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

鄧永卓（天津市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，天津　300061）

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

鄧永卓（天津市農(nóng)業(yè)技術(shù)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(shè)農(nóng)田土壤墑情遠程監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)并對其進行了設(shè)計。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)應(yīng)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(yù)警及灌溉決策等功能。

土壤墑情；監(jiān)測預(yù)警；系統(tǒng)設(shè)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(shù)應(yīng)用與研究中，做好土壤墑情監(jiān)測并與作物需水量結(jié)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(yù)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(zāi)害預(yù)警服務(wù)的重要研究領(lǐng)域。近年來，農(nóng)業(yè)信息技術(shù)特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上得到了長足的應(yīng)用，傳感器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲和處理等技術(shù)的進步和應(yīng)用成本的下降極大地促進了土壤墑情監(jiān)測及預(yù)警技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)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(guān)系，并且其動態(tài)變化是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題，可通過合適的模型進行預(yù)測。墑情預(yù)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(shè)計

土壤墑情遠程監(jiān)測及預(yù)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(shù)實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)或者不同監(jiān)測區(qū)域間與智能終端、服務(wù)器之間數(shù)據(jù)的傳輸。服務(wù)器則對接收到的數(shù)據(jù)進行加工、存儲、查詢和分析。在應(yīng)用終端，采用B/S、C/S或者APP等形式，結(jié)合GIS技術(shù)將數(shù)據(jù)或者決策結(jié)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(shè)置主要考慮要素包括行政區(qū)劃、地形地貌、土壤質(zhì)地、土壤物理特性、水文地質(zhì)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(shè)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(shè)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(yīng)設(shè)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(diào)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(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，可以方便嵌入各種設(shè)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(wù)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(shù)。上述技術(shù)具有覆蓋范圍廣、傳輸距離不受限制、網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(guān)系型數(shù)據(jù)庫，具體數(shù)據(jù)庫表、結(jié)構(gòu)、字段、標識符等設(shè)計可根據(jù)相關(guān)標準進行。一般應(yīng)包括監(jiān)測站基本信息表、設(shè)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(diào)用。墑情預(yù)報可在模型的基礎(chǔ)上對農(nóng)田耕作層土壤水分的增長和消退程度進行預(yù)報，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jié)合相應(yīng)模型關(guān)系做出灌溉決策。

2.4應(yīng)用交互模塊

應(yīng)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(nèi)部形式與用戶可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換和傳遞，必須要做到易懂、簡單、實用。在應(yīng)用終端（主要包括臺式電腦、農(nóng)業(yè)服務(wù)觸摸屏一體機、智能手機等）采用B/S、C/S或者APP形式，結(jié)合GIS技術(shù)將數(shù)據(jù)或決策結(jié)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(nèi)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(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　結(jié)論

目前，物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用，通過建立土壤墑情監(jiān)測站，開發(fā)土壤墑情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)并研究相關(guān)配套灌溉標準和模型，科學指導(dǎo)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(yīng)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(shù)進行農(nóng)田土壤墑情遠程監(jiān)測及預(yù)警的方法，并在實際生產(chǎn)中進行了大面積的應(yīng)用。通過監(jiān)測、傳輸、處理和應(yīng)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(shè) 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(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)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(wù)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(zhuǎn)化與推廣項目“農(nóng)田土壤墑情遠程監(jiān)測及預(yù)警技術(shù)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(shù)推廣應(yīng)用方面的工作。E-mail：dengyongzhuo@gmail.com