基于GPS、EDGE和LabVIEW的农田信息远程采集监测系统研究

赵华民,张淑娟,王凤花,张海红,张若晨

(山西农业大学工程技术学院,山西太谷 030801)

基于GPS、EDGE和LabVIEW的农田信息远程采集监测系统研究

赵华民,张淑娟,王凤花,张海红,张若晨

(山西农业大学工程技术学院,山西太谷 030801)

为了高效实时地采集农田信息,实现农业生产的精细管理,设计出一种基于GPS、EDGE和LabVIEW技术的农田信息远程采集与监测系统。该系统采用自行设计的基于单片机、GPS和传感器技术的多参数农田信息采集仪,实现对土壤含水量、土壤温度、土壤电导率、环境温湿度等农田信息的快速定位测量。通过EDGE模块,利用移动EGPRS技术覆盖面广、传输速度快、资费低等特点,将测量所得数据快速实时传送至上位机。该系统的上位机系统把EDGE模块接收的数据存入数据库,并对其进行分析。该系统通过应用多功能信息采集设备和高速网络传输技术,实现对农田信息的实时、高效、精确和低成本采集,对精细农业作业决策具有广泛的应用价值。

GPS;EDGE;LabVIEW;农田信息;远程采集;监测

精细农业是基于信息和知识支持的现代农业,本质是一种以知识为基础的农业管理系统。其核心是动态、实时地获取农田小区土壤和农作物的信息,诊断作物长势和产量时空差异的原因,并对小区进行准确的灌溉、施肥、喷药,最大限度地提高水、肥和药物的利用效率,增加产量,减少环境污染,获得最佳的经济效益和生态效益[1]。精细农业开展的基础是要获取大量的农田信息,包括农田土壤信息和环境信息等。近年来随着计算机技术、传感器技术、GPS技术、无线通讯技术等现代信息技术的发展,国内外很多专家开始研究将这些技术应用到精细农业中,如Reimar Carlesso等研究了应用气象站网络为精细作物灌溉提供信息支持[2]。Wang Xuefeng等研究了基于3S作物品质监控,精细施肥和灌溉系统[3]。Liu Shihong等基于GPRS研究了农产品追溯系统[4]。还有各种基于远程通讯技术的精细农业管理系统也在研究和使用中[5,6]。

在各种远程无线通讯技术中,国内外采用最为广泛的是GPRS技术。近年来,随着移动通讯技术的发展,GPRS技术也在不断升级,EDGE(Enhanced Data Rate for GSM Evolution)网络的发展,为GPRS无线传输开辟了新的天地,国内外关于这种传输技术的研究,充分论证其传输方面比一般GPRS传输更具优势[7]。EDGE是增强型数据速率GSM演进技术,采用了一种新的调制方法,即最先进的多时隙操作和8PSK调制技术,能够充分利用现有的GSM资源。8PSK可将现有GSM网络采用的GMSK调制技术的信号空间从2扩展到8,从而使每个符号所包含的信息是原来的 4倍。它的最高速率可达384 kbit◦s-1,是现在通用的GPRS模块传输速率的3倍[8]。现阶段,中国大部分地区已经实现了覆盖EDGE网络,即使在没有EDGE网络覆盖的地方,也可以通过自动转换到普通GPRS网络,实现数据的无中断快速传输。并且使用EDGE网络在提高传输速率的前提下资费跟普通GPRS传输相同,可以实现数据的实时快速低费用传输。

本文基于精细农业田间信息采集与传输的需要,考虑到现阶段各种信息采集系统的不足,利用EDGE网络的优越性,设计了基于GPS、EDGE和LabVIEW的农田信息远程采集与监测系统。

1 系统的总体设计

该系统由上位机与下位机两部分构成。下位机为基于单片机技术、GPS定位技术、传感器技术设计开发的一套便携式多参数农田信息采集仪,该采集仪内置有GPS-OEM板,可实现土壤含水量、土壤紧实度、土壤温度等多项农田信息的快速定位集成测量。农田信息采集仪跟EDGE模块采用RS-232接口连接,可实现农田信息的快速无线传输至上位机。上位机是基于LabVIEW8.2软件为开发工具开发的一套农田信息采集与处理平台[9]。该上位机平台运行在远端的PC机上,能够从数据库中读取从EDGE模块传过来的农田信息,远端的监控人员根据采集来的数据的分析和处理结果做出决策,实行远程监测。系统总体设计示意图见图1。

2 EDGE通讯模块设计

采用上海Simcom(希姆通)公司的SIM600 EDGE modem作为系统通信模块,该EDGE modem使用标准DB9(RS232标准9针)通信接口,同时具有850 MHz/900 MHz/1 800 MHz/1 900 MHz四个频段,内置 TCP/IP协议栈,可支持236.8kbps的上网下载速度,还支持语音、短信、上网、数据传输等功能。

图1 农田信息采集与处理系统总体设计Fig.1 Overall design of the field information collection system

EDGE无线模块通过RS-232接口与多参数信息采集仪通信,采集仪通过使用AT命令与上位机建立TCP/IP连接。硬件连接完成后,在EDGE接入网络操作之前,先要对EDGE模块进行一定的设置,如通信波特率、接入网关、设置移动终端的类别等,然后便可以通过AT命令来完成需要的功能。使用的硬件初始化指令如表1所示[10,11]。

系统采用PDU短信模式发送数据,其格式[13,14]见表2。

每条短信最多能传送140字节的数据,由采集仪采集的数据格式一般为A16.0(A代表土壤体积含水量,16.0代表16%),所以一条短信就可以把一条数据传送到上位机,无需分多条发送。

表1 常用EDGE模块硬件初始化AT命令Table 1 Initialization AT command of the EDGE module

表2 PDU短信数据格式Table 2 PDU SMS data format

3 数据库管理模块的设计

从EDGE无线传输模块传过来的数据经过判断程序后存入数据库。首先在上位机的PC指定目录下建立一个ACCESS数据库Mydb.mdb,然后设置一个与此数据库链接的数据源 ,LabSQL便可对数据库Mydb.mdb直接进行操作[15,16]。

3.1 数据库设计

本系统中,数据库管理程序的主要功能包括数据实时存入数据库和数据库管理,采用同一个数据库中多表存储的方式。该系统可以接收GPS定位信息、土壤含水量、土壤压实度等土壤属性信息及环境温湿度信息,不同测量信息有不同的处理模块,不同测量项目需要保存的字段数目和类型也不同,所以本设计预先在数据库中添加数据表和字段。MyDB.mdb数据库中的数据表与字段名及字段类型统计见表3。

表3 数据库中的数据表与字段名及字段类型Table 3 Datasheet,field names and field types of database

在实际应用中,用户可以预先设定地块名(Field)和采样点(Sample)这两个参数。下面从数据库存储与管理两方面进行分析。

3.2 数据库存储子模块

系统根据不同测量项目分别设计了土壤水分、土壤压实度、土壤温度、土壤pH值、土壤电导率、环境温度、环境湿度、露点温度、GPS定位信息及采集时间共10个数据库存储子模块。这10个子模块分别对应在主程序实时显示区的每个子测量项目上的保存按钮。由无线传输接收到的数据先存储到一个总的数据表中,当确定某一测量项目时,切换到该选项卡,从总数据表中接收该项数据,点击保存按钮,就会将数据保存在相应的数据库里,实现测量数据的数据库管理。由有线传输传过来的数据则直接选择不同的选项卡存入指定数据表。以GPS信息接受为例,当数据进行接收时,按下坐标转换按钮,同时按下“保存I”按钮时,调用GPS信号数据库存储子程序就可将GPS经纬度数据与转换结果保存在相应的数据库中。GPS信号子程序的前面板如图2所示。

图2 GPS信号接收子程序前面板Fig.2 Front panel of GPS signal receiving subVI

3.3 数据库管理子模块

数据存入数据库后,就可以进行下一步的数据管理和分析,当按下“连接数据库”按钮时就可以弹出农田信息数据库管理模块前面板,主程序界面如图3。用户可根据自己的需要进行农田信息数据库管理。在管理子模块中可以实现表格创建、数据库查询和数据删除等功能。

图3 农田信息数据库管理模块运行界面Fig.3 Front panel of database management module

4 系统运行分析

为了验证系统运行的状况,需要对各模块进行测试。2009年3月26日,在山西农业大学校内,对各模块运行情况进行了测试。经反复试验表明该农田信息实时监测系统性能可靠,可以实时地监测多项农田信息,并实现测量数据的实时显示、保存、处理与数据库管理。

5 结论与讨论

本系统基于EDGE无线通信模块与Lab-VIEW软件设计开发的一套农田信息远程通讯系统,该系统可以实现多项农田信息的远程接收、图形化显示、保存查看、数据分析处理及数据库管理等功能,并在分析EDGE模块数据发送与接收原理的基础上设计了数据传输模块,实现了对各项农田信息的发送和接收。在分析农田信息远程通讯的特点的基础上,基于 LabSQL数据库访问工具包设计了农田信息数据库管理模块,实现了多项农田信息数据的数据库存储、查询和删除功能。

现阶段,市面上可见到的各种基于GPRS技术的农田信息采集系统,但都是基于普通的GPRS,传输速度不及新的EDGE技术迅速,其系统在移动便携性方面还存在一定的不足。另外,目前市场上所见的各种信息采集议大多只能采集一项或几项指标,不能全面的采集土壤和空气的指标。本文正是基于以上的各种缺陷设计了这套农田信息采集系统。

本系统中上位机的存储与下位机采集数据在开始的时候不同步,因此采集到的数据有时在数据库中会出现0显示,当运行平稳后就不会再出现0值。本系统在不影响总体结果的前提下将会用SQL语句查找出错误的数据,然后删除掉。

通过系统测试,证明了该农田信息远程采集与监测系统满足了精细农业生产实践过程中对于数据采集时效的要求,为农田管理提供了便利,同时又节省了大量的人力和物力,具有广阔的应用前景。

[1]汪懋华.“精细农业”发展与工程技术创新[J].农业工程学报,1999,15(1):1-8.

[2]Reimar Carlesso,Mirta Tersinha,Petry Celio Trois.The use of a meteorological station network to provide crop water requirement information for irrigation management[M].//Computer and computing T echnologies in AgricultureⅡ2008(1).New York,USA.Springer Science,2008:19-27.

[3]Wang Xuefeng,Pan Yuchun,Liu Qi.Study of 3S integ rated system for Crop Quality monitoring&optimized Fertilization and irrigation based on com[M].//Zhao Chunjiang.Progress of information Technology in Agriculture.Beijing:China Agriculture Press,Oct.22-24,2003:401-403.

[4]Liu Shihong,Meng Hong,Zheng Huoguo,et.al Study and Development of mobile Tracing Terminal Based on GPRS for Ag ricultural Products Quality T racking[M].//Li Daoliang Cbunjiang Zbao.Computer and computing T echnologies in Ag ricultureⅡVolume1 2008(1).New York,USA.Springer Science,2008:335-343.

[5]Meng Zhijun,Zhao Chunjiang,Wang Xiu,et.al Development of filed information collection system based on pocket PC for Precision Agriculture[M].//Zhao Chunjiang.Prog ress of information Technology in Agriculture.Beijing:China Ag riculture Press,Oct.22-24,2003:316-320.

[6]黄明,彭苏萍,张丽娟,等.GIS、SMS/GP RS的环境监测系统设计与实现[J].哈尔滨工程大学学报,2008 29(7):749-754.

[7]M e rivero-angeles.Random-Access Control Mechanisms Using Adaptive Traffic Load in ALOHA and CSMA Strategies for EDGE[J].IEEE transactions on vehicular technology,2005,54:1160-1186.

[8]EDGE爱立信亚太研究所.爱立信EDGE原理[J].科学与技术,2005(6):80-81.

[9]孙鹤林,吕元龙,田跃军.基于GPRS与虚拟仪器的远程电能质量监测系统[J].继电器,2008,35(1):59-61.

[10]孙忠富,曹洪太.基于GPRS和WEB的温室环境信息采集系统的实现[J].农业工程学报,2006,22(6):131-134.

[11]陈海明.基于A RM与GP RS的远距离无线监控系统[J].计算机与网络,2008(25):183-184.

[13]赵继春,于峰,栾汝朋,等.基于GPRS智能温室环境监控系统的设计[J].农机化研究,2008(5):95-98.

[14]王宏民.基于GP RS的烟尘排放远程监测终端设计[J].东北林业大学学报,2008,36(6):92-93.

[15]刘翔宇,陈曾汉.利用LabSQL实现对远程数据库的访问[J].测控技术,2008,27(6):68-72.

[16]沈媛,李宏坤,王奉涛.基于LabSQL访问数据库技术的优化实现与应用[J].仪器仪表用户,2008(1):64-66.

Study on the Field Information Remote Collection System Based on GPS,EDGE and LabVIEW Technology

ZHAO Hua-min,ZHANGShu-juan,WANG Feng-hua,ZHANG Hai-hong,ZHANGRuo-chen
(College of Engineering and Technology,Shanxi Agricultural University,TaiguShanxi 030801,China)

In order to collect field information efficiently and achieve precision management of agriculture production,a system was designed,which could remotely collect and monitor the field information based on GPS,EDGE and the software of LabVIEW technology.The field information included moisture content,temperature and conductivity of soil fastly,and temperature and humidity of environment.These information have been measured and positioned by using a self-designed multi-parameter field information collection instrument based on the single-chip,GPS and sensor technology.Using the characteristics of wide coverage,fast transmission,low cost of EDGE technology,measured data were transmitted to PC in real-time through the EDGE module.Measured data were transmitted into database by EDGE module and was stored and analyzed.The system using multi-functional information collection instrument and high-speed transmission technology have achieved collection for field information in real-time,efficient,accurate and low-cost,and has a wide range of applications in precision agriculture decision-making.

GPS;EDGE;LabVIEW;Field Information;Remote collection;Monitoring

S24

A

1671-8151(2010)01-0041-05

2009-11-20

2010-01-19

赵华民(1986-),男(汉),山东潍坊人,硕士研究生,主要从事数字农业技术与装备的研究。

张淑娟,教授,博士生导师。Tel:0354- 6288091;E-mail:zsujuan@263.net

山西省科技攻关项目(2007031109-2)

(编辑:武英耀)