基于Spring的土壤检测及数据分析系统

王甜 李旭辉 杨开世 杜佳举 白宇珩 代永强

摘要：由于多年人为和自然因素的综合作用，使得干旱、半干旱甚至半湿润地区自然环境退化，世界环境部分出现荒漠化，抑制荒漠化的主要措施是解决植被问题。

土壤检测及数据分析系统运用互联网大数据技术，旨在为贫瘠土壤环境检测及提供植被种植的参考方案。系统为植物种植工作者提供了一个较为科学完备的数据库，在一些贫瘠土地上工作时不仅可以通过直接搜索关键字进行得到植物的相关数据，还可以通过模拟环境以及利用硬件实时检测的方法，匹配相应适宜的植物作为参考数据，为当地环境筛选出最恰当的植物，减少多次实验的不必要性。

关键词：西部大开发;生态环境;大数据;土壤元素;数据分析

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）30-0132-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着人们对生活质量要求的提高，生态环境建设逐渐变成关注的要点，其中土地沙漠化引起人们广泛的关注。自国家确定开始西部大开发规划以来，我国西部作为经济建设的一重点战略地区，而严酷的环境却是阻挡国家建设的一大难题，因此我国西部生态环境建设成为重中之重的任务。而对于生态环境建设不单单只是防止土地荒漠化这一项内容，对于绝大多数西北地区而言，水土流失严重，土地盐碱化，气候日夜温差大，降水量少，植被種植自当主要的问题;而解决这些问题首先需要科学得恢复适宜当地生长的自然植被，所选用的植被必须是要符合当地的生态环境，种树或者种草的人为恢复方法都必须遵循当地植被演替及生态规律。

本套系统硬件与软件技术相结合，使得整套系统首先具有数据检测的功能，检测温度、PH等土壤元素的多个传感器进行组合构成硬件部分，利用硬件设备可以对一定区域土壤中温度、湿度以及pH数据;其次，系统提供了较为完备的数据库，利用互联网大数据知识将数据分析整理，为检测的区域样方找到合适的植被建议使得数据更加的具有实用性和科学性。

1 可行性分析

1.1 要求

此系统主要分为数据检测和环境模拟两大功能。软件用于供给用户可视化界面，包括植物信息搜索、环境检测数据获取、环境模拟结果等等。硬件系统用以检测土壤数据并实现存储等。

1.2 系统开发必要性

1）土壤酸碱度（pH）对植物的影响。土壤的酸碱度对植被的生长情况影响特别大。一般来说，中性土壤环境中的各种养分对于植物来说更容易被吸收，也更有利于植物的生长，也更能促进植被产量的提高，适合绝大部分植物的生长。因此，土壤上种植植物的选取要根据土壤所具有的特性。

2）土壤湿度对植物的影响。土壤湿度指土壤含水量的多少，土壤湿度很大程度会影响植物的生长发育，沙漠、半沙漠地区形成的最主要原因就是土壤含水量低，绝大部分部分植物难以在缺水的环境下生存，从而逐渐消失，土壤裸露在外，常年遭受风沙侵蚀，形成沙漠。因此，不同的植物对于环境适应的能力不同，而当我们清楚地掌握这些数据之后，植物便能更好的生长。

通过以上的研究和分析，认为系统的开发获得效益大于投入，所以开发项目是可行的。

2 系统总体设计

完整的土壤检测及数据分析系统主要由3个部分构成，即硬件系统、软件系统和植物数据库。

硬件系统主要用于对土壤中给各个元素的数据采集和数据检测方面，使用温度、湿度、PH等多个传感器以及Arduion开发板，实现数据的检测并对采集获得的数据进行进一步的处理，将数据传入软件缓冲数据库，然后再交由软件完成接下来的步骤。

软件系统主要为用户提供一个可视化界面以及数据分析功能，采用vue开发整个电脑端页面，软件后端提供处理数据的相应接口用来处理硬件设备传回的数据，软件将存储在缓冲数据库的数据调用进来进行分析，并进行用户交互，对所收集到的数据进行筛选，处理和选择。

数据库中主要存放硬件设备在土壤中采集到的数据，进行软件与数据库的数据交互，植物数据库包含植物的各种信息，具体反映了植物的基本信息以及植物生长所需要的环境，例如PH、生长适宜温度、湿度、海拔高度、年降水量等。系统功能图如图1所示。

3系统硬件设计

土壤检测及数据分析系统硬件系统构成包括计算机与一些外围设备，主要实现土壤环境的数据检测、输入、存储、输出等。

3.1 硬件构成

1）数据输入设备。包括温度传感器、湿度传感器、pH传感器，以及Arduion开发板、树莓派等设备。

2）数据存储设备。主要采用树莓派和服务器数据库存储环境数据，树莓派是一种卡片式的便携电脑，具有电脑的所有基本功能，在树莓派上安装Linux系统，即可以安装MySQL来获取传感器的数据并存储在树莓派的本地数据库里。同时使用云服务器的数据库与树莓派的数据库连接，使数据网络化，供给软件系统使用。

3.2 硬件功能设计

传感器通过接触被检测环境而获取环境的具体信息，并且将所测得的数据通过Arduion开发板传至树莓派本地数据库中，由于树莓派本地数据库不能满足系统的需求，故通过在树莓派上编写python程序来连接云端数据库，将传感器测得的、暂时储存在树莓派本地环境数据上传至云服务器，系统使用数据时直接从服务器端得到数据。

4 系统软件设计

系统软件部分主要包括三个功能。数据查找，用户通过搜索植物名或关键字等，从而获取与该植物有关的植物的基本信息、生长环境信息等所有信息;环境模拟，用户通过输入土壤环境必备的一些参数，系统通过计算并从数据库中找到与该环境匹配度达60%以上的植物并显示给用户，供给用户参考和选择;环境检测，硬件部分将土壤中采集到的数据上传至服务器数据库之后，通过计算机进行处理输出在可视化界面向用户展示当前环境的各种信息。软件流程图如图2所示。

4.1 接口设计

接口主要针对数据库数据的查询、插入、删除、更改等操作设计，例如软件与缓冲数据库进行交互，将数据传入软件，TemperatureMapper、pHMapper、HumidnessMapper等接口將数据接入软件分析和显示部分，用来满足前端的需求。

4.2 界面设计

软件前端部分使用了最新的前端技术栈，技术栈基于vue、vuex、axios和element-ui等技术实现界面逻辑及数据的处理。界面提供三个主要功能，通过连接后端接口及数据库实现各个功能。

5 结束语

本文设计的土壤环境检测及数据分析系统从大数据信息化方向出发，建立一个较为真实完备的数据库，其中收集了植物的必备环境条件作为基本数据，以这些基础数据将植物简化为一个抽象的模型，可以供人们清楚地理解植物的特征，这些抽象出来的数据供给防沙治沙工作人员作为参考，更清楚的了解植物信息，达到种植效益最大化、成活率大大增加。结合“数字地球”思想，使植物信息数字化，由大量数字化植物信息组成“数字植物圈”，让防沙、治沙工作变得更加简单、高效，让植物信息更加透明、直观。

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【通联编辑：李雅琪】