分布式农田土壤墒情集中监测管理系统

摘要：农田土壤墒情对作物的生长起到至关重要的作用，为了使作物生长在适宜含水量的土壤中，采用无线通信技术设计了分布式农田土壤墒情集中监测管理系统，监测中心与农田土壤墒情监测站采用C/S架构设计。根据规划，土壤墒情监测站部署在各地的农田内，利用土壤水分传感器FDS100采集土壤水分信息，再通过GPRS网络建立与监测中心的TCP/IP网络连接将采集到的数据上传；监测中心将接收到的数据进行解析、处理、分析，获取被监测区域农田的土壤墒情，并参照作物生长发育规律，为农田管理者提供精准的灌溉指导。系统准确实时地获取了各监测站的土壤墒情信息，实现了分布式农田土壤墒情的集中监测，能够为作物的精准灌溉管理提供强有力的数据支持。

关键词：土壤墒情；远程监测；无线通信；自动控制；精准灌溉

中图分类号： TP274+.4；S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0428-03

收稿日期：2013-03-05

基金资助：国家自然科学基金（编号：61170243）。

作者简介：张歌凌（1975—），女，河南开封人，硕士，讲师，主要研究方向为计算机应用与人工智能。E-mail：xuhaiup@126.com。适宜的水分是农作物正常生长不可缺少的因素，干旱或者洪涝都会影响作物的产量。我国水资源非常缺乏，如何在保证增产增收的前提下，合理利用水资源进行农业灌溉是建设农业现代化的基本要求[1-3]。不同作物对水分的需求有明显差别，作物在不同生长阶段对水分的需求也不一样，有些地区的农业管理者会不定期到农田测量土壤墒情，用于指导农业灌溉，但是这种方法存在工作效率低、实时性差、准确度低的问题[4]。为了掌握农田土壤墒情的连续变化规律，笔者设计了分布式农田土壤墒情集中监测管理系统，通过水分传感器对各地的农田土壤墒情数据进行采集、处理，并通过GPRS网络将土壤墒情数据上传到监测中心，根据作物的生长发育规律，指导农田管理者进行精准灌溉，大大提高了作物产量，现将分布式农田土壤墒情集中监测管理系统介绍如下。

1系统总体设计

土壤墒情评价指标以土壤含水量占田间持水量比值的比重来表示[5]。为了获得农田的土壤墒情信息，要综合考虑该地区的土壤特性、作物分布、地势等因素，选择有代表性的采样点。这些采样点一般数量多、分布广，很难通过铺设线路方式进行数据通信，考虑到数据传输量不是很大，为此，采用覆盖广泛的GPRS网络实现系统数据的交互。分布式农田土壤墒情集中监测管理系统主要由土壤墒情监测点、农田土壤墒情监测站、集中监测中心、通信网络等组成。系统整体结构如图1所示。系统中农田土壤监测站与集中监测中心采用C/S架构设计。由于单点监测容易出现随机性，影响测量的准确度，为提高系统的监测精度，在每个监测站周围50 m处均匀设置4个监测点，每次上传的数据均来自这4个监测点，采用剔除均值法对这4个数据进行处理，大大提高了系统的测量精度。考虑到监测点节能、数据量不大等因素，农田土壤监测站与土壤墒情监测点之间采用ZigBee无线网络进行数据通信，每个监测点只需要1节干电池就能工作半年以上，保证系统能够长时间运行。

根据系统设定，农田土壤墒情监测站定时向监测点发送测量指令，并接收监测点返回的土壤墒情数据，剔除均值后，将监测站ID、采集时间、土壤墒情等数据按照规定的通信协议打包，再通过GPRS网络与集中监测中心建立的TCP/IP网络连接上传。集中监测中心可设置为自动获取数据，还可按设定的时间间隔设定采样频率，实现连续或者动态监测土壤墒情数据。由于GPRS网络是基于IP地址的数据分组通信网络，集中监测中心主机需要配置固定公网的IP地址，各农田土壤监测站使用中国移动通信公司的SIM卡。在监测中心利用管理软件对信息进行统计处理，当土壤水分过高或者过低时，系统通过控制GPRS模块向指定的农田管理者发送实时的农田土壤墒情预警短消息；系统还可产生各种报表输出，并将数据进行图形化显示，实现了农田土壤墒情数据的可视化管理[6]。

2监测站硬件平台及工作原理

系统的农田土壤墒情监测站、监测点共用同一个硬件平台设计，都采用MSP430F149作为控制器核心，只是在扩展接口上添加相应的功能模块，并编写程序。

2.1农田土壤墒情监测站设计

农田土壤墒情监测站硬件平台采用控制器MSP430F149作为监测站的核心，主要由ZigBee收发器CC2530、土壤水分传感器FDS100、GPRS通信模块SIM300C、太阳能电池板、蓄电池、电源管理等单元组成（图2）。由于农田电网不是很健全，为给系统提供持续稳定的电能，采用太阳能发电方式为系统供电。白天通过太阳能电池板接收光照，并转化为电能储存在蓄电池内，夜间系统利用蓄电池供电，保证了系统持续供电，即使遇到阴雨天，蓄电池的容量也可以维持整个系统运行1～2周[7]。

2.1.1控制器MSP430F149控制器MSP430F149主要负责处理、运算、协调各模块之间的工作，通过串口与ZigBee无线通信模块CC2530连接，直接访问内部寄存器、存储器，实现点对点或者点对多点的快速组网。控制器MSP430F149的串口与GPRS通信模块SIM300C连接进行数据通信，实现网络配置、数据收发。

2.1.2ZigBee收发器CC2530组建ZigBee网络的通信模块选取了适应2.4 GHz IEEE802.15.4的RF收发器CC2530芯片，它具有优良代码预取功能的低功耗8051微控制器内核，并提供了与MUC之间通信的接口，可以方便地发出命令、配置参数、读取设备状态、收发数据[8]。4种供电模式之间可以自由切换，且转换时间较短，进一步确保了低功耗的工作状态，是一整套完整的片上系统解决方案。每个ZigBee节点都有唯一的ID，通过8位拨码开关实现设置。endprint

2.1.3GPRS通信模块SIM300C系统中的GPRS模块采用的是新一代GSM/GPRS模块SIM300C，能工作在EGSM900、DCS1800、PCS1900 3个频段；提供GSM 语音、短消息、GPRS上网等业务；内置集成了完整的TCP/IP协议栈[9]；提供端到端的广域无线IP连接，工作时的最大下行传输速度为 85.6 kb/s，最大上行速度为42.8 kb/s。监测站将数据打包处理后，通过串口以字符串的形式发到GPRS模块SIM300C上，模块SIM300C与附件的GPRS基站通信，移动基站的SGSN再与网关支持接点GGSN进行通信；GGSN对分组数据进行相应的处理后，再进行TCP/IP协议转换将数据打包，再由SIM300C模块以GPRS数据包的形式将数据发送到移动的CMNET，最后通过GPRS的服务接点GSN将数据发送到 Internet 上，根据监测站对目标地址的设置，寻找Internet上监测中心服务器主机上的IP地址、端口号[10]。

2.2土壤墒情监测点

土壤墒情监测点主要由控制器MSP430F149、3组土壤水分传感器FDS100、ZigBee收发器CC2530、干电池组、电源管理单元等部分组成。监测点硬件平台组成如图3所示。

系统采用土壤水分传感器FDS100，探针长度为6 cm，密封性强，具有防水防潮能力；供电电压为5～12 V直流电，工作电流25 mA，土壤含水量为0～100%，输出信号为 0～1.5 V 直流电。FDS100土壤水分传感器输出信号与土壤水分含量具有良好的线性关系，不要重新标定。监测点采用间隔供电，只在采集时才对传感器供电，避免出现常供电导致的土壤理化性质变异情况，导致测量结果误差增大。3组土壤水分传感器FDS100分别测土壤深度为10、20、40 cm的田间持水量，输出电压信号与控制器MSP430F149的ADC口相连，再求3个传感器测得的均值，最后通过无线模块CC2530建立的ZigBee网络连同节点ID发送到监测站。

3土壤墒情集中监测中心

土壤墒情集中监测中心的管理软件应用程序采用 VC++ 6.0环境开发编写而成，运行在监测中心的服务器上，主要负责处理各监测站上传的土壤墒情数据，再进行数据处理、归类分析。管理软件具有网络通信、数据处理与显示、分析预测、自动报警、报表统计、数据存储等功能[11]。管理软件结构与功能框图如图4所示。

管理软件通过调用Socket函数与分布在各地的监测站建立TCP/IP网络连接，接收各监测站定时发送的土壤墒情数据，对这些数据进行处理，并将结果实时显示在屏幕上，也可通过调用Teechart控件实时绘制某区域的墒情-时间曲线图，同时将数据存储在ACCESS2003数据库中[12]。对历史数据进行统计分析，还可以建立墒情变化趋势模型，并预测未来一段时间内土壤墒情的变化情况，指导农业管理者提前进行精准灌溉；一旦发现某区域出现不利于作物生长的旱情，监控中心的显示器会发出报警信号，并通过AT指令控制监测模块SIM300C向预存管理者的手机号码及时发送短消息，提醒管理者进行补水灌溉作业。

4结果与分析

为了验证系统的工作性能，笔者对华北某地区的冬小麦生长过程进行了土壤墒情监测，冬小麦的生长时期主要分出苗期、幼苗期、返青期、拔节期、灌浆期5个阶段。系统设置了8个土壤墒情监测站，每个监测站有4个监测点，每个监测点有3个土壤水分传感器，测定土壤深度分别为10、20、40 cm的田间持水量，再取这3个传感器的均值，即可得到该监测站的农田持水量，测量结果如表1所示。

从表1可以看出，8个监测站测得冬小麦5个生长期内的土壤持水量都在冬小麦适宜生长范围。4号监测点属于沙土，保持水分的能力稍微差一些，但是通过合理灌溉，也能够使其保持在冬小麦各生长期的适宜生长范围内。拔节期到抽穗期以及抽穗期到成熟期2个时期小麦耗水量最高，各占小麦全生育期总耗水量的35%、40%左右，通过农田土壤墒情集中监测管理系统可以准确测量各区域土壤的墒情。

5结论

本研究针对目前传统农田土壤墒情监测手段较为繁杂的问题，借助GPRS网络，提出了基于GPRS无线通信方式的分布式农田土壤墒情集中监测方案，引入了多点、多土壤深度的测量方法，大大提高了测量精度。监测中心的服务器端软件结构设计合理、功能强大，能实现数据的实时显示、分析预测、自动报警、报表统计等功能。系统工作稳定、测量精度高，可实现对土壤墒情的集中实时监测，降低了农田管理者的劳动强度，有效指导农田灌溉水量调配，为建设智能化、现代化农业奠定了基础。

参考文献：

[1]李所林，宋威，宋良平，等. 便携式土壤墒情和土壤温度测量仪的设计[J]. 电子技术应用，2013，39（7）：28-30，34.

[2]解宪丽，李安波，于泳. 面向多目标应用的土壤空间决策支持平台[J]. 计算机应用研究，2008，25（12）：3578-3580，3586.

[3]王喜枝，常介田，王立河，等. 灌溉条件下河南省土壤墒情变化规律初探[J]. 河南农业科学，2012，41（2）：73-77.

[4]陈金华，杨再强，杨太明，等. 安徽省土壤水分监测预测系统[J]. 应用气象学报，2011，22（2）：249-256.

[5]吴振宇，孙俊，王奕首，等. 基于遗传算法的土壤墒情传感器优化布局策略[J]. 农业工程学报，2011，27（5）：219-223.

[6]张兵，黄文生，王荣. 基于可编程逻辑控制器的智能化灌溉控制系统研究[J]. 江苏农业科学，2013，41（6）：374-376.

[7]刘艺，聂一雄，王星华，等. 基于GPRS的低压配电网监控系统下行控制信号通信研究[J]. 电力系统保护与控制，2010，38（11）：147-150.

[8]张永梅，王凯峰，马礼，等. 基于ZigBee和GPRS的嵌入式远程监测系统的设计[J]. 计算机科学，2012，39（6）：222-225，234.

[9]王亚男，王福林，朱会霞. 田间信息的远程获取与无线传输系统的设计[J]. 农机化研究，2013，35（3）：92-95.

[10]潘峥嵘，张浩，朱翔，等. 基于GPRS的灌区水资源监控系统设计与实现[J]. 计算机测量与控制，2011，19（12）：2958-2960.

[11]黄兴，俞一彪. 可远程控制的气象信息显示与语音播报系统[J]. 计算机应用与软件，2013，30（8）：39-42.

[12]李祥林，包理群，李颖. 森林火灾远程监测及移动预警系统[J]. 计算机应用与软件，2012，29（4）：159-162.endprint

2.1.3GPRS通信模块SIM300C系统中的GPRS模块采用的是新一代GSM/GPRS模块SIM300C，能工作在EGSM900、DCS1800、PCS1900 3个频段；提供GSM 语音、短消息、GPRS上网等业务；内置集成了完整的TCP/IP协议栈[9]；提供端到端的广域无线IP连接，工作时的最大下行传输速度为 85.6 kb/s，最大上行速度为42.8 kb/s。监测站将数据打包处理后，通过串口以字符串的形式发到GPRS模块SIM300C上，模块SIM300C与附件的GPRS基站通信，移动基站的SGSN再与网关支持接点GGSN进行通信；GGSN对分组数据进行相应的处理后，再进行TCP/IP协议转换将数据打包，再由SIM300C模块以GPRS数据包的形式将数据发送到移动的CMNET，最后通过GPRS的服务接点GSN将数据发送到 Internet 上，根据监测站对目标地址的设置，寻找Internet上监测中心服务器主机上的IP地址、端口号[10]。

2.2土壤墒情监测点

土壤墒情监测点主要由控制器MSP430F149、3组土壤水分传感器FDS100、ZigBee收发器CC2530、干电池组、电源管理单元等部分组成。监测点硬件平台组成如图3所示。

系统采用土壤水分传感器FDS100，探针长度为6 cm，密封性强，具有防水防潮能力；供电电压为5～12 V直流电，工作电流25 mA，土壤含水量为0～100%，输出信号为 0～1.5 V 直流电。FDS100土壤水分传感器输出信号与土壤水分含量具有良好的线性关系，不要重新标定。监测点采用间隔供电，只在采集时才对传感器供电，避免出现常供电导致的土壤理化性质变异情况，导致测量结果误差增大。3组土壤水分传感器FDS100分别测土壤深度为10、20、40 cm的田间持水量，输出电压信号与控制器MSP430F149的ADC口相连，再求3个传感器测得的均值，最后通过无线模块CC2530建立的ZigBee网络连同节点ID发送到监测站。

3土壤墒情集中监测中心

土壤墒情集中监测中心的管理软件应用程序采用 VC++ 6.0环境开发编写而成，运行在监测中心的服务器上，主要负责处理各监测站上传的土壤墒情数据，再进行数据处理、归类分析。管理软件具有网络通信、数据处理与显示、分析预测、自动报警、报表统计、数据存储等功能[11]。管理软件结构与功能框图如图4所示。

管理软件通过调用Socket函数与分布在各地的监测站建立TCP/IP网络连接，接收各监测站定时发送的土壤墒情数据，对这些数据进行处理，并将结果实时显示在屏幕上，也可通过调用Teechart控件实时绘制某区域的墒情-时间曲线图，同时将数据存储在ACCESS2003数据库中[12]。对历史数据进行统计分析，还可以建立墒情变化趋势模型，并预测未来一段时间内土壤墒情的变化情况，指导农业管理者提前进行精准灌溉；一旦发现某区域出现不利于作物生长的旱情，监控中心的显示器会发出报警信号，并通过AT指令控制监测模块SIM300C向预存管理者的手机号码及时发送短消息，提醒管理者进行补水灌溉作业。

4结果与分析

为了验证系统的工作性能，笔者对华北某地区的冬小麦生长过程进行了土壤墒情监测，冬小麦的生长时期主要分出苗期、幼苗期、返青期、拔节期、灌浆期5个阶段。系统设置了8个土壤墒情监测站，每个监测站有4个监测点，每个监测点有3个土壤水分传感器，测定土壤深度分别为10、20、40 cm的田间持水量，再取这3个传感器的均值，即可得到该监测站的农田持水量，测量结果如表1所示。

从表1可以看出，8个监测站测得冬小麦5个生长期内的土壤持水量都在冬小麦适宜生长范围。4号监测点属于沙土，保持水分的能力稍微差一些，但是通过合理灌溉，也能够使其保持在冬小麦各生长期的适宜生长范围内。拔节期到抽穗期以及抽穗期到成熟期2个时期小麦耗水量最高，各占小麦全生育期总耗水量的35%、40%左右，通过农田土壤墒情集中监测管理系统可以准确测量各区域土壤的墒情。

5结论

本研究针对目前传统农田土壤墒情监测手段较为繁杂的问题，借助GPRS网络，提出了基于GPRS无线通信方式的分布式农田土壤墒情集中监测方案，引入了多点、多土壤深度的测量方法，大大提高了测量精度。监测中心的服务器端软件结构设计合理、功能强大，能实现数据的实时显示、分析预测、自动报警、报表统计等功能。系统工作稳定、测量精度高，可实现对土壤墒情的集中实时监测，降低了农田管理者的劳动强度，有效指导农田灌溉水量调配，为建设智能化、现代化农业奠定了基础。

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[11]黄兴，俞一彪. 可远程控制的气象信息显示与语音播报系统[J]. 计算机应用与软件，2013，30（8）：39-42.

[12]李祥林，包理群，李颖. 森林火灾远程监测及移动预警系统[J]. 计算机应用与软件，2012，29（4）：159-162.endprint

2.1.3GPRS通信模块SIM300C系统中的GPRS模块采用的是新一代GSM/GPRS模块SIM300C，能工作在EGSM900、DCS1800、PCS1900 3个频段；提供GSM 语音、短消息、GPRS上网等业务；内置集成了完整的TCP/IP协议栈[9]；提供端到端的广域无线IP连接，工作时的最大下行传输速度为 85.6 kb/s，最大上行速度为42.8 kb/s。监测站将数据打包处理后，通过串口以字符串的形式发到GPRS模块SIM300C上，模块SIM300C与附件的GPRS基站通信，移动基站的SGSN再与网关支持接点GGSN进行通信；GGSN对分组数据进行相应的处理后，再进行TCP/IP协议转换将数据打包，再由SIM300C模块以GPRS数据包的形式将数据发送到移动的CMNET，最后通过GPRS的服务接点GSN将数据发送到 Internet 上，根据监测站对目标地址的设置，寻找Internet上监测中心服务器主机上的IP地址、端口号[10]。

2.2土壤墒情监测点

土壤墒情监测点主要由控制器MSP430F149、3组土壤水分传感器FDS100、ZigBee收发器CC2530、干电池组、电源管理单元等部分组成。监测点硬件平台组成如图3所示。

系统采用土壤水分传感器FDS100，探针长度为6 cm，密封性强，具有防水防潮能力；供电电压为5～12 V直流电，工作电流25 mA，土壤含水量为0～100%，输出信号为 0～1.5 V 直流电。FDS100土壤水分传感器输出信号与土壤水分含量具有良好的线性关系，不要重新标定。监测点采用间隔供电，只在采集时才对传感器供电，避免出现常供电导致的土壤理化性质变异情况，导致测量结果误差增大。3组土壤水分传感器FDS100分别测土壤深度为10、20、40 cm的田间持水量，输出电压信号与控制器MSP430F149的ADC口相连，再求3个传感器测得的均值，最后通过无线模块CC2530建立的ZigBee网络连同节点ID发送到监测站。

3土壤墒情集中监测中心

土壤墒情集中监测中心的管理软件应用程序采用 VC++ 6.0环境开发编写而成，运行在监测中心的服务器上，主要负责处理各监测站上传的土壤墒情数据，再进行数据处理、归类分析。管理软件具有网络通信、数据处理与显示、分析预测、自动报警、报表统计、数据存储等功能[11]。管理软件结构与功能框图如图4所示。

管理软件通过调用Socket函数与分布在各地的监测站建立TCP/IP网络连接，接收各监测站定时发送的土壤墒情数据，对这些数据进行处理，并将结果实时显示在屏幕上，也可通过调用Teechart控件实时绘制某区域的墒情-时间曲线图，同时将数据存储在ACCESS2003数据库中[12]。对历史数据进行统计分析，还可以建立墒情变化趋势模型，并预测未来一段时间内土壤墒情的变化情况，指导农业管理者提前进行精准灌溉；一旦发现某区域出现不利于作物生长的旱情，监控中心的显示器会发出报警信号，并通过AT指令控制监测模块SIM300C向预存管理者的手机号码及时发送短消息，提醒管理者进行补水灌溉作业。

4结果与分析

为了验证系统的工作性能，笔者对华北某地区的冬小麦生长过程进行了土壤墒情监测，冬小麦的生长时期主要分出苗期、幼苗期、返青期、拔节期、灌浆期5个阶段。系统设置了8个土壤墒情监测站，每个监测站有4个监测点，每个监测点有3个土壤水分传感器，测定土壤深度分别为10、20、40 cm的田间持水量，再取这3个传感器的均值，即可得到该监测站的农田持水量，测量结果如表1所示。

从表1可以看出，8个监测站测得冬小麦5个生长期内的土壤持水量都在冬小麦适宜生长范围。4号监测点属于沙土，保持水分的能力稍微差一些，但是通过合理灌溉，也能够使其保持在冬小麦各生长期的适宜生长范围内。拔节期到抽穗期以及抽穗期到成熟期2个时期小麦耗水量最高，各占小麦全生育期总耗水量的35%、40%左右，通过农田土壤墒情集中监测管理系统可以准确测量各区域土壤的墒情。

5结论

本研究针对目前传统农田土壤墒情监测手段较为繁杂的问题，借助GPRS网络，提出了基于GPRS无线通信方式的分布式农田土壤墒情集中监测方案，引入了多点、多土壤深度的测量方法，大大提高了测量精度。监测中心的服务器端软件结构设计合理、功能强大，能实现数据的实时显示、分析预测、自动报警、报表统计等功能。系统工作稳定、测量精度高，可实现对土壤墒情的集中实时监测，降低了农田管理者的劳动强度，有效指导农田灌溉水量调配，为建设智能化、现代化农业奠定了基础。

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[6]张兵，黄文生，王荣. 基于可编程逻辑控制器的智能化灌溉控制系统研究[J]. 江苏农业科学，2013，41（6）：374-376.

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[12]李祥林，包理群，李颖. 森林火灾远程监测及移动预警系统[J]. 计算机应用与软件，2012，29（4）：159-162.endprint