基于GIS 的土壤墑情信息采集與監測系統

沈師清，劉 賓

（中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

0 引言

我國是古老的農耕文明國家，其耕地用水量大約占全國的60%，但是大部分的水分在澆灌過程中都會蒸發和浪費[1]。通過對土地墑情的調查可以做到有效灌水，合理處理水資源污染的現象，從而有效發揮水資源與農業灌溉工程的經濟效益，實現節水增產、增效益的目的。土地墑情調查是行政決策單位進行節水的基本依據，為實施農業抗旱與利用自然資源提供重要技術支持[2]。土壤墑情是指土壤中水分的含量以及土壤中水分被作物的利用程度，對土壤墑情的檢測主要是采集土壤中含水量，土壤含水量的高低對作物的生長發育極其重要，對作物的發育情況和最終的產量的好壞也起著關鍵作用，同時對土壤墑情的研究也可以作為衡量土壤質量的標準[3]。土壤墑情的研究和發展為農業和林業的發展提供了充足的科學依據，土壤墑情的檢測和研究也為節水灌溉提供了科學依據[4]。

王翠芹等人致力于滿足農業灌溉的需求，以LoRa基站為基礎打造了一個節水灌溉系統，有助于節約通信成本[5]。賈國燏等人采用了ZigBee 技術開發了一款農田土壤水分監測系統，但其覆蓋范圍有限且容易受到干擾[6]。此外，冶秀香等人利用窄帶互聯網技術（NB?IoT）構建了一套低功耗、大容量的土壤水分監測系統[7]。毛洪霞等人采用了基于水量平衡法的ISAREG 灌溉模型來預測土壤水分狀況[8]。梁新書等人則利用層次分析和變異系數權重計算方法來計算冬小麥濕潤層內各土層的含水比重[9]。然而，由于生態農業基地面積大、環境復雜性以及土壤非均質性且影響深遠，在偏遠地區與移動公網覆蓋不足或處于公網邊緣區域，土壤濕度數據的傳輸顯得相當困難，這使得上述方法在大面積應用中受到了阻礙[10]。

基于此，本文建立一個基于GIS 的土地墑情信息采集與監控體系[8]。將地面傳感器所收集的土壤信息以及地理信息通過4G 模塊傳送至監控中心，并在移動APP上展示，從而完成對土壤墑情監測數據的傳輸、展示、咨詢工作，為抗旱減災提供科技保障[11]。

1 系統設計

本文設計的土壤墑情監測系統主要由土壤溫濕度傳感器、STM8S105K 主控核心、4G 網絡通信模塊、北斗定位模塊、環境傳感器、GIS 監控中心、手機APP 等部分組成。土壤墑情監測系統整體結構如圖1 所示。系統通過STM8S105K 單片機將傳感器數據以及定位信息上傳至監控中心服務器，監控中心會根據數據做出具體分析，給出土壤墑情狀態并做出空間分布圖，供農戶在手機APP 上查看。

圖1 土壤墑情監測系統整體架構

1.1 MCU 選型

MCU 選用STM8S105K6，用于驅動各個傳感器采集數據，以及驅動4G 模塊將傳感器數據上傳至服務器。

1.2 4G 網絡通信模塊

本設計使用的是來自億佰特公司的EC03 產品，這一款產品包含了所有必要的功能，能用于所有常見的裝置和應用環境。EC03 是為了實現串口裝置與網絡監控中心的數據交互，是一種配備有多集接收功能的LTE?FDD/LTE?TDD 無線通信傳輸模組，能夠同時實現與LTE?FDD、LTE?TDD 的數據互通。用戶只需要簡單設定配置，就能實現串口系統與網絡監控中心的數據交互[12]。該系統使用了5～18 V 的寬電壓供電方式，此外，還兼容移動、聯通、電信的4G 卡，支持與LED 燈相兼容的電壓水準，默認的3.3 V 電壓可以調整為5 V，具有優秀的抗干擾能力。板載網絡模塊如圖2所示。

圖2 板載網絡模塊

1.3 土壤溫度傳感器

DS18B20 屬于土壤溫度測量設備，它是一種熟知的數字化溫度感測器，具備輸出數字信號的能力，只需利用一條數字線，就能成功實現與微處理器的雙向交流。DS18B20 的溫度測試范圍為-55～125 ℃，并且在-10～85 ℃的范圍內，偏差只有±0.4 ℃。供電方案可以是單獨的外部電源，抑或選擇通過數據線寄生供電。

1.4 北斗定位模塊

北斗定位選用ATGM332D 模塊，它主要運用北斗模塊來采集墑情系統的經緯度，并通過4G 網絡模塊發送至服務器端。

1.5 土壤濕度傳感器

選用的土壤濕度傳感器是通過電容感應來檢測土壤濕度，它與市面上常見的電阻式傳感器有所區別。利用這個設計，可以避免電阻式傳感器容易遭受腐蝕帶來的損害，進而將設備的使用年限大幅度延長。同時，這款傳感器還配備了穩壓芯片，能夠支持3.3～5.5 V 的電壓工作環境，即使在3.3 V 的單片機主板上也可以正常運轉。

1.6 環境傳感器

BME680 傳感器是一款集4 個功能于一體的MEMS環境感應設備，能夠測定VOC 的濃度（易揮發的有機物）、空氣濕度、氣溫和氣壓這4 種要素，因此它特別適用于對空氣質量的實時監測。在本設計中，由于STM8S105K 單片機資源有限，無法滿足搭載4 個傳感器的要求，故而選擇該環境傳感器。在使用過程中，本設計僅使用BME680 的I2C 接口，即插即用，可直接兼容3.3 V 和5 V 系統。

1.7 太陽能供電模塊

選用的太陽能供電模塊是通過太陽能電池板和鋰電池組合的方式對系統進行供電。太陽能電池板選用的是鋼化玻璃多晶太陽能板，功率為10 W；鋰電池選擇容量為2 000 mA·h、7.4 V 可充電的磷酸鐵鋰材質的電池，能充分滿足在太陽照射不充足時，連續工作10 天，且具有自動保護機制。

2 硬件系統設計

2.1 供電電路設計

墑情監測終端因為在農田使用，故采用鋰電池供電。本設計采用的是7.4 V 鋰電池對監測終端供電，監測終端電路除4G 模塊外都采用3.3 V 供電。4G 模塊是寬電壓供電，供電范圍為5～18 V，本設計采用鋰電池直接對4G 模塊供電，正好滿足需求。該系統采用TPS76833 芯片將7.4 V 電壓轉換成3.3 V，為單片機以及各個傳感器供電。供電電路圖如圖3 所示。

圖3 供電部分電路圖

2.2 硬件程序設計

圖4 描繪了主程序系統的流程。所有功能模塊均采用線性執行框架。上電后，首先是對系統端口進行初始化，這一步驟包括啟用主控芯片所需的所有外設和中斷資源，并捕獲STM8S105K 微控制器的ID 號。

圖4 硬件程序設計流程

1）4G 模塊連接云服務器。根據服務器的IP 地址與服務器相連，當聯網成功后服務器會給模塊反饋固定AT 指令，借此可以判斷是否連接成功。

2）向服務器端5 min 發送一次心跳。為避免網絡連接斷開，墑情監測終端需要與服務器端保持心跳，每隔5 min 向服務器端發送一次START、06、END 字符串。

3）判斷是否接到采集間隔的指令。農戶可以根據手機APP 設置墑情監測終端數據采集和上傳的時間，采集間隔分別為10 min、30 min、1 h。

4）成功響應。當接到采集間隔設置的指令時，單片機會根據指令的類型來設置時間間隔，并在設置結束后給服務器反饋一個成功響應的指令。

5）開始數據傳輸。當以上步驟都結束后，單片機開始驅動4G 模塊上傳數據，上傳的數據包括單片機的ID，每一個單片機都有一個固定的ID 號，這樣方便服務器區分不同的設備，同時將傳感器的數據以固定格式上傳至服務器。

6）接收到數據刷新的指令。當接收到服務器發送的數據接收指令時，墑情監測終端立即對傳感器數據進行刷新，并且上傳，此次上傳不需要上傳ID 號。

7）接收到關閉采集的指令。當接收到關閉采集的指令時，墑情監測終端不進行傳感器數據采集，僅向服務器發送心跳保持連接。

3 SQL 數據庫的建立與搭建

土壤墑情的數據庫設計是軟件設計的一個重要組成部分。本設計的數據庫分為三種數據：土壤墑情數據、GIS 地理信息數據、氣象數據。數據的讀寫利用ADO 技術進行設計開發，原因是ADO 可以方便、高效地進行數據庫的訪問與存儲。

數據庫包含一些數據表，將通過傳感器得到的土壤墑情數據及具體地理位置數據存入土壤墑情信息表中。將各個土壤墑情站的采集號碼信息、設備管理信息以及站點聯絡人信息等存入站點信息表中。氣象數據包括從各個氣象部門獲得的氣象數據，如降雨量、日照時間、氣溫和空氣濕度等。其他信息包括一些土壤墑情預報模型的參數以及土壤類型、采集點周圍環境等，也都由相應數據表進行保存。

相較于其他種類的數據，GIS 地理信息并未被儲存在SQL 類型的關系數據庫中，而是被直接存放在地理信息系統專用的數據庫內。該數據庫里含有的數據包括但不限于矢量圖和柵格圖等，只有經過GIS 二次開發的組件，GIS 地理信息才能被讀取、儲藏和進行修改。圖5展示了系統數據庫的框架結構。

圖5 SQL 數據庫結構

4 監控中心管理與分析軟件

系統的主要構成要素為對土壤濕度進行監控和分析的軟件。這一系統基于Windows 操作系統，編程語言為Visual C++，也選定了超圖公司的SuperGIS 作為二次開發平臺。該系統的主要功能包括收集和接收濕度數據、設計濕度數據庫的布局、查看和更改濕度數據、直觀展示濕度、分析和預警預報濕度以及發布濕度信息等，如圖6 所示。

圖6 系統軟件功能圖

當系統在監控中心收到來自各土壤濕度監測站的土壤水分數據后，采用GIS 組件內含的反距離加權法（IDW）和普通的克里金法進行內插，實時繪制土壤墑情空間分布圖，以實時監控區域內的土壤濕度；配合土壤濕度預測模型，也可實現對區域內土壤濕度的預測功能。系統可根據需要選擇使用增濕模型、人工神經網絡模型和時間序列模型進行土壤水分預報。

5 系統測試與應用

在歷經多年研發之后，目前壤濕度監測系統的技術方面已邁向成熟，并在山西省各區得到了廣泛的使用。例如，在山西省已經建設了總共48 個土壤濕度監測站，它們遍布在山西省的多個山區和平原地帶。這些監測站會通過無線方式，每41 h 向控制中心發送一次土壤濕度數據，一旦收到各監測站的數據，立即將這些數據發送到手機應用程序上，讓農戶能夠實時查閱當前的土壤濕度數據。

圖7 所示為山西省晉城市某地區土壤墑情數據圖。通過獲取監測端的數值，控制中心有能力運用GIS 插值方式來畫出區域里土壤濕度的空間分布圖。

圖7 晉城市某地區土壤墑情數據

圖8 展示了某一天的山西省土壤濕度分布圖。系統結合土壤濕度的預測和預警模型，也能進行區域內土壤濕度的預測和預警。

圖8 山西省土壤濕度空間分布圖

為了驗證農田土壤墑情監測系統的實際性能，以山西省陽高縣某農田為實驗場地進行實地監測作業。在進行試驗前要先進行監測終端與服務器的連接、傳感器校準、采集時間設置、地塊參數設置等，然后根據不同的地塊放置多個監測終端，最后進行農田土壤墑情與空氣信息采集。整體農田監測作業現場如圖9 所示。

圖9 農田監測作業現場

農田墑情監測作業完成后，觀察作業數據，并通過2 個土壤墑情監測終端進行數據對比。不同深度的土壤溫濕度的數據對比結果如圖10 所示，空氣溫濕度與大氣壓強的數據對比結果如圖11 所示。

圖10 不同深度土壤溫濕度數據

圖11 空氣溫濕度與大氣壓強數據

數據對比之后，計算每個數據的誤差，進而確定該土壤墑情監測終端的數據采集的穩定性與準確性。

該系統測試表明，本文設計的農田土壤墑情監測終端能夠對3 個深度的土壤溫濕度、空氣溫濕度、大氣壓強進行精準采集，與手持終端的數據整體誤差保持在0.4%左右。同時，數據可以被正常上傳至監控中心和手機APP 上，并在APP 上顯示出空間分布圖，農戶可以實時查看農田和空氣數據。該系統滿足設計指標和農業作業應用要求。

6 結語

本文設計的農田土壤墑情監測系統是集GPRS 網絡傳輸、傳感器、北斗定位于一體的綜合性系統，它利用高精度的數據采集系統，將3 個深度的土壤溫濕度、空氣溫濕度和大氣壓強數據上傳至監控中心以及農戶的手機APP 上，監控中心結合土壤墑情預測模型可對該地區的土壤墑情進行預報，農戶可以借此更加方便精準地管理農田。農田的試驗結果表明，此系統的各類傳感器數據誤差僅在0.4%左右，有效提高了農戶對農田的管理效率。目前，該系統已經在山西省各個地區投入使用，取得了良好的效果，下一階段將進一步優化系統，為后續的水肥一體化做鋪墊。