太陽能無線地面土壤水分檢測系統

陳宇承，余銳穎，朱艷怡，李業謙

（中山大學南方學院，廣州510970）

0 引言

近年來，我國對農業的生產越來越重視，土壤水分是影響農業生產的重要因子之一，土壤水分不僅影響土壤的物理性質，關系著土壤中養分的溶解、轉移和微生物的活動，而且它更是植物賴以生存的基本條件。通過使用土壤水分檢測進行實時的監控，有利于掌握不同作物在同一時期對土壤水含量的不同要求，同一作物在不同時期對土壤水分含量的不同要求以及土壤水分含量對作物產量的影響。通過了解土壤水分含量在進行耕作、灌溉、施肥等各種農業措施時，就顯得尤為重要了，特別是在進行灌溉，排水規劃設計時，所以掌握土壤水分資料對農業生產實踐有重要意義，因此研究出了太陽能無線地面土壤水分檢測系統的必要性。

目前的農業土壤水分檢測設備過于簡陋且花費人力物力較大。需要而外的供電設備，人工到點進行土壤水分檢測，這過于單一模式的讀取。缺少了不間斷的土壤水分檢測，不能夠實時監控土壤水分的含量。通過太陽能無線地面土壤水分檢測系統可以做到無需外部的供電設備，做到不斷電連續地采集土壤水分數據，實時監控土壤水分含量，可實時進行應急處理。對土壤水分分別進行間隔為每隔1、10、20分鐘的土壤水分數據采集、儲存和分析，數據由軟件展示給用戶看。并且進行了每隔1小時拍攝土壤圖片，進行觀察土壤的變化情況。土壤水分含水量數據保存的方式為本地保存和云端服務器保存，做到土壤水分數據的永久保存。以此拋開了傳統的土壤水分檢測的技術。

因此在傳統的土壤水分檢測的基礎上，研究了太陽能無線地面土壤水分檢測系統，它通過自身的發電系統和無間斷的土壤水分數據采集、分析、儲存，并且能遠程查看土壤水分數據。所以太陽能無線地面土壤水分檢測系統更能勝任現代農業發展的必要，現代農業的發展需要這種技術。

1 材料與總體設計

1.1 檢測材料與設備

該系統主要采用18V、30W單晶硅太陽能板，12V、20AH的鉛酸蓄電池，太陽能控制輸出電壓器，1.5米高的柱桿。嵌入了Linux系統的樹莓派板子，出于大連哲勤科技農業部有限公司基于Modbus協議，RS-485傳輸的土壤水分傳感器、溫度和濕度傳感器、GPS模塊等。

1.2 系統的實現

通過分布定點方式進行設備的安置，通過設備進行土壤水分數據等采集，電腦端可以顯示數據和進行數據庫儲存數據，并通過無線技術把數據上傳到云端服務器，進而用戶可以隨時通過電腦端或手機端查看土壤水分含水量等數據兩種方式，做到實時監控。如圖1。

圖1

1.3 測試儀總體設計

測試儀器室由樹莓派作為控制系統和傳感器組成，大體功能如圖2。

圖2

1.4 太陽能發電系統的設計

圖3

2 軟件設計

2.1 周期讀取

①分別時間間隔為1分鐘的數據采集如圖4。

②時間間隔為10分鐘的數據采集為圖5。

③時間間隔為20分鐘的數據采集為圖6。

④時間間隔為1小時的拍攝土壤圖片如圖7。

⑤不斷刷新地地圖定位如圖8。

圖4

圖5

圖6

圖7

2.2 用戶選擇查看的設備節點

采集節點軟件圖如圖9，單采集節點1的數據展示圖如圖10。

圖9

圖10

2.3 數據分析

含水量、溫度、濕度各300條數據生成的3D圖，X軸為水含量%，Y軸為溫度℃，Z軸為濕度H%。

圖11

3 結語

（1）針對當前對農業土壤水分檢測的研究較少的問題，于是筆者研究了一套太陽能無線地面土壤水分檢測，當前現代化農業生產需要這種技術。通過土壤水分分別每間隔1、10、20分鐘的檢測，濕度普遍在100～160H%，溫度普遍在 12～22℃，含水率普遍在 30～49%，影響條件存在晝夜溫差大等。

（2）土壤水分傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、GPS模塊等采取抽樣調差的方式進行分布，可以研究出土壤含水量的分布情況，可以進行土壤區域內不同農作物種植，做到農業生產量的最大化。

（3）方便用戶遠程查看農作物生長環境的情況，獲取土壤表面情況的圖片，做到實時性的應急效果。還可以通過每年的數據記錄獲取農作物的生長最優的時間段和最優的土壤含水率。

（4）實現自發電太陽能系統給檢測設備供電，無需人工供電和到點測試，采用GPS定位便可知該土壤水分檢測系統在何處，做到方便處理和快速應急。

本系統做到了現代農業生產的數據采集，分析，遠程查看數據，數據儲存，無需人力等現代化技術。但目前未研究出太陽能板追日系統，今后會進一部的進行研究。