土壤墒情自动化监控系统研究

樊 冰，刘春华，杜文贞，王松岳，田 野

（山东省水利科学研究院，250014，济南）

一、土壤墒情自动化监控系统整体方案

土壤墒情自动化监控系统主要是对农业灌溉所需的土壤墒情信息进行自动监控，利用先进的传感设备，采集对作物生长起关键作用的土壤湿度、降雨量、地下水水位等因子，并对作物的生长情况进行实时视频监控，通过构建的计算机信息平台，对监测采集的数据进行分析处理。根据收集的大量监控数据信息，建立土壤墒情制约因素信息库，通过开发基于B/S结构的系统网站访问模式，实现实时精准墒情测报，提高水分生产率，实现农业高效用水，达到提高作物产量与品质的目的。该系统以土壤墒情信息自动采集为基础，以公共通信网络为依托，基于研发的一站式产品技术，对区内的农田灌区进行实时监控，形成一个智能化、网络化、多功能的土壤墒情数字化监控系统及网络，以确保作物的正常生长,其结构如图1所示。

二、田间现场土壤墒情监控设备

农田现场监控设备主要由智能数据采集终端、风光互补发电系统、土壤湿度传感器、地下水水位计、摄像机、雨量计、避雷器等组成。其中智能采集终端具有独立的16位AD转换器，提供每秒200次或40次的测量速率，并具有1uV灵敏度及0.6C精度。支持以2 304 K波特率在1.2 km范围内控制两个模块通道。EtherNet通信作为可选功能，可以使用TCP/IP协议以自身IP地址进行数据传输。风光互补发电系统可将太阳能电池和风力发电机有机地组成一个系统，有效地利用风能和太阳能在能量及时间上的互补性，充分发挥各自的特性和优势，最大限度地利用太阳能和风能。

三、网络数据通道

采用中国移动的GPRS/EDGE无线通信方式，覆盖范围广，数据通道亦可选用CDMA、3G等网络传输。中国移动的GPRS/EDGE无线传输网络技术成熟，网络覆盖好，传输速度一般可满足要求。

四、数据服务中心建设

管理平台的开发主要包含应用程序服务模块、数据库服务模块、Web服务模块三个部分。

1.应用程序服务模块

采用Delphi开发的后台应用程序服务模块具有以下功能：负责配置所有其他软件模块与应用服务器的连接、通信等系统数据和设备数据，为所有其他软件模块提供网络连接、通信及数据库操作等功能，与监控终端保持连接，24小时不间断运行，提供土壤含水量、地下水水位、雨量、电池电量等的信息采集控制，可将采集的信息直接保存到数据库。

图1 监控系统总体结构图

图2 数据库总体架构图

2.数据库服务模块

采用微软的SQL Server作为存储数据库，与.NET兼容性好。SQL Server是一个全面的、集成的、端到端的数据解决方案，它为组织中的用户提供了一个更安全可靠和更高效的平台，用于企业数据和BI应用，能达到本系统需求，并具有较高的性价比。数据库总体设计架构如图2所示。

3.Web服务模块

Web服务模块采用微软的IIS，Web应用程序采用微软ASP.NET开发，它提供统一的Web接口，用户可用IE浏览器登录数据服务中心网站地址，根据用户名/密码确定权限，进行相关的浏览、查询、监控、维护各种设备信息及状态等，该模块主要包含以下几个功能：

（1）视频监控功能

在Web用户端通过网络视频实时查看农田作物当前状态，能够实现多画面实时视频浏览监控，同时提供多站点（服务器）登录、视频参数控制、PTZ控制、录像控制、逻辑分组和分组轮跳等功能。录像回放功能可以播放视频保存文件，支持快进、倒退、单帧等播放功能，方便事后仔细浏览、审核录像文件等。

（2）控制功能

在Web用户端连接服务平台后，通过无线网络向农田终端发送指令，以达到控制终端的目的。比如可以控制云台转动来调整视野范围，控制电池上电、断电等。

（3）告警功能

告警功能主要分为土壤墒情告警、地下水水位告警、电池电量告警和终端开门告警。当土壤墒情达到某个预设值（阈值），地下水水位、电池电量低于某个预设值或终端门禁被打开时通过弹出对话框、红色字体显示等方式告知用户；当发现有设备离线、视频丢失、参数错误、状态错误的异常时通知管理员及时采取措施，无需人工手动查看各个设备的运行状态。

（4）WebGIS 功能

在Web用户端以电子地图的形式直观地显示农田的位置，以图文结合的形式显示当前农田的信息。电子地图主要包括以下功能：

①地图基本操作：包括地图平移、拖动等。

②地图编辑：系统管理员可在Web用户端(IE)以拖拽图标的方式将终端、设备放置到地图的指定位置上，保存后相应用户即可通过Web用户端 (IE)在电子地图上查看到该终端、设备图标。

③定位搜索：以列表的形式显示用户管辖范围内的农田、终端信息，用户可以通过列表的“定位”按钮快速在电子地图上定位到当前选中的终端信息，也可以通过点击地图相应摄像机图标进入视频监控界面。

④农田灌区、终端信息获取：用户可以在电子地图上单击终端图标显示当前终端的最新信息。

（5）基础数据配置

由系统管理员配置整个系统运行的基础数据。基础数据包括区域信息、农田信息、终端信息、设备信息、人员信息、用户端单位信息。

（6）数据统计功能

用户通过访问Web网站，可以统计查阅土壤湿度、地下水水位、雨量、电量等数据，还可以将雨量的数据报表导出EXCEL格式，生成年度、季度、月度统计报表。

五、灌溉智能决策系统

灌溉智能决策系统工作的原理是，根据采集传输的信息进行综合分析判断，确定出土壤含水量的实时值，然后与作物生长所需适宜含水量的上限比较，进行决策。当小于或等于设定的土壤含水量上限时，发出使机泵（或电磁阀）自动开启的指令，并且根据预先制定的灌水计划，按灌溉顺序、灌溉时间自动执行，直至机泵（或电磁阀）自行关闭。

系统软件根据作物在不同生长期的需水参数以及土壤条件等资料建立信息库，推理机根据信息采集系统输入的土壤含水量、空气温度湿度、降雨、光照、风速等资料和信息库比较，经推理后形成灌溉方案，通过接口电路送至相应的模块执行。

灌溉智能决策与控制系统软件的工作程序是：将监测控制命令由计算机串口发出，通过RS 232/RS 485转换模块将信号转换为传输距离较远的RS 485信号格式，信号通过RS 485网络传送至信息采集系统的因子采集变送设备上，各设备对命令进行解码处理后执行相应的操作。决策系统软件同时还实时监测GPRS远程监控MODEM是否有远程监控信号，当接收到远程监控信号时立即进行命令解密、解码处理，处理后的信息实时与信息库的规则或设置指令相比较，判断决策执行相应的操作指令，完成灌溉工作。

六、结 论

本技术方案在技术总结和深化的基础上，充分考虑了国内农田灌区的特点，在土壤墒情信息与自动化监控技术方面进行了有益探索及创新，形成了较为成熟的自动化监控技术，可以更全面、实时、准确地了解作物根系活动层土壤水分情况的运行状况，对于农田的旱涝情况能够提前预警，自动采取灌溉措施，对提高作物产量和灌溉节约用水具有重要意义。该项技术可广泛应用于农业、林业、地质等方面的土壤墒情监控，推广后必将产生较大的经济效益和社会效益。

[1]刘春华，田野，等.引黄渠道自动化测水技术[J].全国灌区量水技术专刊，2010.

[2]李莉，张彦娥，汪懋华.现代通信技术在温室中的应用[J].农业机械学报，2007（2）.

[3]郭志伟，张云伟，李霜.基于GSM的农田气象信息远程监控系统设计[J].农业机械学报，2009（3）.