曹婷婷++吳東麗++沈超++朱東紅

摘要 基于安卓平臺(tái)搭建了一套針對(duì)我國(guó)2 000多個(gè)氣象觀測(cè)站的自動(dòng)土壤水分觀測(cè)運(yùn)行監(jiān)控APP，軟件采用伸縮性部署架構(gòu)，內(nèi)部通過數(shù)據(jù)交換總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)中間件通過HTTP API接口為APP提供數(shù)據(jù)服務(wù)。該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)土壤水分儀設(shè)備故障診斷、濕度數(shù)據(jù)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)、觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品分析及站點(diǎn)管理等功能，可自動(dòng)生成數(shù)據(jù)異常、設(shè)備故障的類型及其原因分析，并推送至農(nóng)業(yè)氣象員手中；軟件建立了一套土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量控制算法、觀測(cè)設(shè)備故障維修分析庫(kù)等，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，為農(nóng)業(yè)氣象干旱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和站點(diǎn)設(shè)備高效運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)；土壤水分觀測(cè)；運(yùn)行監(jiān)控；APP設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) S152.7；P412 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）19-0195-02

Abstract Based on the Android platform，a set of automatic soil moisture observation monitoring APP was set up for more than 2 000 national meteorological observations.The software used adjustable deployment structure，and the internal data was exchanged through the data exchange bus.The data middleware provided data services to the APP through the HTTP API interface.The software could realize automatic soil moisture meter failure diagnosis，humidity and temperature data product statistics，observation data product analysis，site management，etc.The software could automatically generate abnormal data and equipment fault types，and also the cause analysis，then push to the agricultural weatherman.The software established a set of soil moisture data quality control algorithm，and the observation equipment failure maintenance analysis database，etc.The statistical analysis of observed data was realized，so as to provide technical supports for the real-time monitoring of agricultural meteorological drought and the efficient operation of site equipment.

Key words agriculture drought monitoring；soil moisture observation；running monitoring；APP design

農(nóng)業(yè)干旱是我國(guó)最主要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，因農(nóng)業(yè)干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)超過任何其他農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。在全球氣候變化背景下，近年來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生更為頻繁。干旱持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)、影響地域之廣為歷史罕見，引起了中央和各級(jí)政府的高度關(guān)注，目前農(nóng)業(yè)干旱已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的嚴(yán)重障礙。而氣象部門多年來(lái)采用人工監(jiān)測(cè)干旱的頻率和效率已遠(yuǎn)不能滿足決策部門和公眾對(duì)干旱監(jiān)測(cè)的需求。

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站是為了在氣候變化背景下提高農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)水平而建設(shè)，截至目前，我國(guó)氣象觀測(cè)自動(dòng)土壤水分站已建設(shè)2 000多套，形成了較為有效的土壤水分監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[1-4]。隨著手機(jī)應(yīng)用的普及，越來(lái)越多的應(yīng)用移動(dòng)化需求浮出水面，傳統(tǒng)的工作方式逐漸被移動(dòng)化方式所取代。目前氣象領(lǐng)域，無(wú)論是管理人員、業(yè)務(wù)人員還是基層觀測(cè)人員，所涉及到的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用競(jìng)相向移動(dòng)應(yīng)用發(fā)展，智慧氣象領(lǐng)域的APP應(yīng)用雨后春筍般出現(xiàn)，這將全面提升氣象自動(dòng)監(jiān)測(cè)效率和服務(wù)能力。而目前現(xiàn)有的土壤水分業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件和監(jiān)控軟件大多是基于PC端開發(fā)，已無(wú)法滿足觀測(cè)人員對(duì)移動(dòng)應(yīng)用日益增長(zhǎng)的需求。因此，在移動(dòng)終端開發(fā)一套自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控APP，隨時(shí)隨地進(jìn)行設(shè)備保障和貼身的土壤水分監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)服務(wù)，將會(huì)大大提高自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的運(yùn)行監(jiān)控能力和保障時(shí)效。

1 總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控APP在安卓平臺(tái)上搭建，兼顧業(yè)務(wù)發(fā)展要求和發(fā)展態(tài)勢(shì)，結(jié)合土壤水分監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的實(shí)際情況，建設(shè)技術(shù)領(lǐng)先、安全可靠、整合土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)基本業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)應(yīng)用于一體的APP應(yīng)用軟件。APP以全國(guó)2 000多個(gè)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提供實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等功能，可自動(dòng)生成數(shù)據(jù)異常和設(shè)備故障類型和原因分析，并推送到手機(jī)APP用戶。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分保證設(shè)計(jì)思想、系統(tǒng)架構(gòu)、應(yīng)用功能等方面適當(dāng)超前定位，能夠滿足土壤水分監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)未來(lái)幾年發(fā)展的需要，具備較好的開放性與可擴(kuò)充性，便于在現(xiàn)有的平臺(tái)上拓展升級(jí)新的應(yīng)用。

1.1 設(shè)計(jì)原則

（1）經(jīng)濟(jì)性。整個(gè)項(xiàng)目以現(xiàn)有需求為基礎(chǔ)，充分考慮發(fā)展的需要來(lái)確定系統(tǒng)的規(guī)模，既要降低系統(tǒng)的初期投入，又能滿足服務(wù)對(duì)象的需求，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮對(duì)已有投資的保護(hù)，對(duì)已建立的系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、應(yīng)用軟件應(yīng)提供完備的整合方案。

（2）先進(jìn)性。采用先進(jìn)成熟的技術(shù)，確保平臺(tái)應(yīng)用軟件的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性；同時(shí)，在滿足現(xiàn)期功能的前提下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有前瞻性，在今后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持一定的技術(shù)先進(jìn)性。

（3）安全性。軟件采用的應(yīng)用框架及平臺(tái)本身提供應(yīng)用安全保證，對(duì)于操作人員，只允許具有相應(yīng)權(quán)限的人進(jìn)行相應(yīng)的操作，從而保證數(shù)據(jù)的安全性和保密性；另外，提供用戶、角色、權(quán)限3級(jí)安全控制管理。

（4）開放性。軟件系統(tǒng)對(duì)于各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等具有通用的或可定制的接口策略。

（5）可靠性。保證平臺(tái)的可靠運(yùn)行和在升級(jí)過程中的方便快捷。

（6）可擴(kuò)展性。軟件應(yīng)分層模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)需求的變化，進(jìn)行功能的調(diào)整、增減、模塊的升級(jí)和系統(tǒng)架構(gòu)的完善；根據(jù)接口文檔，能夠快速方便地進(jìn)行二次開發(fā)。

（7）可維護(hù)性。軟件操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性高，具有易操作、易維護(hù)的特點(diǎn)，具有專業(yè)的管理維護(hù)接口，方便系統(tǒng)維護(hù)。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

采用伸縮性部署架構(gòu)，可根據(jù)以后發(fā)展將數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)中間件服務(wù)器分布式部署，內(nèi)部通過數(shù)據(jù)交換總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)中間件通過HTTP API接口為APP提供數(shù)據(jù)服務(wù)（圖1）。

1.3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

采用3層架構(gòu)結(jié)合Restful API技術(shù)于一體，系統(tǒng)劃分即數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、應(yīng)用層（表現(xiàn)層）。其中數(shù)據(jù)層體現(xiàn)為數(shù)據(jù)庫(kù)、文件和其他格式的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)邏輯層直接從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)，并為應(yīng)用表現(xiàn)層提供數(shù)據(jù)接口和相關(guān)服務(wù)。應(yīng)用層（表現(xiàn)層）負(fù)責(zé)服務(wù)接口的調(diào)用和用戶交互邏輯。

（1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)際存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層按照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理、交換以及管理。主要指土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)（Soil Moisture），數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)采用SQL Server或者Oracle，數(shù)據(jù)訪問方式采用JDBC。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層。支持表現(xiàn)層所需的所有邏輯和處理，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)大部分的業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)處理，它從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)，然后根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則，將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝、處理成JSON數(shù)據(jù)包提供給表現(xiàn)層。

（3）應(yīng)用層（表現(xiàn)層）。在業(yè)務(wù)邏輯層的基礎(chǔ)上，開發(fā)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)手機(jī)APP，APP提供統(tǒng)一用戶服務(wù)入口，依據(jù)用戶權(quán)限提供信息查詢和分析的功能。通過規(guī)范化流程、友好界面和方便性操作設(shè)計(jì)，為業(yè)務(wù)人員、設(shè)備保障人員和領(lǐng)導(dǎo)決策提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息、設(shè)備狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)異常和故障報(bào)警等信息服務(wù)。

另外，系統(tǒng)可以提供API、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、文件等來(lái)實(shí)現(xiàn)與第三方的應(yīng)用系統(tǒng)集成。

2 主要功能

自動(dòng)土壤水分運(yùn)行監(jiān)控APP主要針對(duì)全國(guó)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控，同時(shí)兼顧觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控和觀測(cè)產(chǎn)品支持服務(wù)的軟件。其能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)土壤水分儀設(shè)備故障診斷、濕度數(shù)據(jù)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)、觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品分析及站點(diǎn)管理等功能（圖2）。用戶主要是全國(guó)各級(jí)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)的運(yùn)行監(jiān)控和技術(shù)保障部門。

2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

當(dāng)前觀測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過列表或者其他視圖形式展示當(dāng)前時(shí)次單站單要素所有層次的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定值自動(dòng)判斷當(dāng)前墑情狀況（適宜、輕旱、重旱等），還可提出農(nóng)事操作建議（比如是否需要灌溉等）。針對(duì)過往歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)可從一天當(dāng)中選出典型時(shí)次（如正午12：00）的墑情數(shù)據(jù)，展示選中站點(diǎn)單層單要素最近1周或者1個(gè)月的數(shù)據(jù)走勢(shì)，用曲線或者時(shí)間軸列表形式顯示（圖3）。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

軟件可對(duì)選中站點(diǎn)單層單要素統(tǒng)計(jì)出最大值、最小值、平均值，以柱狀圖或其他形式進(jìn)行展示，統(tǒng)計(jì)時(shí)間跨度可以是1 d、1周、1旬等[5]。

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制主要包括農(nóng)業(yè)氣候極值、土壤濕度閾值、整點(diǎn)數(shù)據(jù)缺測(cè)、降幅異常值、恒值異常、文件格式檢查等內(nèi)容。質(zhì)量檢查后的結(jié)果可通過軟件進(jìn)行顯示和查詢，列出質(zhì)控異常站點(diǎn)和明細(xì)、臺(tái)站聯(lián)系人、聯(lián)系方式等（圖4）。

2.4 故障診斷

故障診斷是自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀故障分析問答知識(shí)庫(kù)[5]，主要包括典型故障表現(xiàn)形式、對(duì)故障原因的經(jīng)驗(yàn)判斷以及故障的處理建議。在故障分析頁(yè)面中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取常見設(shè)備故障類型知識(shí)庫(kù)并以列表形式進(jìn)行展示，給出具體操作指導(dǎo)意見和建議，設(shè)計(jì)的頁(yè)面展示框圖見圖5。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的全國(guó)自動(dòng)土壤水分運(yùn)行監(jiān)控APP實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)中自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的運(yùn)行監(jiān)控以及觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，為農(nóng)業(yè)氣象干旱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和站點(diǎn)設(shè)備高效運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。通過該軟件的開發(fā)積累了一定開發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了一批農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)化觀測(cè)技術(shù)人才。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 宋連春，李偉.綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展[J].氣象，2008，34（3）：3-9.

[2] 吳冬麗，梁海河，曹婷婷.中國(guó)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)[J].氣象科技，2014，42（2）：278-282.

[3] 吳冬麗，曹婷婷，薛紅喜.自動(dòng)土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法及其應(yīng)用[J].土壤科學(xué)，2016，4（1）：1-10.

[4] 韓帥，師春香，林泓錦，等.CLDAS土壤濕度業(yè)務(wù)產(chǎn)品的干旱監(jiān)測(cè)應(yīng)用[J].冰川凍土，2015，37（2）：446-453.

[5] 周旭輝，王黎明，王建波，等.FDR自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)定問題及解決方法[J].氣象科技，2016，44（4）：535-541.