基于遠程通信的農田信息管理系統設計與實現

0遠程農田信息管理的應用精細農業技術是基于信息的農業管理體系。農田信息的快速采集和處理是實現精細農業的重要基礎和前提條件。隨著傳感器、計算機網絡,3S等相關技術的迅速發展,其在農田信息采集及處理等方面得到了廣泛關注并取得良好的應用效果。由于農田信息復雜多樣,且隨時間不斷變化,分布范圍廣,因此將上述技術進行融合并應用于農田信息管理領域將是精細農業一個重要發展方向。移動式農業信息智能服務系統通過農田信息的實時采集、處理和可視化,從而縮短農田數據采集和分析之間的時差,為農戶提供及時的、全面的決策信息及技術支持。作為移動式農業信息智能服務系統一個重要組成部分,遠程農田信息管理系統融合了遠程無線通訊技術和GIS技術各自優勢對農田信息進行遠程管理。本文按照軟件工程思想設計并熟悉實現了遠程農田信息管理系統進行設計與實現。1系統的基本組成移動式農業信息智能服務系統主要由基于ZigBee無線傳感器網絡、嵌入式GIS系統(即無線移動終端PDA)和遠程農田信息管理系統3部分組成。移動式農業信息智能服務系統的工作原理圖如圖1所示。移動式農業信息智能服務系統利用基于ZigBee無線傳感器網絡獲取農田信息,并將農田信息經過嵌入式GIS系統實時傳輸給遠程農田信息管理系統。1.1z空間無線網絡zrt基于ZigBee的無線傳感器網絡主要用于獲取農田信息,是移動式農業信息智能服務系統的農田數據采集部分。現有農田數據采集系統多采用人工或預先布線的有線采集方式,難以保證數據的實時性和有效性,并受地理位置、物理線路和復雜環境因素的影響而具有一定局限性。ZigBee是基于IEEE802.15.4的無線通信協議,具有低功耗、組網簡單靈活、短距離、低成本等特點。基于ZigBee的無線網絡非常適合于承載數據流量較小的農業領域。因此移動式農業信息智能服務系統利用基于ZigBee的無線傳感器網絡采集土壤水分、電導率、溫度以及環境濕度等農田數據。1.2pda數據通信PDA在移動式農業信息智能服務系統中起到信息傳遞橋梁的作用,即接收無線傳感器網絡所采集的農田數據,并將其傳送給遠程農田信息管理系統。由于農田信息采集終端具有移動性和不確定性等特點,PDA與傳感器網絡和遠程農田信息處理系統之間采用基于GPRS無線通信網絡進行數據傳輸。在PDA中能夠對農田的位置信息和屬性信息進行正確性驗證以保證農田數據正確及完整。同時還對農田數據進行臨時存儲。1.3農田管理決策遠程農田信息管理系統是實現農田信息管理的核心。負責接收來自PDA的實時農田信息,并對其進行可視化表達、分析,根據相應的控制模型進行農田管理決策,從而實現對農田信息的遠程管理。2遠程農業信息2.1遠程農田管理系統組成遠程農田信息管理系統是移動式農業信息智能服務系統的重要部分,是實現農田信息管理的核心,為整個系統提供決策支持。遠程農田信息管理系統主要完成與嵌入式GIS系統(PDA)的實時無線通訊,接收來自PDA的農田信息(位置數據和屬性數據),并將其存放于農田信息數據庫中;對農田信息進行各種數據處理和分析;根據結果給出相應的決策。遠程農田信息管理系統的輸入主要由基礎地圖、采樣點分布圖和屬性數據3部分組成。1)基礎地圖。主要包括農田地圖和農場設施分布地圖,是PDA事先采集農場和農場設施位置信息,以.tab文件格式存放,作為遠程農田信息管理系統中地圖處理的基礎。2)采樣點分布圖。最初由遠程農田信息管理系統生成,并作為PDA布置采樣點的基礎。PDA實際放置采樣點后,將返回最新采樣點放置位置,并更新遠程農田信息管理系統中的采樣點分布圖。3)屬性數據。由PDA實時傳輸給遠程農田信息管理系統。遠程農田信息管理系統的輸出主要為采樣點分布圖、各種田間數據分布圖以及土壤水分處方圖。遠程農田信息管理系統的數據流如圖2所示。系統工作流程如圖3所示。通過需求分析,可以確定遠程農田信息管理系統的功能主要有地圖管理、PDA管理、數據管理和系統管理等四大模塊。其中地圖管理主要完成對地圖數據的管理,是遠程農田信息管理系統工作的基礎;PDA管理主要對農田移動終端(PDA)進行注冊、刪除和狀態查詢等管理;數據管理模塊是遠程農田信息管理系統的核心,主要包括:采樣點的位置數據管理、采樣點屬性數據管理和數據傳輸3部分。系統管理模塊主要為遠程農田信息管理系統的日常使用提供支持和幫助,主要包括對系統用戶管理和幫助系統兩大部分。2.2系統設計遠程農田信息管理系統的設計主要包括農田信息數據的設計和系統軟件接口設計兩大部分。2.2.1要提出析和處理實遠程農田信息管理系統從PDA接收的農田信息將保存在農田信息數據庫中,是整個系統數據分析和處理的重要基礎。根據系統的需求分析,確定農田信息數據庫中主要的表有:農場基本信息表、農場設施信息表、地塊基本信息表、網格表、傳感器表、PDA基本信息表、采樣點基本信息表、采樣點數據表、土壤水分數據表、土壤電導率數據表、土壤溫度數據表和環境濕度數據表。2.2.2pda與遠程農田信息系統間的通信為保證系統能夠有效工作,系統的接口設計也極為關鍵。遠程農田信息管理系統的接口包括用戶界面設計以及與其他系統間的軟件接口。1)用戶界面設計。根據用戶界面設計基本原則以及遠程農田信息管理系統的特點,主要針對界面的對話、數據輸入、顯示和控制等進行了設計。力求用戶界面簡潔,符合用戶操作規范。2)軟件接口設計。系統軟件接口設計主要是針對遠程農田信息管理系統與嵌入式GIS系統(PDA)之間的網絡通信進行設計。為了確保數據傳輸的實時性和準確性,采用提供可靠服務、面向連接的TCP協議進行農田信息的遠程傳輸。PDA和遠程主機采用同步通信,且規定遠程主機在某一時刻僅與某一PDA進行通信,因此采用同步的流socket編程實現。根據系統需求分析,PDA需要將農田信息實時傳輸給遠程農田信息管理系統,兩者之間偶爾涉及控制命令。因此主要包括數據型消息和命令型消息。數據型消息指農田信息,主要為農田的位置數據和屬性數據,數據量較大;命令型消息為簡單的系統命令,如:請求數據傳輸、結束數據傳輸等。由于PDA與遠程農田信息管理系統之間的通信功能單一,且傳輸數據量較大,傳輸數據結構簡單,宜采用ASCII字符串進行傳輸。其中:1)對于命令型消息,直接以消息類型開始,數據消息以@開始,所有消息均以回車換行符束。2)命令型消息名稱由大寫英文字符組成,字符數不固定;數據型消息由兩個大寫英文字符成。3)數據型消息中各數據域均以逗號隔開。命令型消息包括PDA和遠程農田信息管理系統間發送的雙向消息。消息類型如表1所示。數據型消息也是雙向的,消息類型如表2所示。2.3遠程農田管理信息系統軟件設計遠程農田信息管理系統采用VisualStudio2008中的MicrosoftVisualC#2008開發。VisualStudio是目前最流行的Windows平臺應用程序開發環境。C#作為一種現代的面向對象的程序開發語言,能夠幫助程序員在.NET平臺上快速開發種類豐富的應用程序。圖4為遠程農田信息管理系統用戶界面。遠程農田信息管理系統作為服務器,PDA為客戶端,PDA通過GPRS與遠程農田信息管理系統進行通信時,首先向遠程農田信息管理系統請求連接,遠程農田信息管理系統監聽到PDA的請求后,返回信息,PDA確認信息后與遠程信息管理系統建立連接,開始向遠程信息管理系統傳輸信息。在遠程主機服務端定義一個TcpListener類的對象,用IP地址和端口號初始化服務器,PDA客戶端定義一個TcpClient類對象,然后雙方進行連接的請求和信息的傳輸等操作。3遠程農田信息系統本文基于遠程通訊和GIS技術開發了遠程農田信息管理系統。該系統通過GPR