全国自动土壤水分观测运行监控APP设计

曹婷婷++吴东丽++沈超++朱东红

摘要 基于安卓平台搭建了一套针对我国2 000多个气象观测站的自动土壤水分观测运行监控APP，软件采用伸缩性部署架构，内部通过数据交换总线进行数据交互，数据中间件通过HTTP API接口为APP提供数据服务。该软件能够实现自动土壤水分仪设备故障诊断、湿度数据产品统计、观测数据产品分析及站点管理等功能，可自动生成数据异常、设备故障的类型及其原因分析，并推送至农业气象员手中；软件建立了一套土壤水分数据质量控制算法、观测设备故障维修分析库等，实现了观测数据的统计分析，为农业气象干旱实时监测和站点设备高效运行提供了技术支撑。

关键词 农业干旱监测；土壤水分观测；运行监控；APP设计

中图分类号 S152.7；P412 文献标识码 A 文章编号 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

農业干旱是我国最主要的农业气象灾害，因农业干旱造成的经济损失远超过任何其他农业气象灾害。在全球气候变化背景下，近年来我国农业干旱发生更为频繁。干旱持续时间之长、影响地域之广为历史罕见，引起了中央和各级政府的高度关注，目前农业干旱已经成为我国农业持续稳定发展的严重障碍。而气象部门多年来采用人工监测干旱的频率和效率已远不能满足决策部门和公众对干旱监测的需求。

自动土壤水分观测站是为了在气候变化背景下提高农业干旱监测水平而建设，截至目前，我国气象观测自动土壤水分站已建设2 000多套，形成了较为有效的土壤水分监测网络[1-4]。随着手机应用的普及，越来越多的应用移动化需求浮出水面，传统的工作方式逐渐被移动化方式所取代。目前气象领域，无论是管理人员、业务人员还是基层观测人员，所涉及到的网络应用竞相向移动应用发展，智慧气象领域的APP应用雨后春笋般出现，这将全面提升气象自动监测效率和服务能力。而目前现有的土壤水分业务应用软件和监控软件大多是基于PC端开发，已无法满足观测人员对移动应用日益增长的需求。因此，在移动终端开发一套自动土壤水分观测仪设备运行监控APP，随时随地进行设备保障和贴身的土壤水分监测与预报服务，将会大大提高自动土壤水分观测仪的运行监控能力和保障时效。

1 总体设计

自动土壤水分观测仪设备运行监控APP在安卓平台上搭建，兼顾业务发展要求和发展态势，结合土壤水分监测业务的实际情况，建设技术领先、安全可靠、整合土壤水分自动监测基本业务和数据应用于一体的APP应用软件。APP以全国2 000多个自动土壤水分观测站数据为基础，提供实时监控、数据查询、统计、分析等功能，可自动生成数据异常和设备故障类型和原因分析，并推送到手机APP用户。

系统设计充分保证设计思想、系统架构、应用功能等方面适当超前定位，能够满足土壤水分监测业务未来几年发展的需要，具备较好的开放性与可扩充性，便于在现有的平台上拓展升级新的应用。

1.1 设计原则

（1）经济性。整个项目以现有需求为基础，充分考虑发展的需要来确定系统的规模，既要降低系统的初期投入，又能满足服务对象的需求，同时系统设计应充分考虑对已有投资的保护，对已建立的系统、数据、应用软件应提供完备的整合方案。

（2）先进性。采用先进成熟的技术，确保平台应用软件的先进性、经济性和实用性；同时，在满足现期功能的前提下，系统设计具有前瞻性，在今后较长时间内保持一定的技术先进性。

（3）安全性。软件采用的应用框架及平台本身提供应用安全保证，对于操作人员，只允许具有相应权限的人进行相应的操作，从而保证数据的安全性和保密性；另外，提供用户、角色、权限3级安全控制管理。

（4）开放性。软件系统对于各类业务系统、数据库系统等具有通用的或可定制的接口策略。

（5）可靠性。保证平台的可靠运行和在升级过程中的方便快捷。

（6）可扩展性。软件应分层模块化设计，可以根据需求的变化，进行功能的调整、增减、模块的升级和系统架构的完善；根据接口文档，能够快速方便地进行二次开发。

（7）可维护性。软件操作简单，实用性高，具有易操作、易维护的特点，具有专业的管理维护接口，方便系统维护。

1.2 系统网络架构

采用伸缩性部署架构，可根据以后发展将数据库服务器、数据中间件服务器分布式部署，内部通过数据交换总线进行数据交互，数据中间件通过HTTP API接口为APP提供数据服务（图1）。

1.3 系统技术架构

采用3层架构结合Restful API技术于一体，系统划分即数据层、业务逻辑层、应用层（表现层）。其中数据层体现为数据库、文件和其他格式的应用程序数据。业务逻辑层直接从数据层获取数据，并为应用表现层提供数据接口和相关服务。应用层（表现层）负责服务接口的调用和用户交互逻辑。

（1）数据层。数据层是数据库中实际存储的数据。数据层按照规范和标准，对数据资源进行标准化处理、交换以及管理。主要指土壤水分数据库（Soil Moisture），数据库平台采用SQL Server或者Oracle，数据访问方式采用JDBC。

（2）业务逻辑层。支持表现层所需的所有逻辑和处理，主要负责系统大部分的业务逻辑和数据处理，它从数据层获取数据，然后根据业务规则，将获取的数据进行封装、处理成JSON数据包提供给表现层。

（3）应用层（表现层）。在业务逻辑层的基础上，开发自动土壤水分观测系统手机APP，APP提供统一用户服务入口，依据用户权限提供信息查询和分析的功能。通过规范化流程、友好界面和方便性操作设计，为业务人员、设备保障人员和领导决策提供监测数据信息、设备状态信息、数据异常和故障报警等信息服务。

另外，系统可以提供API、数据库接口、文件等来实现与第三方的应用系统集成。

2 主要功能

自动土壤水分运行监控APP主要针对全国自动土壤水分观测设备进行运行监控，同时兼顾观测数据质量监控和观测产品支持服务的软件。其能实现自动土壤水分仪设备故障诊断、湿度数据产品统计、观测数据产品分析及站点管理等功能（图2）。用户主要是全国各级农业气象观测的运行监控和技术保障部门。

2.1 观测数据

当前观测实时数据通过列表或者其他视图形式展示当前时次单站单要素所有层次的土壤水分数据，并根据系统设定值自动判断当前墒情状况（适宜、轻旱、重旱等），还可提出农事操作建议（比如是否需要灌溉等）。针对过往历史观测数据可从一天当中选出典型时次（如正午12：00）的墒情数据，展示选中站点单层单要素最近1周或者1个月的数据走势，用曲线或者时间轴列表形式显示（图3）。

2.2 统计分析

软件可对选中站点单层单要素统计出最大值、最小值、平均值，以柱状图或其他形式进行展示，统计时间跨度可以是1 d、1周、1旬等[5]。

2.3 数据质量控制

数据质量控制主要包括农业气候极值、土壤湿度阈值、整点数据缺测、降幅异常值、恒值异常、文件格式检查等内容。质量检查后的结果可通过软件进行显示和查询，列出质控异常站点和明细、台站联系人、联系方式等（图4）。

2.4 故障诊断

故障诊断是自动土壤水分观测仪故障分析问答知识库[5]，主要包括典型故障表现形式、对故障原因的经验判断以及故障的处理建议。在故障分析页面中，系统会自动读取常见设备故障类型知识库并以列表形式進行展示，给出具体操作指导意见和建议，设计的页面展示框图见图5。

3 结语

本文所介绍的全国自动土壤水分运行监控APP实现了农业气象观测中自动土壤水分观测仪的运行监控以及观测数据的统计分析，为农业气象干旱实时监测和站点设备高效运行提供了技术支撑。通过该软件的开发积累了一定开发设计经验，培养了一批农业气象自动化观测技术人才。

4 参考文献

[1] 宋连春，李伟.综合气象观测系统的发展[J].气象，2008，34（3）：3-9.

[2] 吴冬丽，梁海河，曹婷婷.中国自动土壤水分观测网运行监控系统建设[J].气象科技，2014，42（2）：278-282.

[3] 吴冬丽，曹婷婷，薛红喜.自动土壤水分观测数据质量控制方法及其应用[J].土壤科学，2016，4（1）：1-10.

[4] 韩帅，师春香，林泓锦，等.CLDAS土壤湿度业务产品的干旱监测应用[J].冰川冻土，2015，37（2）：446-453.

[5] 周旭辉，王黎明，王建波，等.FDR自动土壤水分数据标定问题及解决方法[J].气象科技，2016，44（4）：535-541.