農業用地土壤監控系統研究

張瑜　劉芳

[提要] 土壤環境直接影響著農作物的生長和產出，農業土壤監控系統能實時監控土壤的環境參數，對現代農業高效生產、科學管理有著重要作用。本文介紹一款采用物聯網架構設計的土壤監控系統，不僅實施成本低、系統穩定性好，還能實現土壤參數的實時監控，為規范我國農業生產、促進農業經濟發展提供有效保障。

關鍵詞：物聯網；農業；土壤監控；系統

浙江省供銷社課題：“基于物聯網的農業用地土壤智能監控系統的研究”（課題編號：13SS10）

中圖分類號：F32 文獻標識碼：A

收錄日期：2015年10月26日

我國是一個耕地緊缺的人口大國。近年來，隨著環境日益惡化和城市化進程，人口增多和可用耕地面積減少成為不可逆轉的矛盾。在自然經濟條件下的傳統農業生產存在管理粗放，生產技術落后，抵御自然災害能力差，濫施化肥、農藥導致土壤環境惡化，生態系統功效低等問題，農業生產方式改革刻不容緩。土壤環境直接影響著農作物的生長狀況，而農作物的生長又會反作用于土壤環境，因此對土壤環境進行實時監控、及時調整相關參數，能夠有力促進農作物增產增收。土壤監控系統可以根據不同的監控對象和場合，利用多種先進的傳感器和信息技術手段采集、存儲、分析、利用土壤環境信息，科學決策農業生產。

一、物聯網技術應用于我國農業

進入21世紀以來，隨著以傳感技術為代表的智能識別技術快速發展、移動通信網的擴容和多種智能終端設備的迅速普及，物聯網（IOT）技術在現代農業中的應用逐步拓寬。現代農業生產管理涉及土壤信息采集、智能信息處理、農業信息庫、專家系統、智能農機設備、市場分析等多個方面，涵蓋了生物、信息、機械、經濟等多個領域，呈現出多學科交叉的特點。

國外對農業物聯網和土壤環境監控的研究較早，以歐美為代表的發達國家，在信息技術和大規模農業生產方面積累頗多，目前他們在農業信息網絡建設、農業信息技術開發、農業信息資源利用等方面，利用“5S”技術（GPS、RS、GIS、ES、DSS）、環境監測系統、氣象和病蟲害監測預警系統等，對農作物生產進行精細化管理和調控，節約了人力資源，優化了種植水平，取得了較大成就。

我國農業存在耕地高度分散、生產規模小、時空變異大、量化和規模化程度差、穩定性和可控程度低等問題，另外由于廣大農民知識水平較低，過于復雜的農業信息化設備難以得到推廣應用。農業物聯網的研究帶動了土壤環境監控系統的發展，不僅能給農業生產帶來科學管理和高效益，也為農業信息化提供了可靠的硬件基礎，其快速發展將為中國農業與世界同步提供發展平臺，也將對傳統農業產業升級起到巨大的推進作用。

二、土壤監控系統需求分析

土壤環境涉及到害蟲分布密度、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、風速風向、降雨量、土壤濕度、土壤溫度、各項有機質、微量元素和農作物生長形態等多種相關參數。土壤環境對于農作物的生長發育具有重要影響，對土壤環境實施全方位實時監控，及時調整相關參數，可以有力促進農業增產增收。

現有土壤監控網絡大多存在網絡建設成本高、公共網絡接入速率低、操作復雜、網絡覆蓋范圍小、信息難以共享等不足，一定程度上影響到土壤環境監控網絡在現代農業生產中的普及推廣。基于農業物聯網架構的土壤環境監控系統可以達到低成本、低功耗、大區域、多參數、多地點、高接入速率等要求，并實現空氣溫度、濕度、土壤濕度、光照強度及水環境PH值和農作物生長形態的多參數實時在線監控。

實現土壤環境監控可以在農業生產現場設置多個參數感知節點，準確感知土壤環境信息和作物信息，通過標準化的傳感網絡匯集到網關。在多地布設土壤環境監控點，即可實現省級乃至全國范圍的土壤情況信息共享，也可以將數據存儲在服務器，用作農業基礎數據庫，指導農業生產，有利于防治各類病蟲害和氣候環境災害，達到提高農產品產量和品質的目的。

三、土壤監控系統整體設計

（一）系統架構設計。土壤監控系統支持GPRS組網與3G移動通信網、TCP/IP網絡的連接，通過GPRS進行無線數據的傳輸。GPRS是在現有GSM網絡上開通的一種新型的數據傳輸技術，采用分組交換方式，提高了無線信道和核心網絡的使用效率。在土地上安置基于無線傳感網絡的感知節點，利用節點的數據采集模塊獲取數據參數，即土壤濕度、土壤酸堿度、光照度等。采用異構數據存儲土壤數據，提高存儲能力和使用效率。采用ARM9微處理器平臺的嵌入式協調器網關，內嵌Web服務器，支持遠程客戶對協調器網關的訪問控制。

農業用地土壤智能監控系統將無線傳感器網絡與因特網、3G網絡有機融合，系統架構可分為三層分：感知層、網絡構建層和應用層。感知層由若干感知節點組成，搭載多參數傳感陣列以獲取田間信息，負責土壤監控數據的采集，可以在多點分別設置感知節點，保證數據采集的有效性；網絡構建層設備即協調器網關，包含了ZigBee協調器模塊、3G模塊和以太網模塊，主要負責系統的無線數據通訊，可以實時數據傳輸；應用層的農業環境監控中心由SQL數據庫和Web服務器構成，負責數據存儲和信息發布，并可根據實時和存儲的數據查看土壤情況、繪制土壤情況波形圖，提供智能土壤分析功能，為科學農業管理提供決策依據。

（二）系統工作流程。土壤監控系統的具體工作流程首先由土地中布置的眾多感知節點將采集到的土壤狀態數據匯聚到協調器網關，協調器網關負責將數據轉發給遠程農業環境監控中心進行存儲。農業環境監控中心服務器可以根據歷史數據或曲線形式顯示土壤環境變化過程，并根據數據提供智能分析，農戶可以通過智能手機、PC或其他智能終端訪問查詢環境參數，根據土壤環境變化進行合理的農業操作，也可以對感知節點和協調器網關進行控制管理操作。

四、土壤監控系統功能設計

（一）功能設計考慮因素。土壤監控系統應該能夠實現多地點、多參數的監測功能。多地點是指感知節點可以被布置到多個需要監測的區域，并能統一協調進行同步數據采集。多參數是指單一節點要能夠同時獲取多個環境參數，將多種傳感器布置在同一節點上，以充分了解農業現場信息。同時要能滿足農業專家、農業技術人員、普通農民能隨時隨地的訪問信息，以科學決策、指導、實施農業生產。考慮到我國從業農民主體上文化程度不高，應當盡量降低用戶使用“門檻”。從系統在農業田間安裝、管理和維護，到農戶使用，每個環節都應簡單易用，以提高農民使用的積極性。系統設計要盡量低成本、高效率，成本是限制農業土壤監控系統普及推廣的重要因素。高效的數據處理能力、工作的穩定性是系統得到廣泛應用的前提。

（二）功能模塊設計。基于GPRS平臺的無線監控系統由監控中心和監控終端兩部分組成。監控中心是PC機與數據通信模塊的組合，數據通信模塊包括控制模塊和GPRS無線模塊；監控終端是數據通信模塊與受控設備的組合。其中，監控中心的PC機及數據通信模塊完成控制參數和查詢命令的設置與發送以及響應監控終端的請求，監控終端的GSM/GPRS調制解調器接收控制參數和查詢命令并傳送給受控設備，同時將所接收到的受控設備的應答數據或操作受控設備的操作結果及狀態信息回送給監控中心，監控中心的數據中心存儲監控終端發來的信息，以備操作維護人員的查詢，對監控終端進行及時有效的操作，使監控終端正常運行。

根據對系統結構的分析，可將系統分為以下幾個功能模塊：（1）節點的數據采集模塊：需檢測的土壤通過相關傳感器，獲取數據參數，即土壤濕度、土壤酸堿度、光照度等；（2）基于GPRS的無線傳輸控制系統：基于GSM/GPRS網絡的遠程無線監控系統利用其雙向傳輸的特點，可方便地實現對于需要在田地上監測、操作和維護設備的遠程控制和信息采集，實現對系統設備實行遙信、遙測和遙控；（3）監控中心模塊：服務器端的監控中心可以實時查看、分析從節點上傳的土壤監控數據，并對監控數據進行存儲。可以根據數據繪制動態數據圖形，并提供智能數據分析，為用戶農業操作提供參考。農戶可以通過PC或智能手機登智能終端設備實時查看土壤監控數據。

五、結論

土壤監控系統的研究應用于農業中，實現了遠距離土壤濕度、土壤酸堿度、光照度測量等功能，可以快速對某區域的土壤進行測量，并實時繪出濃度分布曲線以及其隨時間改變的規律，從而為灌溉、施肥等農業操作提供數據參考，具有重大的社會意義和經濟價值。對于促進我國物聯網技術和農業經濟快速發展有著深遠影響，其市場前景也十分廣闊。

主要參考文獻：

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