侯阳青,杨柳青

数字农业信息获取平台的设计与应用

侯阳青,杨柳青

福州职业技术学院阿里巴巴大数据学院, 福建 福州 350108

传统以物理信息为基础的农业信息平台智能化程度低，无法保障农业工作人员实时精准了解数字农业田间信息。本文设计一种数字农业田间信息获取平台，平台的数据采集和输出层依靠数据采集板，获取农业田间信息，通过GPRS无线传输模块，将获取的农业田间信息传输到数据解析和存储层中的SQL SERVER 2018 数据库中。智能化解析获取的农业田间信息，依照数据使用和共享层中Web应用服务器与数据库服务器之间的交互作用，完成数字化信息转换与应用。经过实验分析验证，该平台获取空气温度和空气湿度的相对误差最小值分别是0.39%和0.12%，且获取数字农业田间空气温度和空气湿度的时间和实际时间之间相差较小，平台实时显统计分析示土壤温度和湿度的显示效果较好，优于单一物理信息展示平台，智能化程度提高。

数字农业; 信息采集; 平台设计

病虫害分析和农作物长势分析的重要手段是数字农业田间信息。大部分学者主要依照农业生产图像和农作物实际长势判断农作物长势和鉴定田间病虫害[1]。通过人工定点定时拍照获取田间农业植物信息的方式采集农业生产信息，该种方式效率低下、使用范围较为狭窄且实时性较差[2]。随着现代科技不断发展，应用中出现较多种类的数字农业田间信息获取平台，依照数字农业田间信息获取平台传输媒介，可将平台分成两类[3]，即无线物理信息农业田间信息获取平台和有线数字农业田间信息获取平台。这些数字农业田间信息获取平台存在工作量大、耗时长和布线困难等缺点[4]。需要利用无线数字技术，设计数字信息获取平台。这种平台是一种新型数据信息获取技术，该种技术具有体积小、灵活便捷和自组网等优点。

本文主要设计无线数字农业田间信息获取平台。农业工作人员可通过该平台获取所需数字农业田间信息，分析获取的数字农业田间信息后，更为方便快捷的了解田间农业信息，高效管理农作物生长信息，提高农田作业质量[5]。

1 田间信息获取平台设计

1.1 设计平台逻辑体系体系

经调查发现，设计的数字农业田间信息获取平台应该满足农业田间生产需求，农业工作人员需要通过该平台，实时查询数字农业田间信息和田间信息历史数据，精准分析农业田间信息[6]。平台应充分考虑现代精准农业田间环境业务要求，实现精准获取田间信息和正确解析田间信息的目标，且应具有较好的稳定性和可扩展性，满足其他田间环境下的业务需求。本文设计的平台中，核心设置为SQL SERVER 2018数据库，采用动态网页形式分析和显示数据库中田间作物环境[7]（图1）。

图 1 数字农业田间信息获取平台结构逻辑图

从图1中可以看出，该数字农业田间信息获取平台主要由数据采集和传输层、数据解析和存储层以及数据使用和共享层三部分构成。其中数据采集和输出层中包含数据采集板、终端节点和GPRS无线传输模块，该模块采用数据采集板获取数字农业田间信息，通过GPRS无线传输模块将获取的数字农业田间信息传输到数据解析和存储层中数据处理服务器中的SQL SERVER 2008数据库中，采用数据处理服务器解析获取的数字农业田间信息[8]。依照数据使用和共享层中Web应用服务器与数据库服务器之间的交互作用，农业工作人员和科研人员通过Web网页查看田间农业作物环境信息、各项数据和农业作物长势情况，制定田间农业作物生长趋势预测建议。

1.1.1 数据采集模块设计从数字农业田间信息获取平台的结构图中可看出，该平台较为重要的是数据采集功能，该平台数据采集功能主要是通过数据采集板实现的，依照数字农业田间信息获取平台需求设计数据采集板（见图2）。

图 2 数据采集板结构图

依照数字农业田间信息获取平台需求将数据采集板划分成核心板、传感器模块、键盘操作模块等五个部分（图2）。其中微控制器最小系统、相关通信模块和大容量数据存储器构成数据采集板的核心板[9]。通过数据采集板中传感器模块获取数字农业田间信息，数字农业田间信息包括土壤水分和湿度、空气温度和湿度、降雨量、蒸发量等环境信息和农作物长势信息。键盘操作模块和液晶显示模块构成该数据采集板的人机交互界面，用户直接操作数据采集板获取数字农业田间信息[10]。

1.1.2 温度传感器设计经过上述分析发现，获取数字农业田间信息过程中较为重要的是数据采集板中的传感器模块。通过传感器模块采集外界田间各种参数，如土壤温度和湿度、空气温度和湿度以及降雨量等参数，需采用不同传感器采集不同参数[11]。本文主要以土壤温度传感器为例分析传感器采集原理。土壤温度采集过程中主要采用DS18B20温度传感器，通过该土壤温度传感器能更加精准测量农田中土壤温度。该土壤温度传感器在工作过程中需一直处于土壤中，因此该温度传感器需具备尖锐的探头和较好的抗腐蚀性[12]（见图3）。

图 3 温度传感器

从图3中可以看出，土壤温度传感器主要组成部分为导线、空心探头和温度传感器。为提升土壤温度传感器抗腐蚀程度，需在土壤温度传感器探头头部采用耐腐蚀金属材料，且温度传感器装在外壳椎体下面，与传感器之间接触紧密，保障土壤温度传感器的导热性。从图（b）中可以看出，该温度传感器适用于测量恶劣环境温度，提升数字农业田间信息获取平台获取信息的抗干扰能力，同时DS18B220温度传感器具由可编程性，能够设置8 -12位分辨率，温度传感器在12位分辨率时，可在较短时间内转换温度值，将温度值转换成数字，温度传感器副业特性较好，即当出现电源反接温度计的情况时，温度传感器不会出现烧毁情况[13]。

1.2 平台功能分析

本文设计数字农业田间信息获取平台的平台功能结构（见图4）。

图 4 数字农业田间信息获取平台

从图4中可以看出，该数字农业田间信息获取平台中包含实时显示、平台管理以及信息采集等五类平台功能。其中数字农业信息采集功能采用数据采集板中传感器采集数字农业田间信息，通过GPRS通信将数字农业田间信息传输到服务器上，GPRS采用TCP通讯协议实现和服务器之间的通信。通过程序将采集到的数字农业田间信息传输到公网端口和固定IP上是信息采集功能的关键点，通过该功能采集数字农业田间信息，将田间信息传输到端口上达到接受、解析和入库数字农业田间信息的目的。平台管理功能主要由历史信息管理、实时信息管理力和采集区域管理等子功能构成。由于数字农业田间信息采集区域有所区别，为统一管理数字农业田间信息，需采用平台管理模块管理数字农业田间区域，管理员可指定数字农业田间区域类型、地理位置和工作状态等详细信息，管理员通过该功能模块管理和维护数字农业田间信息，解析数字农业田间信息后将田间信息放入数据库中，普通用户通过该平台查看田间信息，但不能更改田间信息[14]。数字农业田间信息实时显示功能通过图表等形式将田间信息展示在Web页面上，通过信息统计分析功能分析田间作物信息要素的最大值、平均值和最小值等统计信息。

1.3 软件设计

农业工作者为制定合理的生产计划、估计农业投入和计算农业产物产出，需掌握田间地块大小。通过面状地物调查功能记录地块的面积、长度和位置等信息和预期相关的属性信息。田间地物分布信息能精准识别较大石块、喷灌出水口等田间危险物，因此以田间地物分布信息获取为例，分析平台获取田间信息的流程（见图5）。

图 5 田间地物信息获取流程

从图5中可以看出，平台获取田间地物信息过程中用户交互操作能够界定面状地物和线状地物的点集，通过获取点集构建面状和线状地理特征，采集地物矢量信息后，需为矢量信息匹配相应属性信息。不同地物具有不同功能的属性信息，具有相同的地物编号字段、面状地物面积字段和线状地物长度字段等公有信息字段[15]。通过用户拓展属性字段描述地物特殊属性，属性信息中包含多媒体信息，该多媒体信息主要是通过相机和数字摄像机构成。

2 实验分析

2.1 采集精准度分析

为分析本文设计数字农业田间信息获取平台获取信息的精准度，以某地区的农田为例，采用本文设计平台获取添加该地区农田的空气温度和湿度信息，对比本文设计平台获取田间空气温度和湿度信息和人工测量的田间空气温度湿度信息，研究本文数字农业田间信息获取平台获取田间信息精度（见表1、表2）。

表 1 空气温度获取精准度分析

表 2 空气湿度获取精准度分析

从两个表可以看出，采用本文设计的数字农业田间信息获取平台获取田间空气温度和空气湿度的相对误差值均小于1%，本文平台获取空气温度和空气湿度的相对误差最小值分别是0.39%和0.12%，即本文平台获取数字农业田间信息精准度较高。同时分析本文平台获取数字农业田间信息时间可发现，本文平台获取数字农业田间空气温度和空气湿度的时间和实际时间之间相差较小，即本文平台获取数字农业田间信息效率较高。

2.2 平台功能分析

为探析平台功能，需采用本文设计数字农业田间信息获取平台获取田间信息，分析本文设计平台的实时显示功能和统计分析功能（见图6、图7）。

图 6 平台实时显示功能

图 7 平台统计分析功能

从图6~7可以看出，本文设计获取平台实际功能较好，通过图6可看出平台实时显示效果较好，通过平台实时显示功能用户可清晰明了的观测数字农业田间温度和湿度信息。从图7中可看出该平台统计分析效果较好，可精准统计田间风速，为农业工作人员种植和管理农作物提供数据理论。

3 结论

为向农业工作人员提供较为精准的数字农业田间信息，本文设计一种数字农业田间信息获取平台，以期通过该平台获取所需的数字农业田间信息。该数字农业田间信息获取平台中较为重要的部分是数据采集板中的传感器，通过不同种传感器可精准获取数字农业田间信息。经实验分析发现，该数字农业田间信息平台获取田间信息精准度较高，和实际结果较为相符，具有实际使用价值。

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Design for the Digital Agricultural Information Acquisition Platform and Its Application

HOU Yang-qing, YANG Liu-qing

350108,

The traditional agricultural information platform based on physical information is not intelligent enough to ensure that agricultural staff can accurately understand digital agricultural field information in real time. This paper designs a digital agricultural field information acquisition platform. The data acquisition and output layer of the platform rely on data acquisition board to obtain agricultural field information. Through GPRS wireless transmission module, agricultural field information will be acquired. Transfer to the SQL SERVER 2018 database in the data parsing and storage layer. Intelligent parsing of agricultural field information, according to the interaction between Web application server and database server in the data use and sharing layer, complete the conversion and application of digital information. The experimental results show that the minimum relative errors of air temperature and humidity obtained by the platform are 0.39% and 0.12% respectively, and the difference between the time and the actual time of obtaining air temperature and humidity in the field of digital agriculture is small. The real-time display and statistical analysis of the platform shows that the display effect of soil temperature and humidity is better than that of a single physical information display platform, and the degree of intelligence is improved.

Digital agriculture; information collection; platform design

TP126

A

1000-2324(2020)03-0572-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.039

2019-02-25

2019-03-19

福建省福州市科技计划项目(2013-G-96)

侯阳青(1979-),女,硕士,讲师,主要研究方向数据库技术、软件工程. E-mail:hyq235@foxmail.com