基于遠(yuǎn)程通信的農(nóng)田信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于遠(yuǎn)程通信的農(nóng)田信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理的應(yīng)用精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)是基于信息的農(nóng)業(yè)管理體系。農(nóng)田信息的快速采集和處理是實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)和前提條件。隨著傳感器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),3S等相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展,其在農(nóng)田信息采集及處理等方面得到了廣泛關(guān)注并取得良好的應(yīng)用效果。由于農(nóng)田信息復(fù)雜多樣,且隨時(shí)間不斷變化,分布范圍廣,因此將上述技術(shù)進(jìn)行融合并應(yīng)用于農(nóng)田信息管理領(lǐng)域?qū)⑹蔷?xì)農(nóng)業(yè)一個(gè)重要發(fā)展方向。移動式農(nóng)業(yè)信息智能服務(wù)系統(tǒng)通過農(nóng)田信息的實(shí)時(shí)采集、處理和可視化,從而縮短農(nóng)田數(shù)據(jù)采集和分析之間的時(shí)差,為農(nóng)戶提供及時(shí)的、全面的決策信息及技術(shù)支持。作為移動式農(nóng)業(yè)信息智能服務(wù)系統(tǒng)一個(gè)重要組成部分,遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)融合了遠(yuǎn)程無線通訊技術(shù)和GIS技術(shù)各自優(yōu)勢對農(nóng)田信息進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。本文按照軟件工程思想設(shè)計(jì)并熟悉實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。1系統(tǒng)的基本組成移動式農(nóng)業(yè)信息智能服務(wù)系統(tǒng)主要由基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式GIS系統(tǒng)(即無線移動終端PDA)和遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)3部分組成。移動式農(nóng)業(yè)信息智能服務(wù)系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示。移動式農(nóng)業(yè)信息智能服務(wù)系統(tǒng)利用基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取農(nóng)田信息,并將農(nóng)田信息經(jīng)過嵌入式GIS系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸給遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)。1.1z空間無線網(wǎng)絡(luò)zrt基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用于獲取農(nóng)田信息,是移動式農(nóng)業(yè)信息智能服務(wù)系統(tǒng)的農(nóng)田數(shù)據(jù)采集部分。現(xiàn)有農(nóng)田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用人工或預(yù)先布線的有線采集方式,難以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和有效性,并受地理位置、物理線路和復(fù)雜環(huán)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(xié)議,具有低功耗、組網(wǎng)簡單靈活、短距離、低成本等特點(diǎn)。基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)非常適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。因此移動式農(nóng)業(yè)信息智能服務(wù)系統(tǒng)利用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集土壤水分、電導(dǎo)率、溫度以及環(huán)境濕度等農(nóng)田數(shù)據(jù)。1.2pda數(shù)據(jù)通信PDA在移動式農(nóng)業(yè)信息智能服務(wù)系統(tǒng)中起到信息傳遞橋梁的作用,即接收無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的農(nóng)田數(shù)據(jù),并將其傳送給遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)。由于農(nóng)田信息采集終端具有移動性和不確定性等特點(diǎn),PDA與傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程農(nóng)田信息處理系統(tǒng)之間采用基于GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在PDA中能夠?qū)r(nóng)田的位置信息和屬性信息進(jìn)行正確性驗(yàn)證以保證農(nóng)田數(shù)據(jù)正確及完整。同時(shí)還對農(nóng)田數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)存儲。1.3農(nóng)田管理決策遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息管理的核心。負(fù)責(zé)接收來自PDA的實(shí)時(shí)農(nóng)田信息,并對其進(jìn)行可視化表達(dá)、分析,根據(jù)相應(yīng)的控制模型進(jìn)行農(nóng)田管理決策,從而實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田信息的遠(yuǎn)程管理。2遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)信息2.1遠(yuǎn)程農(nóng)田管理系統(tǒng)組成遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)是移動式農(nóng)業(yè)信息智能服務(wù)系統(tǒng)的重要部分,是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息管理的核心,為整個(gè)系統(tǒng)提供決策支持。遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)主要完成與嵌入式GIS系統(tǒng)(PDA)的實(shí)時(shí)無線通訊,接收來自PDA的農(nóng)田信息(位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)),并將其存放于農(nóng)田信息數(shù)據(jù)庫中;對農(nóng)田信息進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理和分析;根據(jù)結(jié)果給出相應(yīng)的決策。遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)的輸入主要由基礎(chǔ)地圖、采樣點(diǎn)分布圖和屬性數(shù)據(jù)3部分組成。1)基礎(chǔ)地圖。主要包括農(nóng)田地圖和農(nóng)場設(shè)施分布地圖,是PDA事先采集農(nóng)場和農(nóng)場設(shè)施位置信息,以.tab文件格式存放,作為遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)中地圖處理的基礎(chǔ)。2)采樣點(diǎn)分布圖。最初由遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)生成,并作為PDA布置采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)。PDA實(shí)際放置采樣點(diǎn)后,將返回最新采樣點(diǎn)放置位置,并更新遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)中的采樣點(diǎn)分布圖。3)屬性數(shù)據(jù)。由PDA實(shí)時(shí)傳輸給遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)。遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)的輸出主要為采樣點(diǎn)分布圖、各種田間數(shù)據(jù)分布圖以及土壤水分處方圖。遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如圖2所示。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。通過需求分析,可以確定遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)的功能主要有地圖管理、PDA管理、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理等四大模塊。其中地圖管理主要完成對地圖數(shù)據(jù)的管理,是遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)工作的基礎(chǔ);PDA管理主要對農(nóng)田移動終端(PDA)進(jìn)行注冊、刪除和狀態(tài)查詢等管理;數(shù)據(jù)管理模塊是遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)的核心,主要包括:采樣點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)管理、采樣點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)傳輸3部分。系統(tǒng)管理模塊主要為遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)的日常使用提供支持和幫助,主要包括對系統(tǒng)用戶管理和幫助系統(tǒng)兩大部分。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括農(nóng)田信息數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件接口設(shè)計(jì)兩大部分。2.2.1要提出析和處理實(shí)遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)從PDA接收的農(nóng)田信息將保存在農(nóng)田信息數(shù)據(jù)庫中,是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和處理的重要基礎(chǔ)。根據(jù)系統(tǒng)的需求分析,確定農(nóng)田信息數(shù)據(jù)庫中主要的表有:農(nóng)場基本信息表、農(nóng)場設(shè)施信息表、地塊基本信息表、網(wǎng)格表、傳感器表、PDA基本信息表、采樣點(diǎn)基本信息表、采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)表、土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)表、土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)表、土壤溫度數(shù)據(jù)表和環(huán)境濕度數(shù)據(jù)表。2.2.2pda與遠(yuǎn)程農(nóng)田信息系統(tǒng)間的通信為保證系統(tǒng)能夠有效工作,系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)也極為關(guān)鍵。遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)的接口包括用戶界面設(shè)計(jì)以及與其他系統(tǒng)間的軟件接口。1)用戶界面設(shè)計(jì)。根據(jù)用戶界面設(shè)計(jì)基本原則以及遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)的特點(diǎn),主要針對界面的對話、數(shù)據(jù)輸入、顯示和控制等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。力求用戶界面簡潔,符合用戶操作規(guī)范。2)軟件接口設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件接口設(shè)計(jì)主要是針對遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)與嵌入式GIS系統(tǒng)(PDA)之間的網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性,采用提供可靠服務(wù)、面向連接的TCP協(xié)議進(jìn)行農(nóng)田信息的遠(yuǎn)程傳輸。PDA和遠(yuǎn)程主機(jī)采用同步通信,且規(guī)定遠(yuǎn)程主機(jī)在某一時(shí)刻僅與某一PDA進(jìn)行通信,因此采用同步的流socket編程實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)需求分析,PDA需要將農(nóng)田信息實(shí)時(shí)傳輸給遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng),兩者之間偶爾涉及控制命令。因此主要包括數(shù)據(jù)型消息和命令型消息。數(shù)據(jù)型消息指農(nóng)田信息,主要為農(nóng)田的位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量較大;命令型消息為簡單的系統(tǒng)命令,如:請求數(shù)據(jù)傳輸、結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。由于PDA與遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)之間的通信功能單一,且傳輸數(shù)據(jù)量較大,傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單,宜采用ASCII字符串進(jìn)行傳輸。其中:1)對于命令型消息,直接以消息類型開始,數(shù)據(jù)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(shù)不固定;數(shù)據(jù)型消息由兩個(gè)大寫英文字符成。3)數(shù)據(jù)型消息中各數(shù)據(jù)域均以逗號隔開。命令型消息包括PDA和遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)間發(fā)送的雙向消息。消息類型如表1所示。數(shù)據(jù)型消息也是雙向的,消息類型如表2所示。2.3遠(yuǎn)程農(nóng)田管理信息系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)采用VisualStudio2008中的MicrosoftVisualC#2008開發(fā)。VisualStudio是目前最流行的Windows平臺應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境。C#作為一種現(xiàn)代的面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)語言,能夠幫助程序員在.NET平臺上快速開發(fā)種類豐富的應(yīng)用程序。圖4為遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)用戶界面。遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)作為服務(wù)器,PDA為客戶端,PDA通過GPRS與遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)進(jìn)行通信時(shí),首先向遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)請求連接,遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)監(jiān)聽到PDA的請求后,返回信息,PDA確認(rèn)信息后與遠(yuǎn)程信息管理系統(tǒng)建立連接,開始向遠(yuǎn)程信息管理系統(tǒng)傳輸信息。在遠(yuǎn)程主機(jī)服務(wù)端定義一個(gè)TcpListener類的對象,用IP地址和端口號初始化服務(wù)器,PDA客戶端定義一個(gè)TcpClient類對象,然后雙方進(jìn)行連接的請求和信息的傳輸?shù)炔僮鳌?遠(yuǎn)程農(nóng)田信息系統(tǒng)本文基于遠(yuǎn)程通訊和GIS技術(shù)開發(fā)了遠(yuǎn)程農(nóng)田信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過GPR