農田土壤墑情遠程監測及預警系統的設計與實現

鄧永卓（天津市農業技術推廣站，天津　300061）

農田土壤墑情遠程監測及預警系統的設計與實現

鄧永卓（天津市農業技術推廣站，天津300061）

介紹了土壤墑情的概念和監測的必要性，提出通過物聯網手段建設農田土壤墑情遠程監測及預警系統并對其進行了設計。系統主要包括數據層、系統應用層及客戶界面層。通過該系統可實現農田土壤墑情遠程采集、評價、監控預警及灌溉決策等功能。

土壤墑情；監測預警；系統設計

干旱一直是妨礙農業可持續發展的一個重要因素。實踐證明，農業灌溉節水1/2以上的潛力是在管理上。在作物增產灌溉和適時適量節水技術應用與研究中，做好土壤墑情監測并與作物需水量結合是精確管理田間用水量最直接的辦法。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。近年來，農業信息技術特別是物聯網技術在農業上得到了長足的應用，傳感器、傳輸網絡、數據存儲和處理等技術的進步和應用成本的下降極大地促進了土壤墑情監測及預警技術在農業生產上的應用。

1　土壤墑情

農作物根系分布層土壤水的分布狀態稱為土壤墑情，其在作物產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常性的監測。土壤水分的變化與土壤特性、降水、灌溉、蒸發、土水勢等因素都有關系，并且其動態變化是一個復雜的系統問題，可通過合適的模型進行預測。墑情預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-大氣連續體（SPAC）水分傳輸模型等：隨機性模型包括數理統計模型、隨機水量平衡模型等。

2　系統總體設計

土壤墑情遠程監測及預警系統可分為4個部分，分別是墑情采集模塊、數據傳輸模塊、數據庫模塊和人機交互模塊。物聯網傳感器采集到土壤溫度、濕度等墑情數據以及實時氣象數據后，通過Zigbee/藍牙/Wifi/GPRS/3G/4G技術實現監測區域內或者不同監測區域間與智能終端、服務器之間數據的傳輸。服務器則對接收到的數據進行加工、存儲、查詢和分析。在應用終端，采用B/S、C/S或者APP等形式，結合GIS技術將數據或者決策結論以不同形態展示給用戶。

2.1土壤墑情數據采集模塊

農田土壤墑情數據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據進行采集。具體來說主要是傳感器通過頻域反射原理（TDR）發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裝置對監測點經度、緯度等地理信息數據進行記錄。數據采集可以使用固定式監測站或便攜式移動檢測儀進行。

監測區土壤墑情監測點設置主要考慮要素包括行政區劃、地形地貌、土壤質地、土壤物理特性、水文地質條件、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。監測點布設根據氣候、地形地貌、土壤類型劃分土壤墑情監測類型區，分別在不同類型區選擇種植模式一致的連片、有代表性的田塊設立土壤墑情監測點，每個類型區監測點不少于3個，每個監測點面積不小于2 000 m2。監測點應設立保護標志，并保持長期穩定。傳感器可根據監測需要，調整埋入土中的深度和層數。監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數據傳輸模塊

墑情數據的傳輸近距離可以采用Zigbee/藍牙/Wifi等無線傳輸方式。ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率，可以方便嵌入各種設備。藍牙（Bluetooth）是一個標準的無線通訊協議，具有芯片成本低、功耗低等優點，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定性和傳輸距離，但是價格和功耗都要高一些。

要實現不同監測區域間或者與服務器、智能終端之間數據的遠距離傳送就需要采用GPRS/3G/4G技術。上述技術具有覆蓋范圍廣、傳輸距離不受限制、網絡穩定、接入迅速等優點，可以實現海量數據的長距離穩定傳輸，同時目前移動通訊網絡模塊價格也很低廉，具有很好的實用性和可操作性。無線傳輸可擺脫農田中布線的困擾。

2.3數據庫模塊

數據庫模塊采用SQLServer2012建立關系型數據庫，具體數據庫表、結構、字段、標識符等設計可根據相關標準進行。一般應包括監測站基本信息表、設備配置信息表、含水量監測信息表和輔助監測信息表等。該模塊將接收到的各類數據進行整理并存儲，備后續查詢、分析和調用。墑情預報可在模型的基礎上對農田耕作層土壤水分的增長和消退程度進行預報，并將數據轉化為圖表和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，并可結合相應模型關系做出灌溉決策。

2.4應用交互模塊

應用交互模塊是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現信息的內部形式與用戶可以接受形式之間的轉換和傳遞，必須要做到易懂、簡單、實用。在應用終端（主要包括臺式電腦、農業服務觸摸屏一體機、智能手機等）采用B/S、C/S或者APP形式，結合GIS技術將數據或決策結論以不同形式展示給用戶，使用戶可以及時、快速、動態地獲取監測區內的土壤墑情等信息，并對農田灌溉進行有效的評價和適當的決策。

圖1　應用系統結構圖

3　結論

目前，物聯網等信息技術在農業上得到了廣泛應用，通過建立土壤墑情監測站，開發土壤墑情監測預警系統并研究相關配套灌溉標準和模型，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。筆者介紹了應用物聯網、無線數據傳輸、數據庫、模型和3S等技術進行農田土壤墑情遠程監測及預警的方法，并在實際生產中進行了大面積的應用。通過監測、傳輸、處理和應用，對土壤墑情進行實時監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.加快物聯網示范區建設 促進現代農業發展［J］.蔬菜，2013（12）：1-2.

［2］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.

［3］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.

S152.7

A

1002-0659（2015）06-0010-02

2015-09-24

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）

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