張衛(wèi)正，鮑曉杰，裘正軍，吳 翔，何 勇

（浙江大學 生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，浙江 杭州310058）

農(nóng)田信息的準確實時獲取是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精準化耕作的重要前提，精準農(nóng)業(yè)需要及時了解農(nóng)田中植物、土壤和環(huán)境信息的分布情況［1-2］.將GPS技術與以傳感器和單片機為核心的農(nóng)田信息采集技術相結(jié)合，可以實現(xiàn)農(nóng)田信息的定點采集；結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）進行圖形化顯示，生成農(nóng)田信息空間分布圖；依靠農(nóng)業(yè)管理決策支持系統(tǒng)和專家系統(tǒng)，能夠為農(nóng)作物的生長環(huán)境監(jiān)控及有針對性的精細化耕作提供技術支持［3-5］.

近年來，國內(nèi)外學者對農(nóng)田信息采集及GIS顯示技術進行了研究.高驍驍?shù)龋?］利用Mapgis和C#等技術集成開發(fā)作物與環(huán)境信息系統(tǒng)，構(gòu)建土壤水分、氣象因子、作物等信息地理數(shù)據(jù)庫，采用桌面端和網(wǎng)絡端的模式對數(shù)據(jù)進行交互式空間查詢、統(tǒng)計分析、生產(chǎn)專題圖等.張麗等［7］采用Geo Map進行灌區(qū)用水管理二次開發(fā)，研究了基于GIS和智能數(shù)據(jù)采集技術的灌區(qū)用水管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了地圖顯示、水量計算、水位報警等功能.劉卉等［8］設計了由農(nóng)田無線監(jiān)測網(wǎng)絡和遠程數(shù)據(jù)中心兩部分組成的土壤溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，應用ESRI嵌入式GIS組件庫ArcEngine進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時變化和空間變異分析.王海江等［9］根據(jù)區(qū)域土壤肥力差異、作物需肥規(guī)律、土壤供肥性能與肥料效應等因素，應用Map Info與Delphi集成技術和組件式GIS模塊建立了集棉田土壤養(yǎng)分信息管理、土壤模型施肥推薦、GIS圖形信息管理于一體的棉田土壤肥力信息管理與施肥推薦決策系統(tǒng).Francis等［10］采用電磁感應器獲取土壤含鹽量，結(jié)合GPS定位信息，利用ArcGIS繪制土壤鹽度圖，并轉(zhuǎn)換為處方圖，實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)在棉花生產(chǎn)上的應用.以上研究在農(nóng)田信息分布圖顯示上大都采用商用GIS軟件或自行開發(fā)的GIS軟件.商用GIS軟件雖然功能強大，但操作復雜，軟件成本高；自行設計的GIS軟件需要較高的軟件編程基礎，開發(fā)工作量大，軟件通用性差.

APRS是一款免費的軟件平臺，用戶無需單獨購買地理信息系統(tǒng)軟件.它將定位、地圖和網(wǎng)絡結(jié)合起來，通過網(wǎng)絡方式在地圖中實時查看站點的位置及屬性信息.使用時無需編程，只要將信息按一定的格式上傳至APRS服務器即可，便于開發(fā)小型的農(nóng)田信息GIS分布.本文設計集成多傳感器的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，通過APRS技術實現(xiàn)農(nóng)田信息在地圖中的實時發(fā)布，用戶可以通過PC機或移動設備訪問APRS服務器查看農(nóng)田信息，快捷直觀.

1 APRS和AGWTracker

1.1 自動位置報告系統(tǒng)（APRS）

1992年，在美國無線中繼聯(lián)盟（American radio relay league，ARRL）和無線電愛好者社區(qū)數(shù)字通信會議上，Bob Bruninga首次引入APRS的名稱.初期的APRS被設計為通過雙向電臺進行數(shù)字通信的工具，稱為自動分組報告系統(tǒng)（automatic packet reporting system，APRS）［11］.1999年，Steve Dimse引入了APRS的第一個因特網(wǎng)接口，APRS的傳輸媒介出現(xiàn)了無線分組通信與因特網(wǎng)兩者共存的局面.眾多免費而功能強大的應用軟件促進了基于APRS的因特網(wǎng)傳輸?shù)目焖侔l(fā)展［12］.

APRS的軟件部分由服務器軟件和客戶端軟件組成.硬件部分主要由APRS節(jié)點、無線數(shù)字中繼臺、APRS網(wǎng)關和APRS服務器等組成.APRS節(jié)點分為只發(fā)、只收和收發(fā)結(jié)合節(jié)點.網(wǎng)關將無線電和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，APRS服務器提供互聯(lián)網(wǎng)接入，所有實時信息通過網(wǎng)關傳送到服務器.服務器充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，將所有實時數(shù)據(jù)快速發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上與它連接的客戶端，允許任何支持Java的瀏覽器通過網(wǎng)頁查看APRS活動［13］.

APRS將無線電數(shù)據(jù)通信、全球定位系統(tǒng)、計算機和互聯(lián)網(wǎng)有機地結(jié)合起來，具有能提供位置報告、移動對象跟蹤、氣象報告等常用功能［14］.該軟件使用谷歌地圖API，通過地理信息系統(tǒng)達到良好的展示效果.同時該系統(tǒng)具有標準接口，可以在地圖上實時顯示信息.

1.2 AGWTracker軟件

農(nóng)田土壤信息和環(huán)境信息數(shù)據(jù)通過AGWTracker軟件上傳至APRS服務器.該軟件是一款在計算機上運行的APRS客戶端軟件，由希臘呼號為SV2AGW的愛好者及其團隊采用Windows系統(tǒng)開發(fā).該軟件擁有選項卡式和多幀式的雙模用戶界面，其中多幀式的界面適應大型顯示器或雙顯示器配置的需求.該軟件支持的電子地圖種類眾多，有柵格地圖（raster map）、矢量地圖（vector map）、谷歌地圖（google map）等，用戶可同時打開多個地圖［15-16］.

將采集到的農(nóng)田信息轉(zhuǎn)換成Wxnow.txt文件格式，AGWTracker軟件能夠自動將名為 Wxnow.txt的數(shù)據(jù)文件上傳至APRS服務器，服務器讀取數(shù)據(jù)文件后在地圖中實時顯示該站點的位置及相關的屬性信息.

2 農(nóng)田信息采集系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由供電模塊、農(nóng)田信息采集模塊、信息集成模塊、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)推送部分和APRS接收及顯示部分組成.系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.

采用太陽能供電方式對底層監(jiān)測及傳輸模塊進行供電.太陽能電池由太陽能電池板、蓄電池和充電控制器三部分組成.太陽能電池板的輸出電壓為18 V，輸出功率為20 W；蓄電池的輸出電壓為12 V，輸出功率為8 W；充電控制器的系統(tǒng)電壓可在12 V和24 V這兩檔轉(zhuǎn)換，總額定負載電流為20 A.

農(nóng)田信息采集模塊采集的主要信息為農(nóng)田土壤的溫度、水分、位置信息和農(nóng)田環(huán)境信息，這些信息分別由溫度傳感器TSIC506、水分傳感器SWR-2型和Weather Station氣象站套件獲取.

信息集成模塊采用單片機收集農(nóng)田土壤水分、溫度信息，環(huán)境風速、風向、溫濕度、降雨量等信息，并通過SV652無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送.監(jiān)控中心的PC機將接收到的數(shù)據(jù)通過AGWTracker上傳至APRS服務器，用戶通過瀏覽器登錄APRS服務器實現(xiàn)查閱.

2.2 信息采集

土壤溫度采用TSIC506數(shù)字式溫度傳感器采集，該傳感器由瑞士IST（innovative sensor technology）公司生產(chǎn)，溫度測量精度高達±0.1℃，測量范圍為10～60℃，基本的信號傳送僅通過一條信號線，具有無需校準、轉(zhuǎn)換速度快（100 ms）、易使用和長期穩(wěn)定等優(yōu)點.

采用SWR-2土壤水分傳感器通過測量傳輸線上的駐波率間接測量土壤含水率，該傳感器的輸出電壓信號為0～2.5 V，測量范圍為0%～100%，測量精度為2%.對土壤含水率值的模擬電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)絾纹瑱C.該傳感器具有以下特點：1）測量精度高，響應速度快；2）土質(zhì)影響小，應用地區(qū)廣；3）價格低廉；4）密封性好，不受腐蝕，可埋入土壤對土壤水分進行定點監(jiān)測.

環(huán)境信息采集采用自動氣象站套件ADS-WX1 Weather Station.該套件采用RS-232電平串口輸出.套件如圖2所示，由主機、風速計、風向標、雨量計和其他安裝附件組成.主機包括單片機、閃存、溫濕度傳感器和氣壓傳感器等，風速風向以及降雨量傳感器通過RJ12連接器連接到主機內(nèi)部.

圖2 氣象站套件Fig.2 Weather station kit

主機直接以RS-232串口輸出Peet Brother格式數(shù)據(jù)，符合APRS格式要求.輸出數(shù)據(jù)格式如下所示.

圖3 Peet Brother數(shù)據(jù)輸出格式Fig.3 Output format of Peet Brother data

開頭的“?。　睘闃酥?，之后的每4位16進制數(shù)為一個整體，具體意義如下：001F表示風速（單位：0.1 km／h）；009F表示風向（0～255對應風向0°-360°，正北方向為0°，正東方向為90°，順時針遞增，換算方式為該值除以256再乘以360°）；030A表示室外溫度（單位：0.1℃）；002E 表示長程降雨量（單位：0.01″）；26AD 表 示 大 氣 壓 強 （單 位：0.01 k Pa）；030A表示室內(nèi)溫度（單位：0.1℃）；01EA表示室外濕度（單位：0.1%）；----表示室內(nèi)濕度（單位：0.1%，同一套件只能測一個地點，不能同時測量室內(nèi)外濕度）；0069表示1年中的第幾天；043A表示1天中的第幾分鐘；002C表示當日總降雨量（單位：0.01″）；001E表示1 min平均風速（瞬時風速，單位：0.1 km／h）.

系統(tǒng)采用GARMIN公司研制的OEM型GPS25接收機獲取GPS衛(wèi)星的定位數(shù)據(jù).該接收機采用+5電源供電，能同時跟蹤12顆衛(wèi)星，具有體積小、功耗低、功能強、性價比高等特點.以NMEA-0183標準格式輸出GPS定位數(shù)據(jù)，在精細農(nóng)業(yè)定位信息測量中使用GPRMC語句格式提取當前位置的經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù).

2.3 信息集成與無線傳輸

信息集成模塊采用Silicon Laboratories公司生產(chǎn)的C8051F380單片機作為控制MCU.該單片機具有64 K片內(nèi)FLASH存儲器、2個增強型UART、多路10位高精度A／D轉(zhuǎn)換器、USB總線等強大資源，采集模塊配置了鍵盤和點陣LCD，用于顯示采集到的農(nóng)田信息.信息集成模塊將來自傳感器、GPS模塊及自動氣象站的信息匯聚后通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送給PC主機.

主控芯片C8051F380單片機具有2個串口，其中一個串口與無線發(fā)射模塊連接.采用RS-485串行總線標準，將土壤傳感器（土壤溫度、水分傳感器）數(shù)據(jù)和環(huán)境信息數(shù)據(jù)及GARMIN GPS25數(shù)據(jù)通過該串行總線與另一串口連接，解決了單片機串口不足的問題.其設計結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示.

圖4 信息集成設計結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of information integration design

信息傳輸采用由2個深圳市思為無線科技有限公司提供的SV652無線數(shù)據(jù)傳輸模塊配對使用.該模塊采用Silicon Laboratories公司的高性能射頻芯片Si4432.最大輸出功率為500 m V，傳輸距離可達3 000 m，支持RS-232電平輸出.通過該模塊將信息集成模塊的數(shù)據(jù)進行無線傳輸，并在接收端配置相同的模塊接收數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)通過串行口傳送給PC主機，從而完成數(shù)據(jù)的接收.本文中無線傳輸?shù)陌l(fā)射端與接收端距離為200 m，在最大傳輸距離范圍內(nèi).

3 數(shù)據(jù)推送

3.1 市民天氣觀察計劃（CWOP）

采集系統(tǒng)通過AGWTracker軟件將采集到的農(nóng)田信息推送至APRS服務器.每個采集點需要一個站點編號，可通過CWOP組織（Citizen Weather Observer Program），注冊會員并申請編號.該組織用于收集成千上萬的站點信息，允許各個站點將其相關數(shù)據(jù)信息發(fā)送至APRS的互聯(lián)網(wǎng)服務器，實現(xiàn)信息共享［17-18］.CWOP Number（站點編號）由2個大寫字母加4個數(shù)字組成.本文申請到的站點編號為EW4083.

3.2 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

計算機通過相應的SV652無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將接收到的數(shù)據(jù)保存為TXT格式，需要轉(zhuǎn)換成Wxnow.txt文件的格式后才能由AGWTracker發(fā)送至APRS服務器.

Wxnow.txt文件由2行構(gòu)成，如圖5所示.

圖5 Wxnow.txt文件格式Fig.5 Format of Wxnow.txt file

第一行是計算機上創(chuàng)建本文件的時間；第二行是數(shù)據(jù)報告，采用APRS的報告格式，具體內(nèi)容如下：272表示風向272°（正北方向為0°，正東方向為90°，正南方向為180°，正西方向為270°）；／010表示風速，16.09 km／h，“／”為分隔符；g006表示瞬時風速，9.66 km／h；t069表示溫度，69°F（華氏度）；r010為最近1 h內(nèi)的降雨量的百分之一（單位英寸），0.1″；p030表示過去24 h內(nèi)的降雨量的百分之一（單位英寸），0.3″；P020表示從午夜開始的降雨量的百分之一（單位英寸），0.2″；H61表示空氣濕度，61%；b10150表示大氣壓的1／10（0.01 kPa），101.5 kPa.將其他土壤信息加在大氣壓數(shù)據(jù)之后，用“／”加以分隔.

采用Visual Studio 2010編寫格式轉(zhuǎn)換軟件，其界面如圖6所示.可以設定不同的時間間隔并完成更新，時間間隔為1～60 min，以1 min為最小刻度.

圖6 Wxnow生成器Fig.6 Wxnow Builder

3.3 信息推送

采用AGWTracker上傳信息.在該軟件中設置待上傳信息文件（Wxnow.txt）的存放位置，和上傳時間間隔，如圖7所示.設置完成后，AGWTracker就會按照設置的時間間隔自動將數(shù)據(jù)文件推送到APRS服務器，APRS服務器按照所接收的數(shù)據(jù)在地圖中實時顯示站點信息.

圖7 AGWTracker設置界面Fig.7 AGWTracker setting interface

4 實驗與分析

4.1 實驗數(shù)據(jù)

站點設置在浙江大學紫金港校區(qū)試驗農(nóng)田，該地位于東經(jīng)120.097 658°，北緯30.305 571°.氣象站套件采集的是風向、風速、降雨量、空氣溫濕度和氣壓數(shù)據(jù)，傳感器在套件的上端，高度是2 m，可根據(jù)農(nóng)田作物的高度適當調(diào)整高度.土壤溫度和水分傳感器埋設的深度為10 cm.于2014-05-06采集的農(nóng)田環(huán)境信息和土壤溫度信息數(shù)據(jù)如表1所示.表中，t為時刻，θs為土壤溫度，H為空氣相對濕度，ws為土壤水分質(zhì)量分數(shù)（即含水量），vw為風速.

表1 土壤溫度、空氣相對濕度、土壤水分、風速測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of soil temperature，air relative humidity，______soil moisture and wind speed

將系統(tǒng)采集的土壤溫度、空氣相對濕度、土壤水分、風速測試數(shù)據(jù)與人工精確測量的結(jié)果進行對比，如圖8所示，本系統(tǒng)的測量精度在99%以上，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需求.以在2013-12-17T15：39采集的一組數(shù)據(jù)為例.將該組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Wxnow.txt文件的格式，由AGWTracker發(fā)送至APRS服務器.

4.2 信息顯示

圖8 系統(tǒng)采集的參數(shù)值與人工測量結(jié)果對比Fig.8 Comparison of results between system acquisitionvalues and manual measurement values

信息查詢及顯示可通過移動端的智能手機、平板電腦或終端PC進行，登錄http：／／zh-cn.aprs.fi網(wǎng)頁，查找浙大農(nóng)田站點EW4083，單擊“WX”表示的站點圖標即可顯示該處農(nóng)田信息，如圖9所示.圖中直觀地顯示了站點在地圖中的所在位置及當前的實時農(nóng)田信息，對于精準農(nóng)業(yè)信息的地圖化管理十分方便.同時，AGWTracker軟件經(jīng)過初次設置后便無需人工操作，軟件會定時將數(shù)據(jù)文件Wxnow.txt上傳至APRS服務器，APRS系統(tǒng)根據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)過來的數(shù)據(jù)實時更新顯示，系統(tǒng)的設計和應用簡單快捷.按同樣的方法，可以建立多個信息采集站點，對一個區(qū)域的農(nóng)田信息進行采集和管理.

圖9 農(nóng)田信息顯示界面Fig.9 Farmland information display interface

5 結(jié) 語

本研究設計了一個基于單片機、傳感器技術、無線傳輸技術，并使用APRS進行信息顯示的農(nóng)田信息采集系統(tǒng).采集的農(nóng)田土壤和環(huán)境信息通過AGWTracker軟件上傳至APRS服務器，實現(xiàn)了農(nóng)田信息分布情況的實時發(fā)布.應用表明：APRS網(wǎng)站具有開發(fā)簡單快捷、功能強大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點.同時具有數(shù)據(jù)存儲和下載功能，提供Google Earth KMZ、Excel CSV、JSON和XML等4種不同的格式用于下載數(shù)據(jù)信息.APRS采用谷歌地圖的API接口，信息查詢及顯示效果良好，并且APRS由專業(yè)人士開發(fā)和維護，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠.該技術的網(wǎng)絡功能將農(nóng)田信息分布以地圖的形式發(fā)布，為精準農(nóng)業(yè)提供技術支持.

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