基于移动通信技术的灌溉信息平台设计

2023-10-17张萃珍

农机化研究 2023年12期

王娟,张萃珍

(江西机电职业技术学院,南昌 330013)

0 引言

灌溉是农业生产的基础,智能化灌溉是现代农业发展的趋势,现代农业生产对灌溉的数字化和信息化要求也逐步提高,精细灌溉已经成为当前农业科学研究的焦点[1]。精细灌溉采用网络通信的方式对灌溉准备过程和灌溉过程进行实时监测,主要运用计算机技术、物联网及移动通信技术,实现远程对作物的生长状态、土壤墒情以及需水量进行监测和灌溉需求分析,从而达到科学、精细灌溉的目的[2-4]。目前,对灌溉过程相关信息的管理已经成为智能化灌溉技术推广的关键。

本文采用移动通信技术,设计了一种能够使用移动客户端进行灌溉参数和灌溉信息管理的智能化平台,包含远程数据查询、分析、灌溉指令发送以及灌溉预约等功能,以实现远程智能化灌溉数据管理。

1 灌溉信息管理平台需求分析

灌溉信息管理是灌溉管理的基础,正确的灌溉信息管理有助于合理、科学灌溉过程的实施。灌溉信息管理平台是以微机系统为基础搭建的一种能够进行数据交互和信息管理的综合平台,主要包含数据采集、通信、数据管理及灌溉决策等[5]。灌溉决策过程是根据土壤条件、气候条件及作物生长状态等综合信息进行灌溉需求分析的过程[6]。灌溉管理人员需要科学、合理地获取灌溉需求信息,并根据灌溉需求信息进行灌溉决策,建立一种安全、稳定和科学的灌溉信息管理平台。

灌溉信息管理平台要求能够使用移动终端进行灌溉需求分析、灌溉决策以及灌溉指令的下达。当平台使用人员通过移动终端发送灌溉通信时,灌溉平台根据接收到的灌溉指令进行系统准备,并将相关数据信息存储至数据库当中,灌溉完成后生成历史数据,便于后期查询[7]。所设计的灌溉信息平台要求具有移动通信控制功能,其通信架构如图1所示。

图1 灌溉信息平台通信架构图Fig.1 Communication architecture of irrigation information platform

平台使用人员可在加入的任何计算机终端或移动终端上进行数据浏览和相关指令信息发送;当服务器接收到指令信息后,能够将接收到的通信数据生成临时报表数据;平台进行数据发送与接收时,采用一种GSM移动通信方式[8]。图2所示为灌溉信息平台通信程序图。

图2 灌溉信息平台通信程序图Fig.2 Communication program diagram of irrigation information platform

图3 灌溉信息平台结构框架图Fig.3 Structure frame diagram of irrigation information platform

平台移动终端在为用户提供灌溉信息服务的同时,要求能够实时对作物的生长状态和水分需求情况进行查询,且具备用户远程灌溉预约的功能,用户可在移动终端进行注册、登录、信息查询以及灌溉预约等[9]。

2 灌溉信息管理平台设计

灌溉信息平台数据库是灌溉信息数据管理的核心,也是平台信息开发的基础。灌溉信息平台数据库主要包含作物种类、气候条件、水资源以及管理条件等综合因素[10]。灌溉信息平台数据库包含历史信息数据和专题数据,能够实现数据的显示、查询和分析,并在平台内进行数据共享,将管理区域内的地理信息数据和灌溉管理数据以图表和曲线的形式进行显示,实现平台数据的数字化管理和显示可视化,如图2所示。灌溉信息平台要求能够结合历史数据进行灌溉区域数据预测,为管理部门决策提供参考依据。在进行信息平台搭建时,预留多个数据交互接口,以满足灌溉信息的实时监测和数据交互[11-12]。

3 灌溉信息平台模块设计

灌溉信息平台数据库分为空间和属性两种类型数据库。其中,空间数据库主要为地理信息数据,属性数据库为灌溉过程预测模型和灌溉决策模型。在进行灌溉信息平台数据库设计时,要保证数据库的安全性,同时要求数据库具有扩展性,能够在数据库中进行空间数据提取,并利用属性数据进行运算分析[13]。平台中空间数据库可以构建出地理信息客户端,并为用户提供地理数据服务。灌溉信息平台可将信息管理模块和地理信息管理模块进行数据交互,平台中空间数据由系统管理员进行更新,属性数据则可通过终端用户进行维护修改,从而保证历史数据的稳定性,同时为终端用户的使用提供便利。

根据功能不同,可将灌溉信息平台系统数据库划分为地理信息数据库、历史信息数据库以及专题数据库。其中,地理信息数据库包含区域内的行政划分图、交通图以及灌溉水资源分布图,可在地理信息数据库中按照不同的要素划分图层[14]。表1 为平台地理信息数据库属性。

表1 平台地理信息数据库属性Table 1 Properties of platform geographic information database

历史信息数据库主要包含使用区域内的灌溉信息数据,即农业气候特征、灌溉工程现状、历年灌溉信息以及农业生产状况等。专题数据库主要是区域内的灌溉制度,包含供水制度和经济灌溉制度[15]。图4为数据库信息交互界面示意图。

图4 灌溉信息平台数据库交互界面示意图Fig.4 Schematic diagram of database interactive interface of irrigation information platform

信息检索模块用于向平台使用人员和管理人员提供数据查询服务,主要包含空间查询和条件查询两种模式。在空间查询模式下,可通过平台中的地图方式进行查询,获取需求数据;条件查询模式是在查询界面中根据查询条件获取需求数据。

数据分析模块用于进行测量和统计分析,测量过程是在地图界面中进行距离、面积以及坐标的测量,获取相关空间信息。统计分析主要是对农业灌溉过程中的分布情况、灌溉类型以及灌溉量进行统计汇总,生成设定的图形或报表数据,便于后期进行查询使用。

灌溉预测模块是平台管理人员在制定灌溉政策时,通过调用相关数据信息,利用预测模型模拟区域内的灌溉需求过程,并进行数据分析,生成灌溉推荐方案和灌溉指标,向区域内的使用人员提供灌溉资源配置参考依据。

平台在建立预测模型时,要综合考虑农业生产现状和历史数据,基于灌溉区域管理制度建立灌溉用水量预测模型。灌溉模型主要包含综合灌溉净定额和灌溉用水量。

综合灌溉净定额计算公式为

其中,m为综合灌溉净定额;ai为作物种植比例;mi为作物灌溉定额。

灌溉用水量计算公式为

其中,W灌为灌溉用水量;F为灌溉面积;η综为灌溉水有效利用系数。

灌溉管理模块主要用于用户管理、系统数据管理以及系统工具使用。用户管理包含用户账号信息的管理和维护,可根据使用人员性质的差异将平台用户划分为普通用户、管理人员以及系统管理员3个不同的群体。系统数据管理主要用于对平台内的数据库进行编辑和更新,并要求能够批量进行数据的导入和导出。系统工具使用主要用于对平台内的数据进行管理,包含报表生成、曲线生成及打印输出等。

为保证移动终端与平台服务器之间能够有效进行数据交互,采用移动通信技术,利用Java多线程方式实现数据传输。当一个移动终端项平台服务器发送网络连接请求时,同时产生一个额外的子线程来进行该移动终端的连接需求;当每一个通信线程启动完成后,每一个移动终端即与平台服务器之间建立通信网络,从而保证移动终端和平台服务器之间能够有效进行数据交互。

移动客户端完成组网后,即可在终端进行平台用户登录,使用数据查询功能进行灌溉数据查询,并根据不同区域的灌溉需求进行灌溉预约,同时可在终端用户界面内进行相关结果和状态查询。图5为灌溉平台移动终端程序执行流程图。

图5 灌溉信息平台移动终端程序执行流程图Fig.5 Flow chart of mobile terminal program execution of irrigation information platform

4 平台测试

利用移动通信技术建立灌溉信息平台,对区域内的灌溉参数进行预测。将建立好的灌溉信息平台应用于某地区,进行平台应用测试分析。该区域内总灌溉面积2000hm2,有效灌溉面积1333.3hm2。其中,包含蔬菜种植区域666.7hm2,采用地下水进行灌溉;其余种植区域主要种植小麦和玉米,采用灌溉水库进行灌溉。参照历史数据可以得出:该区域的水分蒸发量为每年1600mm,年平均气温9℃,最高气温37℃,最低气温-15℃,年平均降水量600mm。

将灌溉区域内的种植作物类型、种植面积以及其他相关参数采用移动终端或服务器进行输入,对区域内666.7hm2小麦和玉米的灌溉信息进行预测,如表2所示。