農田玉米土壤墑情遠程監測云平臺的設計與應用

臧賀藏　王猛　張杰　李國強　趙晴　胡峰　鄭國清

摘要：[目的]研發農田玉米土壤墑情遠程監測云平臺，獲取實時動態農田玉米土壤墑情信息，為玉米科學灌溉提供數據支持，以保證夏玉米高產穩產。[方法]采用GPRS網關接人互聯網，433Mhz無線電組成本地局域網的方式，在河南省永城市等市（縣）的玉米田地安置土壤墑情監測點，對土壤墑情信息進行自動采集和分析。[結果]土壤墑情遠程監測云平臺能夠實現玉米大田土壤墑情的實時動態監測、在線地圖定位、歷史數據查詢和統計分析及短信預警等功能。自2015年以來，在河南省永城市、汝州市、西華縣和原陽縣等市（縣）進行應用，測試結果表明，該云平臺可準確地對農田玉米土壤墑情的變化規律進行長期實時定位監測；通過土壤墑情監測數據分析可知，其監測數據可以真實反映農田玉米土壤墑情實際狀況。[結論]設計的土壤墑情遠程監測云平臺能夠滿足農田玉米土壤墑情科學監測需求，為玉米實現精準灌溉提供了在線數據采集與分析平臺。

關鍵詞：玉米；土壤墑情；實時監測；設計；應用

中圖分類號：S126 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）11-2107-06

0引言

[研究意義]在玉米生長發育過程中，土壤水分過多或過少現象相當普遍，不僅對玉米植株生長造成不利影響，還直接影響玉米產量和品質。適時適量水分投入是實現玉米高產和水分高效利用的重要途徑。王同朝等（2014）研究土壤水分對河南省玉米產量的影響，發現土壤水含率與夏玉米產量密切相關，當田問持水量達80%時，夏玉米籽粒產量最高。適量土壤墑情是保證作物健康生長的必要條件，同時是衡量抗旱、節約水資源的一個重要指標（Nameta1.，2012；Zhueta1.，2017）。傳統的土壤墑情監測信息手段落后，方法單一，且耗費人力，不能實時連續在線監測，在生產實踐中大多處于試運行狀態。因此，尋找和構建一種能快速獲取大田玉米土壤墑情信息的監測云平臺，有利于在高溫干旱寡雨季節對夏玉米進行適時適量灌溉，以滿足玉米對水分的需求，對保證玉米高產穩產具有重要的現實意義。[前人研究進展]目前，國內已有專家學者在許多作物上開展了土壤墑情遠程監測云平臺構建。樊志平等（2010）開發了基于ZigBee無線傳感網絡和J2EE三層B/S架構技術的柑橘園土壤墑情遠程監控系統，實現對采集數據分析處理和遠程實時監控；顧巧英等（2012）利用土壤墑情監測系統，實現對有機葡萄園土壤墑情的實時監測與灌溉決策；蔡甲冰等（2015）設計了土壤墑情的實時監測與灌溉決策系統，實現了作物田問精量灌溉管理和控制。此外，李楠等（2010）開發了基于3S技術聯合的農田墑情遠程監測系統，該系統主要解決了土壤墑情采集組網，可起到定位作用，缺點是通信距離短；楊紹輝等（2010）研發了土壤墑情信息采集與遠程監測系統，可利用移動手機短信發送信息，其缺點是無法實現實時讀取和本地多臺設備聯網；楊衛中等（2010）開發了吉林市土壤墑情監測系統，該系統的缺點是使用全球移動通信系統（GSM）短信上傳，費用高、速度慢、不靈活，無法實現實時采集；劉衛平等（2015）設計了一套基于銥星通信技術的土壤墑情遠程監測網絡，主要解決了偏遠無GPRS信號地區的土壤墑情采集，其缺點是銥星模塊成本高，通信費用貴，通信流量極小，無法實現實時測量和高頻率測量。[本研究切入點]從應用現狀來看，現有的土壤墑情監測系統仍存在更新和進一步完善的空間，以上這些系統均采用無線通信技術，但由于采集點分散、網絡通信費成本較高，不易擴展。[擬解決的關鍵問題]利用傳感器檢測技術、網絡通信技術和數據分發技術，自主研發土壤墑情遠程監測云平臺，以實現農田玉米土壤墑情的實時動態監測、在線地圖定位、統計分析和短信預警等功能，通過干旱預測模型和灌溉強度模型，解決傳統監測的諸多難題和不足，為玉米科學灌溉提供數據支持。

1系統設計

1.1總體結構

綜合考慮農田土壤墑情和所用傳感器的功耗、監測系統野外使用的方便性和靈活性及數據采集的準確性，本研究中土壤墑情遠程監測系統由土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、數據采集器、網絡通信模塊、Internet網絡、服務器程序和客戶端程序組成（圖1）。由于玉米根系主要分布在0-60cm土層中，因此硬件系統設計主要實時采集3路土壤（上層0～20cm、中層20-40cm和底層40-60cm）濕度信息和1路土壤溫度信息（圖1）；同時，由于實時降雨量數據以土壤濕度的形式直接反映在土壤濕度傳感器上，因而降雨量測量對土壤墑情監測并不是必須項。由圖1可知，多個土壤墑情采集點通過433Mhz的無線網絡組成本地局域網，將采集信息匯總至一個中心點，信息上傳網絡方式需要根據中心點的情況進行選擇，如果中心點有網絡，則優先選擇有線網絡進行數據上傳；如果中心點沒有網絡，則選擇GPRS的方式進行數據上傳。服務器收到數據后，對數據進行解析操作，并將數據存儲在數據服務器內。

由圖1的左下部分可知，用戶登錄按照權限可查看相應的部分，一個管理員賬號可管理多個普通賬號，每個普通賬號只能查看自己有權限查看的部分。當用戶需要查看數據時，首先通過GET或POST向應用服務器請求數據，應用服務器收到請求后，對請求進行解析，然后從數據服務器獲取數據返回給用戶，實現用戶的多終端數據查看和管理功能。

1.2硬件設計

本研究的土壤墑情遠程監測裝置主要包括電源模塊、用電管理模塊、數據采集模塊、控制模塊、數據存儲模塊、通信模塊及遠程服務器等7個部分（圖2）。（1）電源模塊分別與數據采集模塊和控制模塊相連，為其供電。（2）用電管理模塊主要控制數據采集模塊和控制模塊通電。（3）數據采集模塊主要用于實時采集和處理土壤墑情信息，其輸出端經控制模塊連接數據存儲模塊，依次經控制模塊和通信模塊連接遠程服務器。（4）控制模塊用于根據遠程服務器的指令控制數據采集模塊動作，模塊采用stm32f104芯片，通過三極管放大電路控制繼電器開合，實現控制子電路通/斷電。（5）數據存儲模塊用于對數據采集模塊采集到的信息進行存儲。通信模塊采用GPRS無線通信模塊，用于信號傳輸。（6）遠程服務器主要用于接收、存儲數據，并部署監測系統服務器端軟件。（7）數據采集模塊包括傳感器安裝尺及設置在傳感器安裝尺上的土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器，均采用輸出信號為4-20mA的電流型傳感器，傳感器安裝尺上刻有刻度，土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器設置在傳感器安裝尺的預留插槽位置，在使用時，將傳感器安裝尺按照刻度埋入地下，能夠保證所有點位的傳感器安裝深度一致，保證土壤墑情監測結果的準確性和可靠性。數據采集模塊不間地采集土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器傳輸過來的電流信號，并將數據按照系統設定存儲時間存儲在系統外部存儲器中，用于歷史數據查詢，與此同時，將拷貝一份數據存入數據發送緩存中，當收到遠程查詢指令時，則將緩存中數據發送給遠程服務器。

電源模塊采用太陽能電池板和蓄電池，太陽能電池板與蓄電池相連，太陽能電池板經過太陽照射后產生電流，通過太陽能充電控制器變壓和控制后，給蓄電池和設備充電。如圖3所示，太陽能電池板設置在墑情監測立桿上，墑情檢測立桿由立桿上半部3和立桿下半部6組成，通過螺絲5固定連接，立桿上半部3的頂端設置有太陽能電池板安裝支架2，太陽能電池板安裝支架2上設置有太陽能電池板托盤；立桿下半部6的底部固定設置有地埋基座7，地埋基座7與立桿下半部6互相垂直，在使用時，地埋基座7和立桿下半部6均埋設于地下，當土回填后，土的重力壓在地埋基座7上，能夠保證土壤墑情監測立桿的穩定性。

1.3軟件設計

本研究中運用VisualStudio2013作為開發工具，采用B/S與C/S混合開發架構，采用WindowsServer2008操作系統和SQLServer2008數據庫系統，自主研發土壤墑情遠程監測云平臺，包括Android版、PC版和Web版3種版本。功能結構如圖4所示：

（1）實時監測模塊，主要包括實時數據顯示、曲線圖和預警信息管理等功能。實時數據顯示主要通過GPRS無線網絡通信技術及數據分發管理技術實現數據傳輸，獲取的數據按照自定義的數據格式存入數據庫，實時顯示當前的土壤溫濕度數據，并以折線圖的形式顯示24h的數據變化情況。預警信息管理根據傳感器設定的閥值向用戶發送手機短信，進行預警信息提醒。當土壤溫濕度參數出現異常時，系統通過手機短信的方式及時準確地發出警報提醒，從而幫助用戶制定相應對策。

（2）數據分析模塊，主要包括查詢分析和對比分析等功能。該模塊可為用戶提供數據查詢、導出下載及統計分析等服務。尤其對玉米生產過程中監測到的土壤墑情參數進行處理分析，以相應的圖表形式呈現，輔助用戶及時了解玉米生長情況。查詢分析主要以用戶選擇區域及節點信息、傳感器、時間類型、顯示方式、開始結束時間來查詢“所有數據”“小時均值”“日均值”“月均值”等數據，查詢分析結果均以表格形式顯示，對比分析則是以折線圖、柱狀圖、區域面積圖顯示監測指標的變化情況。

（3）地圖展示模塊，主要包括監控站點管理和數據實時顯示等功能。該模塊可直觀地為用戶提供監控站點位置和數據實時顯示的在線地圖定位。以REST發布的河南省矢量化地圖方式加載并展示所有用戶管理下的節點信息，通過配置經緯度信息加載所有監控站點最新采集數據展示。

（4）輔助決策模塊，主要包括干旱等級預測和輔助灌溉管理等功能。該模塊可根據當前墑情監測站采集到的數據情況，利用灰色預測模型，通過一定時間的數據觀察和記錄，對可能出現干旱的地區進行預測。輔助灌溉管理功能是根據實時墑情監測數據和干旱預測結果進行評價，若旱情短期內結束，提醒管理者注意作物長勢狀況；若旱情在一段時間內蔓延，則根據旱情的等級，提醒管理者進行灌溉，提醒的內容包括當前干旱等級、干旱預計持續時間、干旱區域、灌溉強度等信息。

（5）系統管理模塊，主要包括用戶管理、節點管理和傳感器管理等功能。該模塊詳細記錄了系統所有的操作記錄。用戶管理是系統管理員對所有用戶登錄名稱、密碼等其他基本信息進行權限設置與管理。節點管理是系統管理員對所有節點信息名稱、位置、硬件編號、獲取方式、采集命令等其他基本信息進行設置與管理。傳感器管理是系統管理員對節點下硬件所包含的所有傳感器采集數據的基本信息進行設置與管理。

2系統應用

2.1系統的安裝與應用

本研究設計的土壤墑情遠程監測云平臺于2015年在河南省永城市主要院縣合作示范區首次安裝，安裝數量為19套，之后汝州市、西華縣和厚陽縣等市（縣）逐步開展試點。以永城市為例，圖5是監測平臺在玉米大田實際運行情況。系統自2015年安裝以來運行狀況良好，玉米根區埋設3層土壤溫濕度傳感器，每隔3min自動監測土壤溫濕度數據。監測的數據可通過GPRS或有線方式傳輸至數據服務器，存儲在數據庫，便于進一步挖掘和分析。

2.2墑情監測數據顯示與分析

實時監測模塊主要針對農田玉米生產中的土壤溫濕度進行實時監測。如圖6所示，PC版用戶通過點擊云平臺實時監測界面左側區域中永城A組土壤墑情某個監控站點列表，在右側區域相應顯示土壤墑情的實時數據。以永城市1號演集鎮土壤墑情數據為例，該數據包括土壤溫度、土壤濕度信息，用戶可及時了解當前玉米生長的墑情信息，并根據這些信息進行適量灌溉。如圖7所示，選擇傳感器、時間類型和顯示方式等信息，通過開始和結束時間來查詢土壤墑情數據，系統將以多種信息顯示方式（數值、曲線、柱狀圖等），可實時同步監測多站點墑情，提供強大的數據存儲、分析、曲線等功能。

2.3運行成本分析

土壤墑情監測站每次上傳數據包大小為19字節（5字節設備ID，2字節設備功能代碼，8字節數據內容，2字節校驗，2字節服務器狀態），目前設備使用的移動物聯卡為10元包70MB流量/月，一個月70MB的數據流量可支持每分鐘高達80條以上的數據傳輸（（70*1024"1024）/19/（30*24*60）=89）。若數據量大可選擇20元包150MB/月，且移動物聯卡有充值6個月包月費用（送6個月包月費用）的優惠活動。

3討論

監測土壤水分和土壤溫度的數據及其變化規律是玉米生產的重要工作，從水源到玉米產量形成的整個過程，做好土壤墑情監測預報，有利于指導節水灌溉。通過對夏玉米生產全過程的墑情監測，實現土壤墑情信息的實時采集，為夏玉米提供最適宜的生長環境，進而提高玉米生產過程中的精準化管理水平。

趙雷（2014）利用GSM無線通信網絡發送土壤墑情信息，通過上位機軟件對地處偏僻、偏遠且相對面積比較大的農田進行實時土壤墑情監測。張緒利（2015）設計了基于GIS土壤墑情信息采集和遠程監控系統，實現了土壤墑情數據的采集、傳輸、存儲及歷史數據的查詢，解決了土壤墑情數據傳輸距離遠及對其進行實時監測的問題。宋晗（2016）提出了基于Zigbee的土壤墑情自動監測系統，實現了土壤墑情的數據采集和遠程數據傳輸。孫巖等（2016）設計了一套便攜式土地墑情監測系統，利用GPRS實現監測系統和中心服務器的數據傳輸，可隨時隨地檢測土壤墑情并實時顯示。本研究采用太陽能供電方式，無需連接外部電源和有線網絡，可選擇任意地點安裝，不影響玉米耕種收獲；同時節能環保，達到省電省網的效果。在任何有手機信號的地方，土壤墑情設備與服務器均可進行點對點的通信，能夠長時間連續實時監測農田玉米土壤剖面不同深度土壤墑情的變化情況，監測的數據可通過GPRS或有線方式傳輸至數據服務器，對任意時間段內玉米土壤墑情進行曲線分析，為玉米科學灌溉和管理提供技術支撐。

4結論

設計的土壤墑情遠程監測云平臺能夠滿足農田玉米土壤墑情科學監測需求，為玉米實現精準灌溉提供了在線數據采集與分析平臺，也為研究其他作物的精準灌溉提供借鑒。

（責任編輯鄧慧靈）