分布式農田土壤墑情集中監測管理系統

摘要：農田土壤墑情對作物的生長起到至關重要的作用，為了使作物生長在適宜含水量的土壤中，采用無線通信技術設計了分布式農田土壤墑情集中監測管理系統，監測中心與農田土壤墑情監測站采用C/S架構設計。根據規劃，土壤墑情監測站部署在各地的農田內，利用土壤水分傳感器FDS100采集土壤水分信息，再通過GPRS網絡建立與監測中心的TCP/IP網絡連接將采集到的數據上傳；監測中心將接收到的數據進行解析、處理、分析，獲取被監測區域農田的土壤墑情，并參照作物生長發育規律，為農田管理者提供精準的灌溉指導。系統準確實時地獲取了各監測站的土壤墑情信息，實現了分布式農田土壤墑情的集中監測，能夠為作物的精準灌溉管理提供強有力的數據支持。

關鍵詞：土壤墑情；遠程監測；無線通信；自動控制；精準灌溉

中圖分類號： TP274+.4；S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0428-03

收稿日期：2013-03-05

基金資助：國家自然科學基金（編號：61170243）。

作者簡介：張歌凌（1975—），女，河南開封人，碩士，講師，主要研究方向為計算機應用與人工智能。E-mail：xuhaiup@126.com。適宜的水分是農作物正常生長不可缺少的因素，干旱或者洪澇都會影響作物的產量。我國水資源非常缺乏，如何在保證增產增收的前提下，合理利用水資源進行農業灌溉是建設農業現代化的基本要求[1-3]。不同作物對水分的需求有明顯差別，作物在不同生長階段對水分的需求也不一樣，有些地區的農業管理者會不定期到農田測量土壤墑情，用于指導農業灌溉，但是這種方法存在工作效率低、實時性差、準確度低的問題[4]。為了掌握農田土壤墑情的連續變化規律，筆者設計了分布式農田土壤墑情集中監測管理系統，通過水分傳感器對各地的農田土壤墑情數據進行采集、處理，并通過GPRS網絡將土壤墑情數據上傳到監測中心，根據作物的生長發育規律，指導農田管理者進行精準灌溉，大大提高了作物產量，現將分布式農田土壤墑情集中監測管理系統介紹如下。

1系統總體設計

土壤墑情評價指標以土壤含水量占田間持水量比值的比重來表示[5]。為了獲得農田的土壤墑情信息，要綜合考慮該地區的土壤特性、作物分布、地勢等因素，選擇有代表性的采樣點。這些采樣點一般數量多、分布廣，很難通過鋪設線路方式進行數據通信，考慮到數據傳輸量不是很大，為此，采用覆蓋廣泛的GPRS網絡實現系統數據的交互。分布式農田土壤墑情集中監測管理系統主要由土壤墑情監測點、農田土壤墑情監測站、集中監測中心、通信網絡等組成。系統整體結構如圖1所示。系統中農田土壤監測站與集中監測中心采用C/S架構設計。由于單點監測容易出現隨機性，影響測量的準確度，為提高系統的監測精度，在每個監測站周圍50 m處均勻設置4個監測點，每次上傳的數據均來自這4個監測點，采用剔除均值法對這4個數據進行處理，大大提高了系統的測量精度。考慮到監測點節能、數據量不大等因素，農田土壤監測站與土壤墑情監測點之間采用ZigBee無線網絡進行數據通信，每個監測點只需要1節干電池就能工作半年以上，保證系統能夠長時間運行。

根據系統設定，農田土壤墑情監測站定時向監測點發送測量指令，并接收監測點返回的土壤墑情數據，剔除均值后，將監測站ID、采集時間、土壤墑情等數據按照規定的通信協議打包，再通過GPRS網絡與集中監測中心建立的TCP/IP網絡連接上傳。集中監測中心可設置為自動獲取數據，還可按設定的時間間隔設定采樣頻率，實現連續或者動態監測土壤墑情數據。由于GPRS網絡是基于IP地址的數據分組通信網絡，集中監測中心主機需要配置固定公網的IP地址，各農田土壤監測站使用中國移動通信公司的SIM卡。在監測中心利用管理軟件對信息進行統計處理，當土壤水分過高或者過低時，系統通過控制GPRS模塊向指定的農田管理者發送實時的農田土壤墑情預警短消息；系統還可產生各種報表輸出，并將數據進行圖形化顯示，實現了農田土壤墑情數據的可視化管理[6]。

2監測站硬件平臺及工作原理

系統的農田土壤墑情監測站、監測點共用同一個硬件平臺設計，都采用MSP430F149作為控制器核心，只是在擴展接口上添加相應的功能模塊，并編寫程序。

2.1農田土壤墑情監測站設計

農田土壤墑情監測站硬件平臺采用控制器MSP430F149作為監測站的核心，主要由ZigBee收發器CC2530、土壤水分傳感器FDS100、GPRS通信模塊SIM300C、太陽能電池板、蓄電池、電源管理等單元組成（圖2）。由于農田電網不是很健全，為給系統提供持續穩定的電能，采用太陽能發電方式為系統供電。白天通過太陽能電池板接收光照，并轉化為電能儲存在蓄電池內，夜間系統利用蓄電池供電，保證了系統持續供電，即使遇到陰雨天，蓄電池的容量也可以維持整個系統運行1～2周[7]。

2.1.1控制器MSP430F149控制器MSP430F149主要負責處理、運算、協調各模塊之間的工作，通過串口與ZigBee無線通信模塊CC2530連接，直接訪問內部寄存器、存儲器，實現點對點或者點對多點的快速組網。控制器MSP430F149的串口與GPRS通信模塊SIM300C連接進行數據通信，實現網絡配置、數據收發。

2.1.2ZigBee收發器CC2530組建ZigBee網絡的通信模塊選取了適應2.4 GHz IEEE802.15.4的RF收發器CC2530芯片，它具有優良代碼預取功能的低功耗8051微控制器內核，并提供了與MUC之間通信的接口，可以方便地發出命令、配置參數、讀取設備狀態、收發數據[8]。4種供電模式之間可以自由切換，且轉換時間較短，進一步確保了低功耗的工作狀態，是一整套完整的片上系統解決方案。每個ZigBee節點都有唯一的ID，通過8位撥碼開關實現設置。

2.1.3GPRS通信模塊SIM300C系統中的GPRS模塊采用的是新一代GSM/GPRS模塊SIM300C，能工作在EGSM900、DCS1800、PCS1900 3個頻段；提供GSM 語音、短消息、GPRS上網等業務；內置集成了完整的TCP/IP協議棧[9]；提供端到端的廣域無線IP連接，工作時的最大下行傳輸速度為 85.6 kb/s，最大上行速度為42.8 kb/s。監測站將數據打包處理后，通過串口以字符串的形式發到GPRS模塊SIM300C上，模塊SIM300C與附件的GPRS基站通信，移動基站的SGSN再與網關支持接點GGSN進行通信；GGSN對分組數據進行相應的處理后，再進行TCP/IP協議轉換將數據打包，再由SIM300C模塊以GPRS數據包的形式將數據發送到移動的CMNET，最后通過GPRS的服務接點GSN將數據發送到 Internet 上，根據監測站對目標地址的設置，尋找Internet上監測中心服務器主機上的IP地址、端口號[10]。

2.2土壤墑情監測點

土壤墑情監測點主要由控制器MSP430F149、3組土壤水分傳感器FDS100、ZigBee收發器CC2530、干電池組、電源管理單元等部分組成。監測點硬件平臺組成如圖3所示。

系統采用土壤水分傳感器FDS100，探針長度為6 cm，密封性強，具有防水防潮能力；供電電壓為5～12 V直流電，工作電流25 mA，土壤含水量為0～100%，輸出信號為 0～1.5 V 直流電。FDS100土壤水分傳感器輸出信號與土壤水分含量具有良好的線性關系，不要重新標定。監測點采用間隔供電，只在采集時才對傳感器供電，避免出現常供電導致的土壤理化性質變異情況，導致測量結果誤差增大。3組土壤水分傳感器FDS100分別測土壤深度為10、20、40 cm的田間持水量，輸出電壓信號與控制器MSP430F149的ADC口相連，再求3個傳感器測得的均值，最后通過無線模塊CC2530建立的ZigBee網絡連同節點ID發送到監測站。

3土壤墑情集中監測中心

土壤墑情集中監測中心的管理軟件應用程序采用 VC++ 6.0環境開發編寫而成，運行在監測中心的服務器上，主要負責處理各監測站上傳的土壤墑情數據，再進行數據處理、歸類分析。管理軟件具有網絡通信、數據處理與顯示、分析預測、自動報警、報表統計、數據存儲等功能[11]。管理軟件結構與功能框圖如圖4所示。

管理軟件通過調用Socket函數與分布在各地的監測站建立TCP/IP網絡連接，接收各監測站定時發送的土壤墑情數據，對這些數據進行處理，并將結果實時顯示在屏幕上，也可通過調用Teechart控件實時繪制某區域的墑情-時間曲線圖，同時將數據存儲在ACCESS2003數據庫中[12]。對歷史數據進行統計分析，還可以建立墑情變化趨勢模型，并預測未來一段時間內土壤墑情的變化情況，指導農業管理者提前進行精準灌溉；一旦發現某區域出現不利于作物生長的旱情，監控中心的顯示器會發出報警信號，并通過AT指令控制監測模塊SIM300C向預存管理者的手機號碼及時發送短消息，提醒管理者進行補水灌溉作業。

4結果與分析

為了驗證系統的工作性能，筆者對華北某地區的冬小麥生長過程進行了土壤墑情監測，冬小麥的生長時期主要分出苗期、幼苗期、返青期、拔節期、灌漿期5個階段。系統設置了8個土壤墑情監測站，每個監測站有4個監測點，每個監測點有3個土壤水分傳感器，測定土壤深度分別為10、20、40 cm的田間持水量，再取這3個傳感器的均值，即可得到該監測站的農田持水量，測量結果如表1所示。

從表1可以看出，8個監測站測得冬小麥5個生長期內的土壤持水量都在冬小麥適宜生長范圍。4號監測點屬于沙土，保持水分的能力稍微差一些，但是通過合理灌溉，也能夠使其保持在冬小麥各生長期的適宜生長范圍內。拔節期到抽穗期以及抽穗期到成熟期2個時期小麥耗水量最高，各占小麥全生育期總耗水量的35%、40%左右，通過農田土壤墑情集中監測管理系統可以準確測量各區域土壤的墑情。

5結論

本研究針對目前傳統農田土壤墑情監測手段較為繁雜的問題，借助GPRS網絡，提出了基于GPRS無線通信方式的分布式農田土壤墑情集中監測方案，引入了多點、多土壤深度的測量方法，大大提高了測量精度。監測中心的服務器端軟件結構設計合理、功能強大，能實現數據的實時顯示、分析預測、自動報警、報表統計等功能。系統工作穩定、測量精度高，可實現對土壤墑情的集中實時監測，降低了農田管理者的勞動強度，有效指導農田灌溉水量調配，為建設智能化、現代化農業奠定了基礎。

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