土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應用

趙澤英，彭志良，王 虎，李莉婕，陳維榕，孫長青

（貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所，貴州貴陽550006）

農(nóng)業(yè)信息·農(nóng)業(yè)工程·資源環(huán)境

土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應用

趙澤英，彭志良，王 虎，李莉婕，陳維榕，孫長青

（貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所，貴州貴陽550006）

為了對作物生長發(fā)育期間的灌溉、施肥或排水措施決策提供技術支持，以計算機網(wǎng)絡為通訊平臺，以數(shù)據(jù)庫為核心，開發(fā)集數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)管理為一體的土壤墑情自動監(jiān)測信息系統(tǒng)，使墑情采集、動態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理及共享服務融為一體。建立7個監(jiān)測示范站與管理中心，實現(xiàn)一站式獲取土壤墑情數(shù)據(jù)、連續(xù)監(jiān)測和實時查看數(shù)據(jù)，實現(xiàn)監(jiān)測點數(shù)據(jù)自動采集、儲存等功能，并提供從網(wǎng)站、C／S客戶端與手機等方式數(shù)據(jù)查詢。

土壤墑情；監(jiān)測站；自動監(jiān)測；貴州

當今世界面臨著人口、資源和環(huán)境三大問題，而水的問題越來越成為關鍵問題之一，1960－2000年間，貴州農(nóng)田發(fā)生干旱的面積為161 624萬hm2，占自然災害總受災面積（3 530.21萬hm2）的45.78%，年均受旱面積達39.42萬hm2，干旱成為對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)威脅最大、發(fā)生面積最廣、損失最重的自然災害。土壤墑情是最重要和最常用的反映土壤干旱程度的重要參數(shù)之一，快速、準確地測定農(nóng)田土壤墑情信息，可及時了解旱情的發(fā)生，對旱情做出有效評估，制定合理有效的抗旱決策，使有限的水資源得到優(yōu)化配置和合理使用。可為政府職能部分提供有效的農(nóng)田土壤墑情基礎數(shù)據(jù)與信息。

我國土壤墑情測報起步于20世紀50年代的烘干法監(jiān)測，隨著土壤水分傳感器、移動通訊等技術迅速發(fā)展和土壤墑情采集與監(jiān)測工作的深入，土壤墑情采集工作正逐步實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集與儲存，實現(xiàn)一站式獲取土壤墑情數(shù)據(jù)與連續(xù)監(jiān)測［1－5］。目前，市場上進行土壤墑情采集的儀器較多，但大多數(shù)生產(chǎn)廠商都進行了技術控制，一旦采用其建立系統(tǒng)，以后基本不能再使用其他廠商的設備，軟件平臺也必需采用相關廠商的系統(tǒng)，建設成本高。部分土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)面臨著監(jiān)測站點的數(shù)量和質量跟不上發(fā)展要求，硬、軟件協(xié)同性不理想，系統(tǒng)的信息源面窄、共享程度低等缺點。因此，在對現(xiàn)有的國家標準規(guī)范進行研究和對貴州土壤墑情監(jiān)測實施情況調研的基礎上，對現(xiàn)代土壤墑情監(jiān)測設備進行性價分析比較，進行土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)研究，為作物生長發(fā)育期間的灌溉、施肥或排水措施決策提供技術支持，為抗旱減災新技術及成果的轉換提供科學依據(jù)。

1 系統(tǒng)結構

以土壤水分傳感器、GPRS、ZigBee等技術為基礎［68］，遵循分步式架構，集中管理的原則，通過構建土壤墑情監(jiān)測站網(wǎng)、建設土壤墑情自動監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與管理平臺，組建具備分級管理、可實時監(jiān)測土壤墑情的信息系統(tǒng)（圖1）。

墑情數(shù)據(jù)采集站點通過ZigBee＋GPRS無線通信＋單片機數(shù)據(jù)采集器＋傳感器的模式，根據(jù)墑情監(jiān)測需求配置集成傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和無線傳輸模塊，采集區(qū)域土壤墑情數(shù)據(jù)；單點的監(jiān)測站直接使用GPRS傳輸數(shù)據(jù)，多點相距較近的站點采用ZigBee與GPRS的混合型網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，在具有有線網(wǎng)絡或WIFI網(wǎng)絡的地方采用ZigBee與Internet傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡架構Fig.1 The network architecture of soil moisture automatic monitoring system

土壤墑情自動監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與管理平臺可以通過不同的網(wǎng)絡方式與墑情數(shù)據(jù)采集站點聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，可實現(xiàn)固定站無人值守的情況下土壤墑情數(shù)據(jù)通過有線、無線等傳輸方式實時傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，實現(xiàn)墑情信息的遠程連續(xù)監(jiān)測。授權用戶通過客戶端瀏覽器登錄系統(tǒng)后能夠讀取數(shù)據(jù)庫的相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對傳感器節(jié)點土壤墑情采集信息的采集、傳輸、查詢、分析及顯示等，同時對系統(tǒng)的運行和監(jiān)測區(qū)域內的傳感器節(jié)點進行監(jiān)控。實現(xiàn)一站式獲取土壤墑情數(shù)據(jù)，實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，實時查看數(shù)據(jù)，目前可提供網(wǎng)站、C／S方式與手機方式查詢數(shù)據(jù)。

2 墑情監(jiān)測站

墑情監(jiān)測站是開展農(nóng)田土壤墑情信息采集工作的重要基地，墑情監(jiān)測點中主要的設備包括土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和太陽能供電系統(tǒng)。在硬件選擇上采用成熟的技術及設備，采用開放式系統(tǒng)體系，系統(tǒng)中采用的協(xié)議、技術及設備強調支持國際或國家標準，便于系統(tǒng)的升級和互聯(lián)。充分考慮特殊的天氣、環(huán)境等因素，選擇定型生產(chǎn)、精度較高、運行穩(wěn)定和性價比較高的通信設備、遙測設備、傳輸設備和傳感器設備，保證系統(tǒng)的可靠性。

土壤水分溫度傳感器采用沈陽巍圖SWCP1及聯(lián)創(chuàng)思源FDS120。數(shù)據(jù)采集器采用沈陽巍圖DMG－1、昆侖海岸JZH、美國Campbell CR1000、聯(lián)創(chuàng)思源SMC1800、中科明緯WL200或自主開發(fā)產(chǎn)品，ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊采用中科明緯WL110、昆侖海岸JZH系列或自主開發(fā)產(chǎn)品，GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊采用深圳宏電H7710GPRS和中科明緯WL600。在有市電供電的地方采用朝陽電源交流轉直流電源轉換器、12A膠體電池，野外無市電供電的地方采用40W太陽能板、24A膠體電池的太陽能供電系統(tǒng)，可滿足連續(xù)陰雨5～8d監(jiān)測點的供電。

3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊以16位超低功耗單片機系統(tǒng)為核心，以采集傳感器的輸出信號為功能，采用MODBUS協(xié)議，以直流模擬量輸入或脈沖量輸入方式，連接土壤水分、土壤溫度、空氣溫濕度、風速風向和蒸發(fā)等輸出模擬或脈沖信號的傳感器，完成對傳感器采集參數(shù)設置、數(shù)據(jù)存儲及傳輸?shù)炔僮鳌Ｍㄟ^RS232接口連接數(shù)據(jù)傳輸模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程交互。

以SQL Server 2008設計DTU信息、RTU數(shù)據(jù)信息、傳感器信息和墑情數(shù)據(jù)等4個表組成的墑情信息數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫。基于·net framework環(huán)境、C／S結構模式，采用Visual C＋＋和Socket網(wǎng)絡編程技術設計開發(fā)通過有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)絡等與數(shù)據(jù)采集模塊連接的服務器端的伺服軟件墑情采集控制平臺，整個系統(tǒng)包括主程序、數(shù)據(jù)采集、通信程序等。其中，通信程序包括通信協(xié)議制定、數(shù)據(jù)傳輸通信設計、數(shù)據(jù)發(fā)送設計和數(shù)據(jù)接收設計，墑情采集控制平臺可按用戶需要收發(fā)指令，采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)站點通信與傳感器設備的配置界面Fig.2 The configuration interface between communication of system site and sensing device

田間數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集器與服務器的接口軟件（圖2），是服務器采集控制平臺與數(shù)據(jù)采集器之間通訊的橋梁，是整個監(jiān)測系統(tǒng)最為核心的一款軟件，其不僅能夠精確地收集并測量相關環(huán)境信息，還可和采集控制平臺實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，最大限度地滿足用戶對土壤墑情數(shù)據(jù)的測試、記錄和存儲，兼顧工作人員進行各參數(shù)的查詢和修改。采集控制系統(tǒng)作為服務端軟件，將接入的客戶端加入列表，可以進行數(shù)據(jù)采集時間段、采集間隔和設備參數(shù)等的設置，記錄客戶端接入時間和掉線時間；系統(tǒng)按照傳感器設備的配置，自動發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，并會在后臺自動處理客戶端返回的數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)實時存儲到數(shù)據(jù)庫，將指令通過傳輸模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)采集控制模塊進行操作。

4 數(shù)據(jù)管理與共享

以SQL Server 2008設計系統(tǒng)用戶、環(huán)境參數(shù)閥值、作物生長、采集數(shù)據(jù)、采集模塊、日志、區(qū)域、傳感器及設備類型等組成土壤墑情信息數(shù)據(jù)庫。以Visual C＃2008、Eclipse 4.3為工具，采用B／S＋C／S架構，開發(fā)可通過web網(wǎng)絡系統(tǒng)、桌面客戶端系統(tǒng)、手機APP對其進行訪問數(shù)據(jù)的存儲與管理系統(tǒng)。系統(tǒng)將各個監(jiān)測站點采集到的土壤水分信息及氣象信息等實時顯示出來。授權用戶通過客戶端瀏覽器登錄系統(tǒng)后能讀取數(shù)據(jù)庫的相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對傳感器節(jié)點土壤墑情采集信息的采集、傳輸、查詢、分析和顯示，同時，對系統(tǒng)的運行和監(jiān)測區(qū)域內的傳感器節(jié)點進行監(jiān)控。系統(tǒng)需要滿足用戶通過網(wǎng)絡訪問的需求，通過設置權限，對不同層次用戶對系統(tǒng)的操作加以控制。web網(wǎng)絡的貴州土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)檢索、動態(tài)新聞、標準規(guī)范、墑情簡報、系統(tǒng)管理和系統(tǒng)簡介模塊（圖3）。

5 系統(tǒng)示范應用

圖3 WEB版的貴州土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)主頁與查詢界面Fig.3 The homepage and querying interface of Guizhou soil moisture monitoring system（WEB Edition）

在貴州省內選擇不同作物與生態(tài)環(huán)境的錦屏縣敦寨鎮(zhèn)龍池萬畝果場椪柑園、南明區(qū)永樂鄉(xiāng)萬畝桃園、遵義溪鎮(zhèn)都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)（蔬菜）、關嶺縣板貴鄉(xiāng)火龍果園、普定縣城關鎮(zhèn)后寨林場梨園建立7個土壤墑情自動監(jiān)測示范點（圖4）。采用貴州省農(nóng)業(yè)科學院現(xiàn)有的網(wǎng)絡平臺，設立數(shù)據(jù)庫服務器與中心采集平臺，建立土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)，與監(jiān)測站組成一套針對性強、管理清晰的系統(tǒng)。系統(tǒng)可實現(xiàn)固定站無人值守的情況下土壤墑情數(shù)據(jù)通過有線、無線等傳輸方式實時傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，通過Internet／GPRS遠程數(shù)據(jù)無線傳輸、管理，實現(xiàn)墑情信息的遠程連續(xù)監(jiān)測。系統(tǒng)能夠實現(xiàn)貴州省土壤墑情監(jiān)測站聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，中心平臺可以直接接收、管理分布離散的各地土壤墑情監(jiān)測點數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫，開展土壤墑情監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)共享服務或作為報表基礎數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。

7個監(jiān)測示范點中遵義縣三岔、新民2個點配置傳感器分別為土壤水分1個、空氣溫濕度1個和土壤溫度1個；凱里市舟溪點配置傳感器為土壤水分1個和土壤溫度1個；錦屏縣龍池點配置傳感器為土壤水分2個（分15cm、40cm）、空氣溫濕度1個和土壤溫度1個；南明區(qū)永樂點配置傳感器為土壤水分2個（分20cm、50cm）、空氣溫濕度1個和土壤溫度1個；關嶺縣板貴點配置傳感器為土壤水分2個（分15cm、40cm）、空氣溫濕度1個、土壤溫度1個、雨量1個、風向1個、風速1個、輻射1個和蒸發(fā)1個；普定縣后寨林場點配置傳感器為土壤水分2個（分15cm、40cm）、空氣溫濕度1個、土壤溫度2個、雨量1個、風向1個、風速1個和輻射1個。

圖4 貴州部分土壤墑情監(jiān)測站示范點Fig.4 Some soil moisture monitoring demonstration stations in Guizhou

5 小結

土壤墑情自動監(jiān)測預報系統(tǒng)的建立旨在進一步提高土壤墑情管理工作的自動化和信息化水平，系統(tǒng)2011年開始建設，到2016年已運行5年，可靠性與實用性基本達到目標。系統(tǒng)的建立，及時、準確地掌握當前土壤墑情，為有關部門及時、快捷獲得土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)快速分析與匯總提供有效的解決工具。結合天氣預報，可以做好土壤墑情預測預報工作，及早提出和采取有效的農(nóng)業(yè)技術措施，便于根據(jù)當前的旱情狀況及發(fā)展趨勢及時調整農(nóng)業(yè)種植結構，有組織計劃用水，使農(nóng)業(yè)水資源得到有效利用。項目建設的7個土壤墑情自動監(jiān)測站中，關嶺縣板貴點、普定縣后寨點和南明區(qū)永樂點均建有水肥一體系統(tǒng)，墑情監(jiān)測的數(shù)據(jù)除可進入總庫外，更多的是為果園的水肥管理實施提供依據(jù)，改變果農(nóng)僅憑感覺或經(jīng)驗進行灌溉的現(xiàn)狀。

［1］唐海弢，陳天華，鄭文剛.土壤墑情監(jiān)測預報技術研究進展［J］.灌溉排水學報，2010（2）：140－142.

［2］袁永玲，鄭福壽，劉國華.土壤墑情自動化監(jiān)測系統(tǒng)探討［J］.科技風，2012（24）：19－20.

［3］楊紹輝，楊衛(wèi)中，王一鳴.土壤墑情信息采集與遠程監(jiān)測系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2010（9）：173－177.

［4］楊衛(wèi)中，王一鳴，石慶蘭，等.吉林市土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)及利用［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2010（S2）：177－181.

［5］劉炳忠，張 鑫.國內外土壤墑情監(jiān)測技術及應用［J］.山東水利，2008（12）：13－15，17.

［6］陳天華，唐海濤.基于ARM和GPRS的遠程土壤墑情監(jiān)測預報系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2012（3）：162－166.

［7］賈科進，王文貞，杜太行，等.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)［J］.節(jié)水灌溉，2014（3）：69－71，74.

［8］楊海天，于婷婷，李春勝，等.基于GPRS的土壤墑情遠程監(jiān)測系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)工程，2016（1）：32－36.

（責任編輯：聶克艷）

Development and Application of Soil Moisture Automatic Monitoring System

ZHAO Zheying，PENG Zhiliang，WANG Hu，LI Lijie，CHEN Weirong，SUN Changqing
（Guizhou Institute of Agricultural Science and Technology Information，Guiyang，Guizhou550006，China）

The integrated soil moisture automatic monitoring information system including data collection，data management and database at the core based on the communication platform was established，which integrates soil moisture collection，dynamic monitoring，data management and shared service to provide the technological support for decision－making of irrigation，fertilization and drainage measures during crops growth and development period.Seven monitoring demonstration stations and management centers with functions of one－step gaining soil moisture data，continuous monitoring，realtime view data and data automatic collection and storage.The related data can be queried by websites，C／S client－side and cellphones.

soil moisture；monitoring station；automatic monitoring；Guizhou

S126

A

1001－3601（2016）08－0357－0131－04

2016－02－12；2016－07－21修回

貴州省農(nóng)業(yè)科技攻關項目“果蔬作物物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術集成與示范”［黔科合NY字（2011）3097］；貴州省農(nóng)業(yè)科學院項目“土壤墑情自動監(jiān)測預報系統(tǒng)的研究與應用”［黔農(nóng)科院院專項（2011）031］，“貴州辣椒、火龍果數(shù)字化管理技術研究”［黔農(nóng)科院自主創(chuàng)新科研專項字（2014）011］，“農(nóng)業(yè)園區(qū)水肥精準控制管理技術研究與示范”

趙澤英（1975－），男，研究員，從事農(nóng)業(yè)信息技術研究。E－mai1：605538133＠qq.com