农作物生长环境监测与评价系统设计与开发

摘  要：农作物的生长环境对其产量和质量具有很大的影响，目前我国对农作物生长环境进行监测与评价的系统尚不成熟。对此，研发了一套农作物生长环境智能监测与评价系统，该系统由数据采集站点、服务器端数据交互程序和网页客户端三部分组成，实现了对土壤温湿度、PH值、EC值、光照度等环境指标以及现场图像的远程监测和数据分析处理。该系统无需在监测现场建立网络基站，具备了可迁移性好、成本低、环境适应性强等特点，实现了将现场的数据精准采集与云端的科学化服务平台相结合，为农业作业的实施提供了科学有效的参考与指导。

关键词：农作物生长环境;数据采集;环境监测

中图分类号：TP274       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）10-0011-03

Abstract：Crop growth environment has a great influence on the yield and quality of crops. At present，environmental monitoring and evaluation system for the growth of crops is undeveloped in China. Therefore，an intelligence environment monitoring and evaluating system has been developed. This system consists of three parts，including data collection device，server-side data interaction software and web client. It achieves remote real-time monitoring and analysis for muti-indicators such as soil temperature and humidity，PH，EC and illumination. The system does not need to establish the network base station in the monitoring site，and has the characteristics of good mobility，low cost and strong environmental adaptability. It realizes the combination of accurate data collection on the spot and the scientific service platform in the cloud for agricultural operation. Providing a scientific and effective reference and guidance.

Keywords：crop growth environment;data collection;environment monitoring

0  引  言

農业是国民经济的基础性产业，高产、稳产、安全一直是农业种植生产的目标。其中，农作物的生长环境会对其产量和质量具有重要影响[1]，尤以中草药种植最为突出。因此，如何对农作物生长环境的相关指标进行实时、准确地监测成为了目前农业生产中亟待解决的问题。

我国的农业生产正处于高速发展阶段，农业生产过程中所使用的大型器械（诸如播种插秧、庄稼收割、农药喷洒）已相当普及，然而在农作物生长环境监测方面尚处于落后阶段[2-4]。目前，农作物生长环境指标的自动监测并没有完全普及，很多地区主要借助人力进行定期的现场环境取样，进而在实验室进行化验分析得出结果，时效性较差。近年来，一些地区采用了在现场设置网络基站，通过Wi-Fi网络进行环境监测，但成本较高，可迁移性差[5-7]。因此，目前尚缺乏一种快速、准确、可迁移、适应性较强的农作物生长环境监测系统。

对此，本文研发了一套针对农业种植现场的农作物生长环境进行智能监测与评价的系统。该系统主要由数据采集站点、服务器端数据交互程序和网页客户端三部分组成，主要实现了对土壤温湿度、PH值、EC值、光照度等多项指标的实时监测。同时，本文也提出了一种基于改进物元模型的评价方法，该方法在经典物元模型的基础上，结合领域专家的意见，将系统所管理的数据用于评价农作物在目标生长环境中的适应性。

1  系统框架

1.1  系统架构及功能

本系统主要由三大部分组成，包括数据采集层，数据交互层和数据展示层。数据由数据采集层获取，在服务器端接收并进行相应的管理操作，最终根据网页客户端的功能需求，对数据库中的数据进行相应的调用和应用操作。农作物生长环境智能监测系统框架如图1所示。

数据采集层是以多种测量影响农作物种植因素的传感器和摄像头为数据来源，以主控制器作为处理数据的核心，同时可以将采集到的数据打包发送。本系统可以监测的农作物生长环境指标主要包括：土壤温湿度、PH值、EC值、大气温湿度、光照强度以及大气压值。

数据交互层主要实现的是GPRS与云服务器进行数据交互，将在云服务器中的数据存入服务器本地的数据库中。通过集成在程序中的评价方法，结合采集的数据对该农作物生长环境对于不同作物的种植匹配性提供相应的评价，作为网页客户端提供数据服务的基础。

数据展示层是基于C#和JavaScript等高级语言进行编程实现的网页客户端。通过访问服务器端的数据库，将所需数据进行查询和显示，并且可以将所有查收到的数据绘制成趋势图，实现数据的展示功能。

1.2  系统硬件设计

该系统的硬件组成主要包括主控制器、GPRS模块、摄像头、以及各类传感器，其中包括了土壤温湿度传感器，土壤EC值传感器，土壤PH值传感器，以及用于采集大气相关指标（大气温湿度，大气压以及光照强度）的小型气象站。硬件系统架构如图2所示。

如图2所示，主控制器是以ARM控制器作为控制核心。通过定时向传感器和摄像头发送命令来获取反馈数据，同时对数据进行打包处理，最终通过GPRS模块发送到云服务器。硬件部分采用了太阳能蓄电池的供电方案，加装了防水外壳，极大地提高了其环境适应能力。

1.3  系统软件设计

1.3.1  服务器端软件设计

服务器端主要负责数据的云端接收与管理，以及服务网页客户端的调用。通过Socket通讯，分别为主控制器的数据传输和图片传输分配了两个独立的端口。当接收到主控制器发来的数据包时，提取包含数据内容的数据位。通过对本地数据库的相应操作，实现添加、修改、删除、查询数据等功能。当接收到主控制器发来的现场照片时，将照片按照指定命名格式存储在服务器硬盘的指定路径文件夹中，并将照片的文件路径存储在本地数据库中。

1.3.2  网页客户端

网页客户端位于数据显示层，主要实现了实时监测，统计分析等功能。网页客户端的架构如图3所示。

存储在云服务器端数据库中的数据，通过统计分析以及评价方法提供的结果，在网页端进行展示。网页客户端的主界面如图4所示。

2  功能实现

2.1  指标数据传输与管理

应用Socket通信技术，系统通过下位机农田数据采集站点收集数据，上传至云服务器端，由服务器本地数据库对数据进行储存操作。数据应用于网页客户端，根据用户需求，系统实现了以下功能。

2.1.1  实时数据

根据该系统在实际使用中的需求，用户在网页客户端需要获取现场实时的数据。通过在主界面点击“实时数据”按钮，即进入相应功能界面。选择监测站点可以获得该站点实时数据和监测图片。根据下位机设置的时间，可以定时刷新获取对应站点的最新数据供用户查阅使用。

2.1.2  历史数据

在实际使用中，用户仍需要通过系统获取站点的历史数据。点击“统计分析”中的“历史数据”按钮，即进入历史数据界面，通过选择监测站点及查询数据的起止时间可获得详细的“历史数据”列表。重新设置更改站点和起止时间，点击确定，即可实现跳转查询。

2.1.3  数据趋势分析

应用于解决用户在查阅过程中数据过于繁杂的实际问题。系统中开发了数据趋势分析的功能。在主界面点击“统计分析”中的“数据分析表”按钮，即进入相应功能，同样通过选择监测站点及需分析数据的起止时间可获得详细的历史数据走势分析曲线图。该数据是针对众多数据进行筛选取样，在用户设定的时间内，对筛选出的数据以曲线图的形式进行趋势展示。

2.2  图片传输管理功能

同样使用Socket技术，对摄像头照片进行文件流操作。系统也实现了2G网络下的农田现场的图片传输与云端图片管理功能。应用于Web客户端，系统为用户提供了网页获取现场图片进行相关监察工作的功能（包含了实时图片和历史图片的查询）。在主界面点击“统计分析”中的“历史图片”按钮，即进入相应功能，同样通过选择监测站点及需查询图片的起止时间可获得详细的历史图片。

3  结  论

本文了设计一套农作物生长环境智能监测与评价系统。该系统综合串口通讯、云服务等技术，实现对了农作物生长环境多项指标的实时、准确获取，并提供了直观便捷的数据展示平台。站点配备了防水外壳与摄像头，高适应性的太阳能结合蓄电池的供电方案，极大地提升了该设备在野外作业条件下的环境适应性与普及性。同时，该系统也有进一步提高的空间，例如：针对农田环境，指标数据分布均匀性较差的特点，农田数据采集站点需要考虑多点布控，网络化收集农作物生长环境数据。针对目前移动端设备的迅猛发展，在现有的网页客户端功能基础之上，开发手机APP客户端，更好地为科学种植提供高效便利的服务。

参考文献：

[1] 冯永祥，邢水红.农业大棚环境远程监控系统的研究与设计 [J].电脑知识与技术，2016，12（20）：261-263.

[2] 许珊.关于农业大棚环境远程监控技术的研究 [J].科学与信息化，2018（7）：144+147.

[3] 宗世刚.农作物生长受气象环境的影响研究 [J].现代农村科技，2015（12）：18.

[4] 亢岚，杨培宏，张继红，等.设施农业大棚智能监控系统设计与应用 [J].价值工程，2019，38（1）：165-167.

[5] 王睿旭.物联网智能农业系统的设计与实现 [J].南方农机，2018，49（24）：147-148.

[6] 郑思岐，张晓菊，吕芳.单片机和传感器联动控制的智能灌溉的可行性 [J].科学技术创新，2019（3）：47-48.

[7] 丁維丽，王雪妍，王天龙，等.基于单片机和传感器的智能浇花器设计 [J].无线互联科技，2018，15（23）：50-51.

作者简介：焦颖（1987-），女，汉族，河北保定人，硕士，研究方向：信息技术、交互设计。