農業土壤含水率監測及灌溉系統研究

【摘要】土壤水分反映了農業干旱程度，以土壤水分為指標，可以指導農業灌溉。土壤的含水狀況俗稱土壤墑情，還包括土壤性質、深度等狀態，其關系到農作物的優質生長。不能及時、足量灌溉，或過量灌溉，都可能導致農作物根莖不能從土壤及時吸收水分，影響農作物的正常生長。另一方面，從農業節水、節能及可持續性發展角度考慮，在灌溉作業中，要實現農業灌溉水資源高效利用，必須實時、精確地掌握農田土壤水分信息，準確地控制灌溉開始時機、結束時機及水量，從而實現節水、節能和作物的良好生長雙重目標。

【關鍵詞】農業；土壤含水率；灌溉系統

對土壤含水率準確、連續、實時的監測是實現精量灌溉與農業高效用水的前提，而傳統的土壤含水率監測系統主要布設在土壤表面，對土壤進行耕作時，需要繞開地表的監測系統，使得土壤耕作不方便。針對傳統土壤含水率監測系統占用耕地、架設不方便等問題，設計和開發了一套適用于農田的基于無線地下傳感器的土壤含水率監測系統，系統能保證至少15天左右埋藏在土壤中，不影響農田耕作，架設和維護方便，為作物的精量節水灌溉提供決策依據。下面文章將會從監測系統的設計與選型方面強化整個農業土壤工作，希望能夠對相關工作的進行提供一定借鑒作用。

1、系統整體設計與選型

1.1 整體結構

系統整體由地下節點、地面接收節點、上位機終端構成。

1.2 地下節點結構設計

整個地下傳感器節點主要包括用于采集土壤含水率的水分傳感器、單片機、采樣/保持器、A/D模數轉換器、數據存儲器、鍵盤、液晶顯示模塊、電源模塊、nRF905無線通信模塊等。地下節點主要實現的功能是：傳感器采集土壤含水率，模數轉換器將采集得到的模擬信號轉換為數字信號，單片機控制無線模塊將數據信息發送至地面節點。

1.3 地面節點結構設計

地面接收節點硬件主要包括無線通信模塊、單片機、數據存儲器、鍵盤、液晶顯示模塊、串口通信模塊、電源模塊等。地面接收節點主要的功能是：接收無線地下傳感器節點傳回的土壤含水率數據，液晶屏顯示土壤含水率并由單片機控制將數據發送至串口，計算機接收串口處的土壤含水率，最終由上位機應用軟件在電腦上實時顯示并繪制土壤含水率變化曲線。

1.4 土壤水分傳感器的選型

基于性能、功耗、能否長期埋藏于地下以及價格等因素的考慮，本文選擇了北京聯創思源測控技術有限公司生產的FDS系列電容型土壤水分傳感器FDS-100。該傳感器是通過測量土壤介電常數并運用頻域反射法（FDR）來獲取土壤含水率，其測量得到的土壤含水率具有較高的線性度。傳感器測量的數據為量程0～100%的土壤體積含水率（volumetric water content，VWC），測量精度為±3%，分辨率達到0.001m3/m3VWC（Unism2012）。FDS-100運用低功耗設計，其工作電流僅為25mA，采用5～12V的寬伏供電，最低能在5V直流電源的供電下工作，輸出信號為0-1.5V的電壓信號，其具體輸出電壓信號的伏值隨VWC的變化而變化。

2、系統軟硬件設計

2.1 硬件設計

微控制器作為監測系統的核心，起著控制各個模塊正常工作的作用。微控制器通過數據處理與發出指令協調著各個模塊實現其相應的功能。近幾年來，微控制器越來越向著小型化、集成化、節能化的方向發展。發展過程中，微控制器的指令處理能力和處理速度都得到了大幅提高。

由于土壤水分傳感器傳回的數據是 0～1.5VDC 的電壓信號，電壓信號為模擬信號，而微控制器只能識別數字信號，所以要將傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號，這就需要用到 A/D 模數轉換器。

為確保地下傳感器節點采集得到的土壤含水率準確性較高，需要將傳感器采集到的土壤含水率與烘干法得到的含水率進行對比，之后對傳感器進行標定。為了方便對比實驗，在傳感器節點的硬件設計中加入液晶顯示模塊的接口，方便數據的對比與傳感器的標定，在傳感器節點埋入土壤中時，可取下液晶顯示模塊進一步降低功耗。

2.2 軟件設計

節點程序設計分為傳感器節點程序設計和地面接收節點程序設計。傳感器節點因為需要長期埋藏在土壤中，其程序設計應能包含低功耗設計，比如當完成一次土壤水分采集后系統應能進入待機狀態等待下一次采集指令，以達到節能的目的。傳感器節點采集并發送一次土壤含水率信息的工作流程應為：土壤水分傳感器采集土壤水分→A/D 轉換器進行模數轉換→LCD 顯示土壤含水率→無線模塊發送含水率數據。

地面接收節點的程序設計主要包括nRF905 數據接收程序和計算機串口通信程序。地面接收節點的主要實現的功能是接收傳感器節點傳回的土壤含水率數據，液晶屏顯示接收到的數據，同時把它通過串行口發送至計算機終端。

上位機軟件索要實現的功能是：主控制器將nRF905接收到的數據通過串口傳輸給計算機，計算機中的上位機軟件實時接收串口數據并繪制土壤含水率曲線。本設計編寫的上位機軟件功能強大，能夠選擇不同的串口接收串口數據，也能夠改變濕度曲線的顯示范圍方便用戶查看；實時顯示串口接收到的數據。

3、應用結果

3.1 系統測試

系統測試之前首先對土壤水分傳感器用烘干法進行了標定，使測得的土壤含水率具有較高的準確性。而后先在實驗室中進行了室內測試，完成了系統各項功能測試與調試，確保各個功能模塊能夠正常工作。之后在小麥試驗田里進行了田間測試，測定了地下節點在不同埋藏深度的傳輸距離，并將傳回的土壤含水率數據和同一深度實際用烘干法得到的土壤含水率、氣象站的監測到的含水率進行對比，分析了系統的可靠性。試驗主要測試系統的各項功能，包括無線地下傳感器節點采集土壤含水率、A/D 模數轉化、顯示并發送，地面節點接收數據并發至計算機應用軟件，地下節點與地面傳輸距離的測試。在本章節最后研究了測試結果，分析了測試誤差。

3.2 結果分析

傳輸距離試驗表明，地下節點與地面節點間的通信受地下節點埋藏深度的影響較大，地下節點埋藏越深，無線傳輸距離越短。

土壤含水率采集試驗表明，當地下節點埋藏深度為 30cm 時，監測系統采集到的土壤含水率與用烘干法得到的土壤含水率相比平均百分誤差為 2.25%；當地下節點埋藏深度為 45cm 時，監測系統采集到的土壤含水率與用烘干法得到的土壤含水率相比平均百分誤差為 1.96%；當地下節點埋藏深度為 60cm 時，監測系統采集到的土壤含水率與用烘干法得到的土壤含水率相比平均百分誤差為 2.36%。地下節點附近氣象站在60cm 深度監測到的土壤含水率，與實際用烘干法得到土壤含水率之間平均百分誤差為2.66%。由此得知，監測系統采集到的土壤含水率與用烘干法得到的土壤含水率平均百分誤差均小于 3%，準確性較高，且無線地下傳感器在傳輸距離范圍內數據輸出穩定，說明系統的數據采集性能較好。

綜上所述，本文建立了一種適用于農田的基于無線地下傳感器的土壤含水率監測系統，設計開發出無線地下傳感器節點、地面接收節點、電腦端上位機軟件，實現了土壤含水率數據穩定有效的無線傳輸，并在小麥試驗田中安裝了無線地下傳感器監測系統的測試單元，測試了系統的可靠性。本設計是基于無線地下傳感器構建成的監測系統，驗證了無線地下傳感器的可應用性，因其對耕作的影響較小，可廣泛應用于農業信息無線監測當中。無線地下傳感器監測系統的首要問題是要設計開發地下節點系統、解決地下與地面間的通信問題，本文在研究的過程中，給出了無線地下傳感器節點的體系結構，完成了地下發送節點的硬件設計和地面接收節點的硬件設計。

參考文獻：

[1] 李鼎，韓文霆，朱冰欽. 基于無線傳感器網絡的土壤含水率監測系統設計[J]. 農機化研究，2013，03：140-144.

[2] 宋艷，黃留鎖. 農業土壤含水率監測及灌溉系統研究——基于物聯網模式[J]. 農機化研究，2017，04：237-240.

[3] 熊展，張波. 無線傳感器網絡系統在農田土壤含水率監測中的設計分析[J]. 電子技術與軟件工程，2015，06：78+95.