.输出数据格式如下所示.

图3 Peet Brother数据输出格式Fig.3 Output format of Peet Brother data

开头的“！！”为标志，之后的每4位16进制数为一个整体，具体意义如下：001F表示风速（单位：0.1 km／h）；009F表示风向（0～255对应风向0°-360°，正北方向为0°，正东方向为90°，顺时针递增，换算方式为该值除以256再乘以360°）；030A表示室外温度（单位：0.1℃）；002E 表示长程降雨量（单位：0.01″）；26AD 表 示 大 气 压 强 （单 位：0.01 k Pa）；030A表示室内温度（单位：0.1℃）；01EA表示室外湿度（单位：0.1%）；----表示室内湿度（单位：0.1%，同一套件只能测一个地点，不能同时测量室内外湿度）；0069表示1年中的第几天；043A表示1天中的第几分钟；002C表示当日总降雨量（单位：0.01″）；001E表示1 min平均风速（瞬时风速，单位：0.1 km／h）.

系统采用GARMIN公司研制的OEM型GPS25接收机获取GPS卫星的定位数据.该接收机采用+5电源供电，能同时跟踪12颗卫星，具有体积小、功耗低、功能强、性价比高等特点.以NMEA-0183标准格式输出GPS定位数据，在精细农业定位信息测量中使用GPRMC语句格式提取当前位置的经度和纬度数据.

2.3 信息集成与无线传输

信息集成模块采用Silicon Laboratories公司生产的C8051F380单片机作为控制MCU.该单片机具有64 K片内FLASH存储器、2个增强型UART、多路10位高精度A／D转换器、USB总线等强大资源，采集模块配置了键盘和点阵LCD，用于显示采集到的农田信息.信息集成模块将来自传感器、GPS模块及自动气象站的信息汇聚后通过无线数传模块发送给PC主机.

主控芯片C8051F380单片机具有2个串口，其中一个串口与无线发射模块连接.采用RS-485串行总线标准，将土壤传感器（土壤温度、水分传感器）数据和环境信息数据及GARMIN GPS25数据通过该串行总线与另一串口连接，解决了单片机串口不足的问题.其设计结构框图如图4所示.

图4 信息集成设计结构框图Fig.4 Structure diagram of information integration design

信息传输采用由2个深圳市思为无线科技有限公司提供的SV652无线数据传输模块配对使用.该模块采用Silicon Laboratories公司的高性能射频芯片Si4432.最大输出功率为500 m V，传输距离可达3 000 m，支持RS-232电平输出.通过该模块将信息集成模块的数据进行无线传输，并在接收端配置相同的模块接收数据，将接收到的数据通过串行口传送给PC主机，从而完成数据的接收.本文中无线传输的发射端与接收端距离为200 m，在最大传输距离范围内.

3 数据推送

3.1 市民天气观察计划（CWOP）

采集系统通过AGWTracker软件将采集到的农田信息推送至APRS服务器.每个采集点需要一个站点编号，可通过CWOP组织（Citizen Weather Observer Program），注册会员并申请编号.该组织用于收集成千上万的站点信息，允许各个站点将其相关数据信息发送至APRS的互联网服务器，实现信息共享［17-18］.CWOP Number（站点编号）由2个大写字母加4个数字组成.本文申请到的站点编号为EW4083.

3.2 数据格式转换

计算机通过相应的SV652无线数据传输模块将接收到的数据保存为TXT格式，需要转换成Wxnow.txt文件的格式后才能由AGWTracker发送至APRS服务器.

Wxnow.txt文件由2行构成，如图5所示.

图5 Wxnow.txt文件格式Fig.5 Format of Wxnow.txt file

第一行是计算机上创建本文件的时间；第二行是数据报告，采用APRS的报告格式，具体内容如下：272表示风向272°（正北方向为0°，正东方向为90°，正南方向为180°，正西方向为270°）；／010表示风速，16.09 km／h，“／”为分隔符；g006表示瞬时风速，9.66 km／h；t069表示温度，69°F（华氏度）；r010为最近1 h内的降雨量的百分之一（单位英寸），0.1″；p030表示过去24 h内的降雨量的百分之一（单位英寸），0.3″；P020表示从午夜开始的降雨量的百分之一（单位英寸），0.2″；H61表示空气湿度，61%；b10150表示大气压的1／10（0.01 kPa），101.5 kPa.将其他土壤信息加在大气压数据之后，用“／”加以分隔.

采用Visual Studio 2010编写格式转换软件，其界面如图6所示.可以设定不同的时间间隔并完成更新，时间间隔为1～60 min，以1 min为最小刻度.

图6 Wxnow生成器Fig.6 Wxnow Builder

3.3 信息推送

采用AGWTracker上传信息.在该软件中设置待上传信息文件（Wxnow.txt）的存放位置，和上传时间间隔，如图7所示.设置完成后，AGWTracker就会按照设置的时间间隔自动将数据文件推送到APRS服务器，APRS服务器按照所接收的数据在地图中实时显示站点信息.

图7 AGWTracker设置界面Fig.7 AGWTracker setting interface

4 实验与分析

4.1 实验数据

站点设置在浙江大学紫金港校区试验农田，该地位于东经120.097 658°，北纬30.305 571°.气象站套件采集的是风向、风速、降雨量、空气温湿度和气压数据，传感器在套件的上端，高度是2 m，可根据农田作物的高度适当调整高度.土壤温度和水分传感器埋设的深度为10 cm.于2014-05-06采集的农田环境信息和土壤温度信息数据如表1所示.表中，t为时刻，θs为土壤温度，H为空气相对湿度，ws为土壤水分质量分数（即含水量），vw为风速.

表1 土壤温度、空气相对湿度、土壤水分、风速测试数据Tab.1 Test data of soil temperature，air relative humidity，______soil moisture and wind speed

将系统采集的土壤温度、空气相对湿度、土壤水分、风速测试数据与人工精确测量的结果进行对比，如图8所示，本系统的测量精度在99%以上，满足农业生产的实际需求.以在2013-12-17T15：39采集的一组数据为例.将该组数据转换为Wxnow.txt文件的格式，由AGWTracker发送至APRS服务器.

4.2 信息显示

图8 系统采集的参数值与人工测量结果对比Fig.8 Comparison of results between system acquisitionvalues and manual measurement values

信息查询及显示可通过移动端的智能手机、平板电脑或终端PC进行，登录http：／／zh-cn.aprs.fi网页，查找浙大农田站点EW4083，单击“WX”表示的站点图标即可显示该处农田信息，如图9所示.图中直观地显示了站点在地图中的所在位置及当前的实时农田信息，对于精准农业信息的地图化管理十分方便.同时，AGWTracker软件经过初次设置后便无需人工操作，软件会定时将数据文件Wxnow.txt上传至APRS服务器，APRS系统根据采集系统发过来的数据实时更新显示，系统的设计和应用简单快捷.按同样的方法，可以建立多个信息采集站点，对一个区域的农田信息进行采集和管理.

图9 农田信息显示界面Fig.9 Farmland information display interface

5 结 语

本研究设计了一个基于单片机、传感器技术、无线传输技术，并使用APRS进行信息显示的农田信息采集系统.采集的农田土壤和环境信息通过AGWTracker软件上传至APRS服务器，实现了农田信息分布情况的实时发布.应用表明：APRS网站具有开发简单快捷、功能强大、性能稳定等优点.同时具有数据存储和下载功能，提供Google Earth KMZ、Excel CSV、JSON和XML等4种不同的格式用于下载数据信息.APRS采用谷歌地图的API接口，信息查询及显示效果良好，并且APRS由专业人士开发和维护，系统运行稳定可靠.该技术的网络功能将农田信息分布以地图的形式发布，为精准农业提供技术支持.

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