物聯網技術在土壤墑情測報中的應用

鄧永卓，楊靖峰，王姝逸，祁　欣（天津市農業技術推廣站，天津　300061）

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物聯網技術在土壤墑情測報中的應用

鄧永卓，楊靖峰，王姝逸，祁欣
（天津市農業技術推廣站，天津300061）

摘要：論述了物聯網技術在土壤墑情測報中的應用，詳細介紹了物聯網墑情監測的關鍵技術、土壤墑情測報模型技術以及物聯網交互服務終端的開發運用。通過物聯網技術的應用使土壤墑情測報工作顯著提升了測報速度和質量。

關鍵詞：物聯網；墑情測報

物聯網近年來發展迅猛，對社會經濟發展產生著戰略性和全局性的影響。如智能交通、智能電網、智能物流、智能醫療、智能家居等應用涉及整個社會生活，發展物聯網技術具有重大的現實意義。特別是隨著大數據、云計算、互聯網+等基于物聯網的新概念、新應用的不斷出現以及相關裝備的迅速普及，物聯網在農業中的應用也逐步拓展。精準農業、智能農業、智慧農業等詞匯的內涵在不斷發展，最典型的就是物聯網技術對于水肥控制的應用。我們都知道干旱一直是限制農業生產的重要因素,搞好土壤水分的監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,是農業用水管理和災害預警服務的重要研究領域。而傳統測報方法具有費工、費時等諸多問題,通過物聯網技術的應用可極大地提高土壤墑情測報工作的速度和質量。

1　物聯網墑情監測關鍵技術

農業物聯網主要是指通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統、二維碼等基礎信息感知設備,按約定的協議連接起來,通過有線或無線網絡進行信息交換和通信，以實現農業投入品、生產過程或產品的智能化識別、數據采集、智能控制、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網是互聯網業務和應用的拓展，在土壤墑情監測及預警技術中主要應用到了以下關鍵技術：

1.1水分傳感器

感知是物聯網的基礎,水分傳感器就是用來感知土壤容積含水量的儀器，目前常用到的傳感器有FDR型和TDR型等。FDR（Frequency Domain Reflectometry）頻域反射型是利用電磁脈沖原理，由一對電極組成一個電容，其間的土壤充當電介質，電容和振蕩器組成一個調諧電路，FDR探頭的阻抗依賴于土壤介質的介電常數。根據電磁波在土壤中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數（ε），進而得出土壤容積含水量（θv）。它具有測量自動、快速，體積小、量程寬等特點，使用比較廣泛。TDR（Time Domain Reflectometer）時域反射型是通過測定電磁波沿插入土壤的探針傳播時間（Δt）來測定土壤的介電常數（Ka）進而計算出土壤容積含水量（θv），TDR具有快速、便捷、連續等特點。

1.2自動氣象采集系統

農業生產受旱與否受多方面因素影響，通過土壤水分傳感器測量土壤容積含水量是墑情測定的一個重要方面，同時還需測定諸多其他氣象因素，如氣壓、 溫度、濕度、風向、風速、雨量、光照等。這些要素的傳統采集方法主要是通過氣象觀測站來獲取。而隨著物聯網技術的發展，這些野外作業一般可以通過物聯網自動氣象站來完成。物聯網自動氣象站是按照一定的要求設定的一種能自動觀測和存儲氣象數據的遠端采集設備，它主要是由各種傳感器、轉換器、通訊模塊、移動嵌入式系統、電源等組成。設備根據氣象要素的變化,相關感應原件會隨動，再通過I/O轉換，把工程量轉換成要素值。由于光電轉換技術的發展和成本的降低，在野外的能源持續性供應已經變的相對容易，氣象站可以自動長期穩定的開展觀測，并可以通過增加傳感器實現觀測項目的拓展。

1.3RFID/WIFI/4G等無線傳輸技術

墑情監測一般在田間,大多采用無線傳輸手段。無線傳輸技術雖然呈多元化發展態勢,不過物聯網設備上的無線傳輸技術,大部分仍類似于移動無線設備上的技術,包括藍牙、近場通訊、移動蜂窩技術等。近距無線傳輸一般使用RFID、WLAN、ZigBee、藍牙、WMN、NFC等傳輸技術，低成本、低功耗、對等通訊是它們的特點。中遠距離無線傳輸一般依托GPRS/3G/4G等成熟無線通訊網絡進行,它具有投入少、費用合理、不受距離限制等特點。這些技術綜合比較因其對傳輸速率、傳輸范圍、功耗等的要求都是有比較大的差別，因此它們又有各自不同的物聯網應用場景。

2　土壤墑情測報模型技術

通過物聯網傳感器采集到大量的氣象及墑情數據,傳輸到數據服務器后,如何運用好這些數據為下一步的灌溉管理提出指導就必須依賴于土壤墑情測報模型來完成。目前,土壤墑情預報模型主要包括四種類型即系統模型、概念模型、機理模型、土壤植物大氣連續體模型（SPAC）。系統模型主要是應用數學統計的方法來建立模型,它不考察土壤水分動態變化的機理,而是分析土壤水分變化和其主要影響因素之間的關系。概念模型反映了作物根系層水分變化和水分收、支之間的關系，看重的是土壤水量動態平衡。其中,收入項包括降水和灌溉,消耗項包括蒸發、地面徑流和滲漏等。機理模型主要是指土壤動力學模型。SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continuum）模型可采用大葉模式提出土壤—植物—大氣的冠層濕溫方程，并構造耦合迭代求解。近年來神經網絡因具有自學習、自適應、自組織和適宜的魯棒性與容錯性，很適合土壤墑情預測的非線性映射與決策,因此也得到廣泛的應用。

3　物聯網交互服務終端

物聯網交互終端是物聯網中連接網絡層、傳輸層和應用層的重要工具,它擔負著數據采集、初步處理、加密、傳輸和呈現等多種功能。在實際應用中它是直接面對用戶，因此必須要重視對它的開發與建設。目前常用的終端分為兩種，即特用終端和通用終端兩類。特用終端出于成本、功能等的考慮，一般不能擴展，僅滿足單一應用，但成本低廉，易開發、功耗低，系統穩定，簡單易用。通用智能終端通常具有行業應用的通用性，外部接口多,具有如RS232、RS422、RS485、USB等通用接口，還可通過拓展模塊對接口進行數量拓展，可自動識別傳感器，甚至內置GPS模塊，知識規則等。此種終端開發難度大、成本高、未標準化，但功能多，一般在野外攜帶一部基本就可完成大部分的專業應用。當然在日常應用中通常也可借助常見操作系統Windows、Android等開發個性化的應用終端如臺式電腦、農業服務觸摸屏一體機、智能手機、專用PDA等。目前智能手機終端因具有移動性強、實時通訊,在使用中可通過開發專業APP擴展功能等特點得到了快速發展。

總之，通過物聯網技術的應用使土壤墑情測報工作得到了極大地提升,通過建立遠程土壤墑情監測站,開發土壤墑情監測預警系統并配套相關灌溉標準和模型,科學指導適時適量灌溉,可顯著提高農業生產效益和用水效率。

參 考 文 獻

[1]鄧永卓. 物聯網技術在現代農業生產中的應用[J]．基層農技推廣，2014（8）：61-63.

[2]鄧永卓. 農業定制手機終端的服務和發展模式探討[J]．基層農技推廣，2014（2）：18-20.

作者簡介：鄧永卓（1981-），男，高級農藝師，主要從事農業信息技術推廣應用工作。E-mail：dengyongzhuo@gmail.com

基金項目：天津市農業科技成果轉化與推廣項目“農田土壤墑情遠程監測及預警技術的引進與示范”（201303060）

收稿日期：2015-12-01

文章編號：1002-0659（2016）01-0044-02

中圖分類號：S159.3

文獻標識碼：A