基于云原生技術(shù)的大田土壤摘情采集系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)案例研究

中圖分類號：S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Toimprovetheeficiencyofintellgentirrgationsystemsinthefield，achievedprecisemonitringofsoilmosureand ensurethenormal growthanddevelopmentofcrops，thisstudyutilizedlongrangewirelesscommunication（LORA），soilmoisture sensors，gateway，ndothertechnologiestoconstructacloudnativesoilmoisturecolectionsstem.Anaropriatenumberofode wereselectedascasestotestthesystem’sloadcapacity、powerconsumption、andcommunication distanceofthesystem，F(xiàn)ield experimentswereconductedtoverifythespatiotemporaldataofthesoilmoisturecollctionsystem．Resultsshowedthatthesoil moisturecollctionsystembasedonLORALANcouldachievestablecommunicationfor3km，withastaticpowerconsumptionofabout （20 2 2 0 μ A forthe hardware device.Whennotchargingandthecollection time intervalwas 3O minutes，theendurancecapacityof sensor duringeachsoillayerwasnotlessthan3Odays，thedataforfieldtestingshowedthatthesoilmoisturecolectionsystemwasacurate andreliableintermsofspatialandtemporalsoilmoisturedata，andcouldachieveconiuousobservationunderlong-termseries.This studyprovidesreferenceforthedevelopmentandoptimizationofafieldsoilmoisturecolectionsystembasedoncloudnative technology，whileoffering a technical foundation for inteligent irrigation and fertilization decision-making. Key words：LORA;soil moisture;soil salinity ;monitoring device;low power consumption

2022年《中國水資源公報(bào)》顯示我國水資源時(shí)空分布不均、用水效率和結(jié)構(gòu)仍需提高和優(yōu)化，其中農(nóng)業(yè)用水占比 。中國是一個(gè)水資源緊缺的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)作為用水大戶[2]，亟需發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，而且近年來隨著滴灌自動(dòng)化技術(shù)在土壤情監(jiān)測方面廣泛的應(yīng)用，其在農(nóng)業(yè)節(jié)水增效、提高水資源利用率上發(fā)揮了重要作用[3]，因此，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測土壤墑情可為農(nóng)田滴灌制度的制定和滴灌自動(dòng)化提供理論依據(jù)[4]，而且本研究認(rèn)為這也有利于保障我國糧食安全和提高農(nóng)業(yè)水資源利用率。

相關(guān)學(xué)者在土壤情領(lǐng)域開展了大量的研究工作，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。一方面，學(xué)者們聚焦于情采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，如陳天華等[5]設(shè)計(jì)了基于GPRS的無線土壤情監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對土壤熵情的有效監(jiān)測；楊春曦等[6]基于藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)出了便攜式土壤濕度檢測裝置，用于精準(zhǔn)灌溉決策系統(tǒng)；LORA作為一種新型的無線通信技術(shù)，相比傳統(tǒng)的藍(lán)牙、Wi-Fi和GPRS，它具有更低的功耗和抗干擾能力[]，逐漸被應(yīng)用于情監(jiān)測領(lǐng)域[8]。另一方面，有學(xué)者對熵情監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用或方法研究，如Hill等[9]研究了土壤嫡情數(shù)據(jù)采集的方法和其準(zhǔn)確性，并對土壤深度為5 ～ 8 c m 的熵情監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，不同的灌溉量對土壤水分變化的趨勢有顯著影響，經(jīng)過驗(yàn)證的作物模型可以根據(jù)土壤水分的相關(guān)特性模擬凈灌溉需水量[10]；Gill等[11]運(yùn)用支持向量機(jī)模型預(yù)測土壤熵情，并基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論利用歷史數(shù)據(jù)的訓(xùn)練預(yù)測未來的灌溉量；此外，許多研究聚焦于土壤情與農(nóng)作物生長發(fā)育之間的關(guān)系，以及土壤熵情對灌溉需求的影響等方面[12]

云原生技術(shù)是一種面向云計(jì)算環(huán)境的技術(shù)體系和方法論，旨在充分利用云計(jì)算環(huán)境優(yōu)勢，提高應(yīng)用程序的可靠性、可伸縮性和彈性[13]；該技術(shù)可將無線傳感器和云計(jì)算等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)土壤情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和處理，具有高效性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。此外，LORA是一種長距離、低功耗的無線通訊技術(shù)，適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低數(shù)據(jù)率通信，具有深度覆蓋、低成本和長電池壽命等優(yōu)勢，適用于分布在廣闊農(nóng)田中的傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)土壤熵情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和傳輸。于景鑫等[14]基于云原生技術(shù)對土壤熵情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行研究，以微服務(wù)和容器技術(shù)開發(fā)了采集、可視化和數(shù)據(jù)挖掘等核心模塊，相比傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)（Web），云原生技術(shù)能夠保證系統(tǒng)更加穩(wěn)定且運(yùn)行可靠[15]另外，云原生技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)對土壤熵情數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能決策，為農(nóng)田灌溉的精細(xì)化管理提供了新思路。

地處干旱半干旱地區(qū)，農(nóng)作物種植面積大，水資源短缺[16]，亟需智能化的土壤熵情采集系統(tǒng)，以指導(dǎo)農(nóng)作物的灌溉和施肥管理。盡管前人的研究取得了一定成果，也形成了監(jiān)測土壤墑情的技術(shù)，但是目前缺乏對組建LORA局域網(wǎng)后情采集系統(tǒng)綜合性能（如帶載能力、功耗、通訊距離）評估及實(shí)際應(yīng)用效果的響應(yīng)驗(yàn)證研究，因此，本研究將基于云原生架構(gòu)的土壤情監(jiān)測系統(tǒng)開展上述應(yīng)用研究，以彌補(bǔ)在土壤熵情監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域的空白，并為高效節(jié)水灌溉施肥制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本研究土壤情采集系統(tǒng)由采集裝置、網(wǎng)關(guān)和客戶端（PC端、Web及APP）3個(gè)部分組成（圖1），其中：情傳感器接入至硬件采集裝置，采集裝置與網(wǎng)關(guān)組成局域網(wǎng)，將土壤情數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳至云服務(wù)器，PC端、Web和APP客戶端通過云服務(wù)器與終端進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和指令收發(fā)；軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備上下線記錄、在線率定、采樣周期設(shè)置及遠(yuǎn)程固件升級等功能；情采集裝置包括太陽能供電、升壓、RS485接口、LORA模組通訊、遠(yuǎn)程固件升級等功能。

1. 2 采集裝置

在本研究中，采集裝置由LORA天線、外殼、采集板和接口組成。采集電路板包括RS485接口電路、電池管理、電量采集、MCU單元、升壓單元和LORA通訊等部分；MCU采用國產(chǎn)品牌國民低功耗芯片N32G435CBL7，LORA模組選用億百特SX1276，電池采用單節(jié)18650鋰電池供電，容量為 。由于裝置是應(yīng)用于大田生產(chǎn)中，為了進(jìn)一步降低功耗，供電方式采用太陽能電池板，在電路設(shè)計(jì)中采用電子開關(guān)技術(shù)將各模塊供電進(jìn)行控制，當(dāng)采集情完成數(shù)據(jù)上傳后，MCU切斷上述單元的供電且進(jìn)入休眠模式，可進(jìn)一步降低功耗。采集裝

采集裝置與傳感器通過RS485接口相連，其中傳感器選用基于頻域反射（FDR）原理的三參數(shù)傳感器（型號NH148，濕度精度 ± 3 % ，電導(dǎo)率精度 ± 5 % ），較其他類型傳感器更適合實(shí)現(xiàn)自由空間位置布設(shè)，且可同時(shí)監(jiān)測土壤溫度、濕度、電導(dǎo)率，能直接穩(wěn)定地反映各種土壤的真實(shí)水溫鹽的變化[17-18]在測試前，對該傳感器進(jìn)行了不同土壤含水率梯度配制校核試驗(yàn)，結(jié)果表明其檢測精度與穩(wěn)定性良好，可用于本研究試驗(yàn)使用。

主控芯片負(fù)責(zé)LORA模組通訊、情傳感器通訊、電量采集、電子開關(guān)控制等。升壓電路原理框架圖見圖3，該電路選用MT3608型芯片，其工作頻率為 1 . 2 M H Z ，電流為2A，輸入電壓范圍為 2 ～ 2 4 V ，單節(jié)鋰電池工作電壓范圍為3＼～4.2V；設(shè)計(jì)中通過升壓電路將電池電壓升至14.5V給傳感器供電；RS485電路采用MAX3483EESA型芯片，該芯片是3.3V的低功耗收發(fā)器，器件內(nèi)部具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，可以減小EMI，并降低由不恰當(dāng)終端匹配電纜引起的反射，可實(shí)現(xiàn)最高10Mbps的傳輸速率。

情采集裝置的嵌入式程序采用C語言編寫，其程序流程圖見圖4。在主函數(shù)中按照空閑事件、接收事件、發(fā)送事件、采集事件和RTC事件進(jìn)行無限循環(huán)，觸發(fā)不同的事件進(jìn)行不同的程序處理。空閑事件用于處理異常信息。接收數(shù)據(jù)事件用于解析指令。發(fā)送數(shù)據(jù)事件，封裝傳感器信息及Json協(xié)議。采集傳感器數(shù)據(jù)事件，用于處理傳感器通訊、數(shù)據(jù)獲取、校驗(yàn)以及傳感器異常數(shù)據(jù)處理。RTC事件定時(shí)喚醒，采集傳感器數(shù)據(jù)及定時(shí)注冊電量等信息。

1.3 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)采用太陽能供電方式，其主要負(fù)責(zé)測試終端與服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)關(guān)向下通過LORA無線通訊，頻率433MHZ與終端情采集裝置組建局域網(wǎng)，向上通過4G網(wǎng)絡(luò)與云端服務(wù)器進(jìn)行通訊，負(fù)責(zé)將璃情數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器以及服務(wù)端下發(fā)設(shè)置指令至采集終端。為保證信號質(zhì)量和覆蓋范圍，LORA天線架設(shè)高度設(shè)定為 3 m 。

網(wǎng)關(guān)主要處理LORA事件、4G事件、FOTA（固件遠(yuǎn)程升級）事件和RTC事件，其中：LORA事件包括LORA數(shù)據(jù)解析、重發(fā)機(jī)制管理、組裝協(xié)議、設(shè)置LORA通訊參數(shù)、LORA掉線機(jī)制；4G事件包括4G網(wǎng)絡(luò)連接、掉線重連、網(wǎng)絡(luò)異常處理、配置設(shè)備信息、本機(jī)固件升級、下載服務(wù)端文件；FOTA事件包括組裝升級協(xié)議包、發(fā)送升級包、校驗(yàn)升級包；RTC事件包括定時(shí)向云端注冊設(shè)備信息、管理設(shè)備休眠狀態(tài)。

1.4客戶端基于云原生技術(shù)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于云原生技術(shù)的軟件平臺(tái)是指將應(yīng)用程序開發(fā)和部署與云計(jì)算環(huán)境相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠和可擴(kuò)展的軟件架構(gòu)。云原生技術(shù)的采集平臺(tái)不僅可以遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)，還可保存數(shù)據(jù)，生成圖表以便快速分析。為提高效率，平臺(tái)采用微服務(wù)技術(shù)；針對不同的業(yè)務(wù)功能，根據(jù)需要選擇合適的語言和工具進(jìn)行開發(fā)；各服務(wù)之間采用基于超文本傳輸協(xié)議（HTTP）的RestfulAPI通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)的靈活設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行（圖5）；在云平臺(tái)架構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)采集周期、數(shù)據(jù)記錄、在線率定、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、圖表展示、上線下線統(tǒng)計(jì)、固件升級和版本管理等業(yè)務(wù)功能。上述功能采用集群技術(shù)以應(yīng)對未來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。

1. 4.2 數(shù)據(jù)持久化設(shè)計(jì)

嫡情采集系統(tǒng)定時(shí)采集土壤情后，通過平臺(tái)服務(wù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用MySQL8.0關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)化、高共享性和低冗余度等特點(diǎn)，主要圍繞設(shè)備和數(shù)據(jù)記錄2張表進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且為了保證數(shù)據(jù)一致性和提高數(shù)據(jù)查詢的效率，字段設(shè)備編碼和序號增加了外鍵約束，并為常用字段創(chuàng)建了索引。數(shù)據(jù)庫和表采用統(tǒng)一的utf-8編碼，其中，設(shè)備表設(shè)計(jì)了設(shè)備編碼、名稱類型等標(biāo)準(zhǔn)字段外，預(yù)留了sim卡號、PanID、通道等字段為后續(xù)設(shè)備擴(kuò)展使用，數(shù)據(jù)記錄表中設(shè)計(jì)了時(shí)間字段，以此作為數(shù)據(jù)庫中保存數(shù)據(jù)的頻率。

1.4.3 軟件功能設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)包括PC端Web和APP二部分，采用云服務(wù)器技術(shù)開發(fā)，通過PC端Web和APP均可實(shí)時(shí)查看情數(shù)據(jù)。在Web和APP端可實(shí)時(shí)查看土壤熵情值、設(shè)備電量、信號質(zhì)量，以及在線率定參數(shù)，設(shè)置采集周期、遠(yuǎn)程固件升級等。云服務(wù)器使用阿里云，在數(shù)據(jù)處理上使用消息隊(duì)列服務(wù)，網(wǎng)關(guān)采用Socket服務(wù)器將數(shù)據(jù)上傳至消息隊(duì)列，然后通過WebSocket服務(wù)器與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互（圖6）。

1.5 實(shí)地測試

1.5.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在市農(nóng)墾科學(xué)院試驗(yàn)基地0 ）進(jìn)行（圖7），種植作物為棉花，面積為66 該地區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候，年平均降雨量為 1 2 5 . 0 ～ 2 0 7 . 7 m m ，年平均蒸發(fā)量為 1 0 0 0 ～ 1 5 0 0 m m 。在棉花播種后統(tǒng)一安裝，安裝寬度距滴灌帶中心距 ，安裝深度分別為 共3層。設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期和存儲(chǔ)周期各為 采集時(shí)段5～10月，監(jiān)控棉花整個(gè)生長周期的土壤摘情。

1.5.2土壤情采集系統(tǒng)安裝、采集與驗(yàn)證

系統(tǒng)安裝由地下和地上二部分組成。

地下部分的安裝步驟如下：經(jīng)過挖坑、平壁、安裝、回填、觀察數(shù)據(jù)（線上觀察情數(shù)據(jù)7d正常后無誤即可）、校準(zhǔn)（在安裝某層傳感器時(shí)，將參考傳感器同時(shí)安裝在同一層，比較2組傳感器數(shù)值，數(shù)值誤差范圍在 3 % 以內(nèi)即可。這種比較安裝法可以避免由于石塊、草根等異物的干擾，從而提高傳感器數(shù)據(jù)的有效性）等。土壤熵情傳感器的安裝方法如上。

地上部分安裝步驟如下（圖8和圖9）：安裝情采集裝置，太陽能電池板朝向南方；傳感器安裝完成后，將傳感器線束整理好固定在立桿上。為確保作物生長過程中采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，記錄傳感器數(shù)值與烘干法實(shí)測各土層的實(shí)測數(shù)據(jù)率定擬合曲線，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1熵情采集系統(tǒng)綜合性能分析

2.1.1采集裝置帶載能力測試

王壤情傳感器需要在采集時(shí)段內(nèi)穩(wěn)定供電，以確保其實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地讀出土壤情數(shù)值。為有效監(jiān)測土壤墑情，一般需要進(jìn)行不同深度多層監(jiān)測，所以情監(jiān)測裝置需要支持多路傳感器接人。

本研究選擇的傳感器為寬電壓直流供電3.6＼～3 0 V ，設(shè)計(jì)的升壓電路電壓為14.5V，滿足傳感器供電要求。測試升壓電源供電能力見表1，可以看出：設(shè)計(jì)的升壓電路在負(fù)載增大的情況下，負(fù)載電流由 增加到 時(shí)，輸出電壓由14.5V降到 ，電壓符合傳感器的供電要求。表明利用此電源供電，可完全滿足本試驗(yàn)不同深度的嫡情采集。

2.1.2采集裝置功耗分析

為保證情裝置全天候工作，降低功耗，并考慮到在大田應(yīng)用中隨著作物生育期的持續(xù)，當(dāng)作物植株遮擋住太陽能電池板時(shí)將導(dǎo)致其充電效率降低，所以該裝置控制策略采用定時(shí)采集模式，其功耗主要部分在LORA模組（型號SX1276）收發(fā)數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)二部分。

圖10為電池放電曲線，可以看出：在使用前10d的初期電壓處于緩慢降低趨勢， 1 0 d 后電壓進(jìn)入到了快速降低階段，尤其在25d后電壓降低速度明顯加強(qiáng)。當(dāng)采集周期為 3 0 m i n ，接入3路傳感器，支持30d以上續(xù)航，滿足大田使用。

LORA模組收發(fā)功耗與整體裝置功耗及待機(jī)時(shí)長如表2所示。

2.1.3 通訊距離與組網(wǎng)

為了驗(yàn)證無線通信性能，在省市郊區(qū)進(jìn)行通訊距離和信號強(qiáng)度的測試，測試距離大約為 4 k m ，并考慮在測試過程中棉花、馬鈴薯、小麥作物平均高度為 1 . 2 m 左右，所以將測試設(shè)備的天線高度取為 1 . 5 m 。測試時(shí)采用1個(gè)網(wǎng)關(guān)、1個(gè)終端，網(wǎng)關(guān)和測試終端中間區(qū)域有林帶，在 3 k m 之后位置測試終端與網(wǎng)關(guān)相互不可視；通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程設(shè)置采樣周期 ，設(shè)置間隔 1 m i n ，分別記錄不同周期的數(shù)據(jù)回傳成功率。

測試環(huán)境和測試結(jié)果見圖11和表3，由測試結(jié)果可知：在 3 k m 范圍內(nèi)，通訊丟包率為0，信號強(qiáng)度大于 。當(dāng)超過 時(shí)，信號強(qiáng)度小于- 1 1 0 d B m ，丟包率在 3 % 左右，此時(shí)LORA通訊不穩(wěn)定。

圖11測試環(huán)境和距離（紅線所示）

2.2 摘情采集系統(tǒng)對田間應(yīng)用效果的響應(yīng)驗(yàn)證

2.2.1情數(shù)據(jù)在空間上可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證情傳感器表征土壤墑情的精確性，對試驗(yàn)地塊不同點(diǎn)位、不同深度進(jìn)行采樣，比較烘干法和傳感器測試數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，測試數(shù)據(jù)記錄見表4，可見：本文設(shè)計(jì)的土壤情傳感器測定的容積含水率與烘干法測定的質(zhì)量含水率存在一定的正相關(guān)關(guān)系，關(guān)系式為 y = 1 . 2 8 4 x + 3 . 1 4 5 （圖12），由此得出：采用土壤情傳感器容積含水率數(shù)值可表征土壤情。

綜上得出：本系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)在空間上具有可靠性。

2.2.2情數(shù)據(jù)在時(shí)間上可持續(xù)性驗(yàn)證

除空間上情數(shù)據(jù)能夠保證精準(zhǔn)外，在時(shí)間序列上也應(yīng)保證數(shù)據(jù)的可用性。土壤鹽分是影響作物生長的重要因素之一，過高的鹽分含量會(huì)抑制作物生長，甚至導(dǎo)致作物死亡。

本研究對棉花整個(gè)生育期在不同土層水分和鹽分進(jìn)行了觀測，其變化曲線見圖13。由圖13可見：在灌溉過程中，隨著土層深度增加，水分呈增加趨勢，且土壤鹽分也逐漸增加。此外，每次灌溉時(shí)（圖13中的波峰）不同土層的含水量曲線呈先上升后下降的趨勢，且土壤鹽分隨著土壤水分的變化呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。由以上結(jié)果可知：本系統(tǒng)在時(shí)間序列上具有可持續(xù)性的數(shù)據(jù)輸出，可用于實(shí)際生產(chǎn)中，并指導(dǎo)農(nóng)民進(jìn)行作物灌溉。

3 討論

本研究將傳感器、LORA無線通訊、數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了土壤情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和處理，可為土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

（1）于景鑫等[14]運(yùn)用云原生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了土壤情信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，采用深度學(xué)習(xí)模型對土壤熵情進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合3DWebGIS技術(shù)進(jìn)行可視化展示與制圖，但其主要側(cè)重于軟件平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理和灌溉決策服務(wù)，并未對情監(jiān)測裝置的硬件電路設(shè)計(jì)、組網(wǎng)通訊、功耗、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，而本研究在降低功耗和數(shù)據(jù)采集策略方面具有優(yōu)勢。

裴福弟[9]基于藍(lán)牙技術(shù)的土壤情無線數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，土壤情采集系統(tǒng)需帶載能力強(qiáng)、功耗低、待機(jī)時(shí)間長、通訊距離遠(yuǎn)和網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定，才能保證情裝置全天候工作，本研究的結(jié)果與其一致。

蔡甲冰等[20]設(shè)計(jì)的低功耗經(jīng)濟(jì)型區(qū)域摘情監(jiān)測系統(tǒng)利用了GPRS和 4 3 3 M H Z 通訊技術(shù)，采集數(shù)據(jù)周期為1h，其應(yīng)用表明無線情采集系統(tǒng)便捷，便于田間布施，不影響農(nóng)事操作，方便經(jīng)濟(jì)。而本研究同時(shí)考慮了裝置低功耗設(shè)計(jì)、無線通訊和軟件數(shù)據(jù)展示等技術(shù)環(huán)節(jié)，也表明本研究的情系統(tǒng)在大田情監(jiān)測更具有應(yīng)用優(yōu)勢。

冀汶莉等[21]設(shè)計(jì)的土壤多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)采用LORA模組SX1278通訊技術(shù)在戶外連續(xù)測試6d發(fā)現(xiàn)，終端與網(wǎng)關(guān)在距離 1 ～ 2 k m 時(shí)，成功率在9 0 % 。而本研究的通訊設(shè)計(jì)是基于LORA模組

SX1276、NH148情傳感器設(shè)計(jì)的太陽能供電情采集系統(tǒng)，靜態(tài)功耗 2 2 0 μ A ，在大田整個(gè)棉花種植季中，通過距離測試和信號強(qiáng)度表明，點(diǎn)對點(diǎn)通訊距離在 3 k m 內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸成功率為 100 % ，信號衰減度為-105dB，表明系統(tǒng)的無線傳輸距離、產(chǎn)品穩(wěn)定性、全天候工作均能夠提供保障。

（2）唐玉邦等[22]和楊春曦等[6]通過田間原狀土重新標(biāo)定土壤情傳感器后認(rèn)為，在一定條件下可以表征土壤熵情和指導(dǎo)精準(zhǔn)灌溉。本研究試驗(yàn)表明土壤情采集裝置能夠靈敏地反應(yīng)灌溉時(shí)間，試驗(yàn)基地整個(gè)種植季灌水記錄以及土壤情維持時(shí)間得出，當(dāng)灌溉1h后水分到達(dá)中層 2 0 c m 處，當(dāng)灌溉 后水分到達(dá)深層 處。本文由以上數(shù)據(jù)認(rèn)為：未來可以通過調(diào)整施肥的時(shí)刻、時(shí)長和精準(zhǔn)控制灌溉時(shí)間和施肥時(shí)刻來避免肥料淋洗與過量施肥。

（3）雖然本研究驗(yàn)證了該熵情采集系統(tǒng)在時(shí)空方面數(shù)據(jù)的可用性，但是仍存在一些局限性。在本研究的情監(jiān)測系統(tǒng)中，面對極端天氣條件和土壤電導(dǎo)率變化較大的挑戰(zhàn)，確保通訊系統(tǒng)和傳感器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性至關(guān)重要，因?yàn)闃O端天氣可能導(dǎo)致通訊中斷和傳感器損壞，而土壤電導(dǎo)率的快速變化可能影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

為解決上述問題，技術(shù)防護(hù)措施、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控與校正、數(shù)據(jù)冗余與備份以及定期維護(hù)與檢查等策略是必要的。技術(shù)防護(hù)措施包括防水防塵設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)和設(shè)備固定，以確保設(shè)備在極端環(huán)境下正常運(yùn)行；數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控與校正則涉及實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)校正，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)冗余與備份可保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性；定期維護(hù)與檢查有助于保持設(shè)備和傳感器的正常運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。

此外，在土壤電導(dǎo)率變化較大的情況下，傳感器選擇、數(shù)據(jù)校正和環(huán)境監(jiān)測是關(guān)鍵因素。通過以上措施的綜合應(yīng)用，本系統(tǒng)可以有效地應(yīng)對極端天氣和土壤電導(dǎo)率變化帶來的挑戰(zhàn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

另外，本系統(tǒng)需要具備良好的可擴(kuò)展性，能確保在大范圍農(nóng)田中的穩(wěn)定運(yùn)行。這是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)支持多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和協(xié)同工作，有較高的數(shù)據(jù)處理能力，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行和高效協(xié)同工作，所以本系統(tǒng)能夠適應(yīng)農(nóng)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境的全面監(jiān)測和管理，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

4結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)于大田的土壤情監(jiān)控系統(tǒng)，通過采用情傳感器和數(shù)據(jù)采集器對土壤溫度、濕度和鹽分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，利用網(wǎng)關(guān)通過LORA無線技術(shù)將終端數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)，再通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至云端服務(wù)平臺(tái)以及終端通過網(wǎng)關(guān)與軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向通訊，實(shí)現(xiàn)對土壤溫、濕、鹽的實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要得出以下結(jié)論：

（1）基于LORA技術(shù)與云原生技術(shù)的墑情采集系統(tǒng)在靜態(tài)功耗 2 2 0 μ A 、采集周期 3 0 m i n 條件下，待機(jī)超過30d;在 3 k m 范圍內(nèi)可將數(shù)據(jù)成功傳送至云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測大田土壤情。

（2）該情采集系統(tǒng)在空間和時(shí)間上情數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間序列下的持續(xù)觀測。

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