農(nóng)田土壤墑情遠程監(jiān)測及預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

鄧永卓（天津市農(nóng)業(yè)技術推廣站，天津　300061）

農(nóng)田土壤墑情遠程監(jiān)測及預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

鄧永卓（天津市農(nóng)業(yè)技術推廣站，天津300061）

介紹了土壤墑情的概念和監(jiān)測的必要性，提出通過物聯(lián)網(wǎng)手段建設農(nóng)田土壤墑情遠程監(jiān)測及預警系統(tǒng)并對其進行了設計。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)應用層及客戶界面層。通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)農(nóng)田土壤墑情遠程采集、評價、監(jiān)控預警及灌溉決策等功能。

土壤墑情；監(jiān)測預警；系統(tǒng)設計

干旱一直是妨礙農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要因素。實踐證明，農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水1/2以上的潛力是在管理上。在作物增產(chǎn)灌溉和適時適量節(jié)水技術應用與研究中，做好土壤墑情監(jiān)測并與作物需水量結合是精確管理田間用水量最直接的辦法。土壤水分的監(jiān)測和預報對于研究土壤水分運動、作物水分狀況以及灌溉制度都具有重要意義，是農(nóng)業(yè)用水管理和災害預警服務的重要研究領域。近年來，農(nóng)業(yè)信息技術特別是物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)上得到了長足的應用，傳感器、傳輸網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)存儲和處理等技術的進步和應用成本的下降極大地促進了土壤墑情監(jiān)測及預警技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應用。

1　土壤墑情

農(nóng)作物根系分布層土壤水的分布狀態(tài)稱為土壤墑情，其在作物產(chǎn)量的形成過程中起著決定性的作用，并隨時間的變化而改變，所以需要對其進行實時的或者經(jīng)常性的監(jiān)測。土壤水分的變化與土壤特性、降水、灌溉、蒸發(fā)、土水勢等因素都有關系，并且其動態(tài)變化是一個復雜的系統(tǒng)問題，可通過合適的模型進行預測。墑情預報模型可以分為確定性模型與隨機性模型兩大類：其中確定性模型包括水量平衡模型、土壤-植物-大氣連續(xù)體（SPAC）水分傳輸模型等：隨機性模型包括數(shù)理統(tǒng)計模型、隨機水量平衡模型等。

2　系統(tǒng)總體設計

土壤墑情遠程監(jiān)測及預警系統(tǒng)可分為4個部分，分別是墑情采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和人機交互模塊。物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集到土壤溫度、濕度等墑情數(shù)據(jù)以及實時氣象數(shù)據(jù)后，通過Zigbee/藍牙/Wifi/GPRS/3G/4G技術實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內或者不同監(jiān)測區(qū)域間與智能終端、服務器之間數(shù)據(jù)的傳輸。服務器則對接收到的數(shù)據(jù)進行加工、存儲、查詢和分析。在應用終端，采用B/S、C/S或者APP等形式，結合GIS技術將數(shù)據(jù)或者決策結論以不同形態(tài)展示給用戶。

2.1土壤墑情數(shù)據(jù)采集模塊

農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)采集模塊是利用土壤溫、濕度傳感器對不同深度的土壤溫度和濕度等數(shù)據(jù)進行采集。具體來說主要是傳感器通過頻域反射原理（TDR）發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，到達底部后返回，IC電路通過檢測探頭輸出的電壓（土壤介電常數(shù)的變化通常取決于土壤的含水量）即可計算出土壤的含水量，同時利用GPS裝置對監(jiān)測點經(jīng)度、緯度等地理信息數(shù)據(jù)進行記錄。數(shù)據(jù)采集可以使用固定式監(jiān)測站或便攜式移動檢測儀進行。

監(jiān)測區(qū)土壤墑情監(jiān)測點設置主要考慮要素包括行政區(qū)劃、地形地貌、土壤質地、土壤物理特性、水文地質條件、地下水位高度、灌溉條件、作物種植的種類及范圍、種植習慣等。監(jiān)測點布設根據(jù)氣候、地形地貌、土壤類型劃分土壤墑情監(jiān)測類型區(qū)，分別在不同類型區(qū)選擇種植模式一致的連片、有代表性的田塊設立土壤墑情監(jiān)測點，每個類型區(qū)監(jiān)測點不少于3個，每個監(jiān)測點面積不小于2 000 m2。監(jiān)測點應設立保護標志，并保持長期穩(wěn)定。傳感器可根據(jù)監(jiān)測需要，調整埋入土中的深度和層數(shù)。監(jiān)測點最好采用太陽能供電模塊，這樣可省去大量布線和后期田間電源維護工作。

2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

墑情數(shù)據(jù)的傳輸近距離可以采用Zigbee/藍牙/Wifi等無線傳輸方式。ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，可以方便嵌入各種設備。藍牙（Bluetooth）是一個標準的無線通訊協(xié)議，具有芯片成本低、功耗低等優(yōu)點，但傳輸距離近，范圍取決于功率和類別。Wifi相對于前兩者來說具有更好的穩(wěn)定性和傳輸距離，但是價格和功耗都要高一些。

要實現(xiàn)不同監(jiān)測區(qū)域間或者與服務器、智能終端之間數(shù)據(jù)的遠距離傳送就需要采用GPRS/3G/4G技術。上述技術具有覆蓋范圍廣、傳輸距離不受限制、網(wǎng)絡穩(wěn)定、接入迅速等優(yōu)點，可以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的長距離穩(wěn)定傳輸，同時目前移動通訊網(wǎng)絡模塊價格也很低廉，具有很好的實用性和可操作性。無線傳輸可擺脫農(nóng)田中布線的困擾。

2.3數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊采用SQLServer2012建立關系型數(shù)據(jù)庫，具體數(shù)據(jù)庫表、結構、字段、標識符等設計可根據(jù)相關標準進行。一般應包括監(jiān)測站基本信息表、設備配置信息表、含水量監(jiān)測信息表和輔助監(jiān)測信息表等。該模塊將接收到的各類數(shù)據(jù)進行整理并存儲，備后續(xù)查詢、分析和調用。墑情預報可在模型的基礎上對農(nóng)田耕作層土壤水分的增長和消退程度進行預報，并將數(shù)據(jù)轉化為圖表和GIS圖像的形式展示給用戶，使用者可方便明了地了解土壤墑情的變化范圍和趨勢，并可結合相應模型關系做出灌溉決策。

2.4應用交互模塊

應用交互模塊是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現(xiàn)信息的內部形式與用戶可以接受形式之間的轉換和傳遞，必須要做到易懂、簡單、實用。在應用終端（主要包括臺式電腦、農(nóng)業(yè)服務觸摸屏一體機、智能手機等）采用B/S、C/S或者APP形式，結合GIS技術將數(shù)據(jù)或決策結論以不同形式展示給用戶，使用戶可以及時、快速、動態(tài)地獲取監(jiān)測區(qū)內的土壤墑情等信息，并對農(nóng)田灌溉進行有效的評價和適當?shù)臎Q策。

圖1　應用系統(tǒng)結構圖

3　結論

目前，物聯(lián)網(wǎng)等信息技術在農(nóng)業(yè)上得到了廣泛應用，通過建立土壤墑情監(jiān)測站，開發(fā)土壤墑情監(jiān)測預警系統(tǒng)并研究相關配套灌溉標準和模型，科學指導適時適量灌溉，可顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和用水效率。筆者介紹了應用物聯(lián)網(wǎng)、無線數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫、模型和3S等技術進行農(nóng)田土壤墑情遠程監(jiān)測及預警的方法，并在實際生產(chǎn)中進行了大面積的應用。通過監(jiān)測、傳輸、處理和應用，對土壤墑情進行實時監(jiān)測并對用戶提出輔助決策，從而顯著提升水資源配置與利用效率。

［1］鄧永卓，李潔.加快物聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)建設 促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展［J］.蔬菜，2013（12）：1-2.

［2］鄧永卓.物聯(lián)網(wǎng)技術在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用［J］.基層農(nóng)技推廣，2014（8）：61-63.

［3］鄧永卓.農(nóng)業(yè)定制手機終端的服務和發(fā)展模式探討［J］.基層農(nóng)技推廣，2014（2）：18-20.

S152.7

A

1002-0659（2015）06-0010-02

2015-09-24

天津市農(nóng)業(yè)科技成果轉化與推廣項目“農(nóng)田土壤墑情遠程監(jiān)測及預警技術的引進與示范”（201303060）

鄧永卓（1981-），男，高級農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術推廣應用方面的工作。E-mail：dengyongzhuo@gmail.com