农田土壤墒情远程监测及预警系统的设计与实现

邓永卓（天津市农业技术推广站，天津　300061）

农田土壤墒情远程监测及预警系统的设计与实现

邓永卓（天津市农业技术推广站，天津300061）

介绍了土壤墒情的概念和监测的必要性，提出通过物联网手段建设农田土壤墒情远程监测及预警系统并对其进行了设计。系统主要包括数据层、系统应用层及客户界面层。通过该系统可实现农田土壤墒情远程采集、评价、监控预警及灌溉决策等功能。

土壤墒情；监测预警；系统设计

干旱一直是妨碍农业可持续发展的一个重要因素。实践证明，农业灌溉节水1/2以上的潜力是在管理上。在作物增产灌溉和适时适量节水技术应用与研究中，做好土壤墒情监测并与作物需水量结合是精确管理田间用水量最直接的办法。土壤水分的监测和预报对于研究土壤水分运动、作物水分状况以及灌溉制度都具有重要意义，是农业用水管理和灾害预警服务的重要研究领域。近年来，农业信息技术特别是物联网技术在农业上得到了长足的应用，传感器、传输网络、数据存储和处理等技术的进步和应用成本的下降极大地促进了土壤墒情监测及预警技术在农业生产上的应用。

1　土壤墒情

农作物根系分布层土壤水的分布状态称为土壤墒情，其在作物产量的形成过程中起着决定性的作用，并随时间的变化而改变，所以需要对其进行实时的或者经常性的监测。土壤水分的变化与土壤特性、降水、灌溉、蒸发、土水势等因素都有关系，并且其动态变化是一个复杂的系统问题，可通过合适的模型进行预测。墒情预报模型可以分为确定性模型与随机性模型两大类：其中确定性模型包括水量平衡模型、土壤-植物-大气连续体（SPAC）水分传输模型等：随机性模型包括数理统计模型、随机水量平衡模型等。

2　系统总体设计

土壤墒情远程监测及预警系统可分为4个部分，分别是墒情采集模块、数据传输模块、数据库模块和人机交互模块。物联网传感器采集到土壤温度、湿度等墒情数据以及实时气象数据后，通过Zigbee/蓝牙/Wifi/GPRS/3G/4G技术实现监测区域内或者不同监测区域间与智能终端、服务器之间数据的传输。服务器则对接收到的数据进行加工、存储、查询和分析。在应用终端，采用B/S、C/S或者APP等形式，结合GIS技术将数据或者决策结论以不同形态展示给用户。

2.1土壤墒情数据采集模块

农田土壤墒情数据采集模块是利用土壤温、湿度传感器对不同深度的土壤温度和湿度等数据进行采集。具体来说主要是传感器通过频域反射原理（TDR）发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，IC电路通过检测探头输出的电压（土壤介电常数的变化通常取决于土壤的含水量）即可计算出土壤的含水量，同时利用GPS装置对监测点经度、纬度等地理信息数据进行记录。数据采集可以使用固定式监测站或便携式移动检测仪进行。

监测区土壤墒情监测点设置主要考虑要素包括行政区划、地形地貌、土壤质地、土壤物理特性、水文地质条件、地下水位高度、灌溉条件、作物种植的种类及范围、种植习惯等。监测点布设根据气候、地形地貌、土壤类型划分土壤墒情监测类型区，分别在不同类型区选择种植模式一致的连片、有代表性的田块设立土壤墒情监测点，每个类型区监测点不少于3个，每个监测点面积不小于2 000 m2。监测点应设立保护标志，并保持长期稳定。传感器可根据监测需要，调整埋入土中的深度和层数。监测点最好采用太阳能供电模块，这样可省去大量布线和后期田间电源维护工作。

2.2数据传输模块

墒情数据的传输近距离可以采用Zigbee/蓝牙/Wifi等无线传输方式。ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率，可以方便嵌入各种设备。蓝牙（Bluetooth）是一个标准的无线通讯协议，具有芯片成本低、功耗低等优点，但传输距离近，范围取决于功率和类别。Wifi相对于前两者来说具有更好的稳定性和传输距离，但是价格和功耗都要高一些。

要实现不同监测区域间或者与服务器、智能终端之间数据的远距离传送就需要采用GPRS/3G/4G技术。上述技术具有覆盖范围广、传输距离不受限制、网络稳定、接入迅速等优点，可以实现海量数据的长距离稳定传输，同时目前移动通讯网络模块价格也很低廉，具有很好的实用性和可操作性。无线传输可摆脱农田中布线的困扰。

2.3数据库模块

数据库模块采用SQLServer2012建立关系型数据库，具体数据库表、结构、字段、标识符等设计可根据相关标准进行。一般应包括监测站基本信息表、设备配置信息表、含水量监测信息表和辅助监测信息表等。该模块将接收到的各类数据进行整理并存储，备后续查询、分析和调用。墒情预报可在模型的基础上对农田耕作层土壤水分的增长和消退程度进行预报，并将数据转化为图表和GIS图像的形式展示给用户，使用者可方便明了地了解土壤墒情的变化范围和趋势，并可结合相应模型关系做出灌溉决策。

2.4应用交互模块

应用交互模块是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与用户可以接受形式之间的转换和传递，必须要做到易懂、简单、实用。在应用终端（主要包括台式电脑、农业服务触摸屏一体机、智能手机等）采用B/S、C/S或者APP形式，结合GIS技术将数据或决策结论以不同形式展示给用户，使用户可以及时、快速、动态地获取监测区内的土壤墒情等信息，并对农田灌溉进行有效的评价和适当的决策。

图1　应用系统结构图

3　结论

目前，物联网等信息技术在农业上得到了广泛应用，通过建立土壤墒情监测站，开发土壤墒情监测预警系统并研究相关配套灌溉标准和模型，科学指导适时适量灌溉，可显著提高农业生产效益和用水效率。笔者介绍了应用物联网、无线数据传输、数据库、模型和3S等技术进行农田土壤墒情远程监测及预警的方法，并在实际生产中进行了大面积的应用。通过监测、传输、处理和应用，对土壤墒情进行实时监测并对用户提出辅助决策，从而显著提升水资源配置与利用效率。

［1］邓永卓，李洁.加快物联网示范区建设 促进现代农业发展［J］.蔬菜，2013（12）：1-2.

［2］邓永卓.物联网技术在现代农业生产中的应用［J］.基层农技推广，2014（8）：61-63.

［3］邓永卓.农业定制手机终端的服务和发展模式探讨［J］.基层农技推广，2014（2）：18-20.

S152.7

A

1002-0659（2015）06-0010-02

2015-09-24

天津市农业科技成果转化与推广项目“农田土壤墒情远程监测及预警技术的引进与示范”（201303060）

邓永卓（1981-），男，高级农艺师，主要从事农业信息技术推广应用方面的工作。E-mail：dengyongzhuo@gmail.com