土壤墒情自动监测系统的开发与应用

赵泽英，彭志良，王 虎，李莉婕，陈维榕，孙长青

（贵州省农业科技信息研究所，贵州贵阳550006）

农业信息·农业工程·资源环境

土壤墒情自动监测系统的开发与应用

赵泽英，彭志良，王 虎，李莉婕，陈维榕，孙长青

（贵州省农业科技信息研究所，贵州贵阳550006）

为了对作物生长发育期间的灌溉、施肥或排水措施决策提供技术支持，以计算机网络为通讯平台，以数据库为核心，开发集数据采集与数据管理为一体的土壤墒情自动监测信息系统，使墒情采集、动态监测、数据管理及共享服务融为一体。建立7个监测示范站与管理中心，实现一站式获取土壤墒情数据、连续监测和实时查看数据，实现监测点数据自动采集、储存等功能，并提供从网站、C／S客户端与手机等方式数据查询。

土壤墒情；监测站；自动监测；贵州

当今世界面临着人口、资源和环境三大问题，而水的问题越来越成为关键问题之一，1960－2000年间，贵州农田发生干旱的面积为161 624万hm2，占自然灾害总受灾面积（3 530.21万hm2）的45.78%，年均受旱面积达39.42万hm2，干旱成为对农业生产威胁最大、发生面积最广、损失最重的自然灾害。土壤墒情是最重要和最常用的反映土壤干旱程度的重要参数之一，快速、准确地测定农田土壤墒情信息，可及时了解旱情的发生，对旱情做出有效评估，制定合理有效的抗旱决策，使有限的水资源得到优化配置和合理使用。可为政府职能部分提供有效的农田土壤墒情基础数据与信息。

我国土壤墒情测报起步于20世纪50年代的烘干法监测，随着土壤水分传感器、移动通讯等技术迅速发展和土壤墒情采集与监测工作的深入，土壤墒情采集工作正逐步实现数据自动采集与储存，实现一站式获取土壤墒情数据与连续监测［1－5］。目前，市场上进行土壤墒情采集的仪器较多，但大多数生产厂商都进行了技术控制，一旦采用其建立系统，以后基本不能再使用其他厂商的设备，软件平台也必需采用相关厂商的系统，建设成本高。部分土壤墒情自动监测系统面临着监测站点的数量和质量跟不上发展要求，硬、软件协同性不理想，系统的信息源面窄、共享程度低等缺点。因此，在对现有的国家标准规范进行研究和对贵州土壤墒情监测实施情况调研的基础上，对现代土壤墒情监测设备进行性价分析比较，进行土壤墒情自动监测系统开发研究，为作物生长发育期间的灌溉、施肥或排水措施决策提供技术支持，为抗旱减灾新技术及成果的转换提供科学依据。

1 系统结构

以土壤水分传感器、GPRS、ZigBee等技术为基础［68］，遵循分步式架构，集中管理的原则，通过构建土壤墒情监测站网、建设土壤墒情自动监测数据采集与管理平台，组建具备分级管理、可实时监测土壤墒情的信息系统（图1）。

墒情数据采集站点通过ZigBee＋GPRS无线通信＋单片机数据采集器＋传感器的模式，根据墒情监测需求配置集成传感器、数据采集模块和无线传输模块，采集区域土壤墒情数据；单点的监测站直接使用GPRS传输数据，多点相距较近的站点采用ZigBee与GPRS的混合型网络传输数据，在具有有线网络或WIFI网络的地方采用ZigBee与Internet传输数据。

图1 土壤墒情自动监测系统网络架构Fig.1 The network architecture of soil moisture automatic monitoring system

土壤墒情自动监测数据采集与管理平台可以通过不同的网络方式与墒情数据采集站点联网监测，可实现固定站无人值守的情况下土壤墒情数据通过有线、无线等传输方式实时传输到监测中心，实现墒情信息的远程连续监测。授权用户通过客户端浏览器登录系统后能够读取数据库的相关数据，实现对传感器节点土壤墒情采集信息的采集、传输、查询、分析及显示等，同时对系统的运行和监测区域内的传感器节点进行监控。实现一站式获取土壤墒情数据，实现连续监测，实时查看数据，目前可提供网站、C／S方式与手机方式查询数据。

2 墒情监测站

墒情监测站是开展农田土壤墒情信息采集工作的重要基地，墒情监测点中主要的设备包括土壤水分传感器、数据采集模块、数据传输模块和太阳能供电系统。在硬件选择上采用成熟的技术及设备，采用开放式系统体系，系统中采用的协议、技术及设备强调支持国际或国家标准，便于系统的升级和互联。充分考虑特殊的天气、环境等因素，选择定型生产、精度较高、运行稳定和性价比较高的通信设备、遥测设备、传输设备和传感器设备，保证系统的可靠性。

土壤水分温度传感器采用沈阳巍图SWCP1及联创思源FDS120。数据采集器采用沈阳巍图DMG－1、昆仑海岸JZH、美国Campbell CR1000、联创思源SMC1800、中科明纬WL200或自主开发产品，ZigBee数据传输模块采用中科明纬WL110、昆仑海岸JZH系列或自主开发产品，GPRS数据传输模块采用深圳宏电H7710GPRS和中科明纬WL600。在有市电供电的地方采用朝阳电源交流转直流电源转换器、12A胶体电池，野外无市电供电的地方采用40W太阳能板、24A胶体电池的太阳能供电系统，可满足连续阴雨5～8d监测点的供电。

3 数据采集

数据采集模块以16位超低功耗单片机系统为核心，以采集传感器的输出信号为功能，采用MODBUS协议，以直流模拟量输入或脉冲量输入方式，连接土壤水分、土壤温度、空气温湿度、风速风向和蒸发等输出模拟或脉冲信号的传感器，完成对传感器采集参数设置、数据存储及传输等操作。通过RS232接口连接数据传输模块，实现数据的远程交互。

以SQL Server 2008设计DTU信息、RTU数据信息、传感器信息和墒情数据等4个表组成的墒情信息数据存储数据库。基于·net framework环境、C／S结构模式，采用Visual C＋＋和Socket网络编程技术设计开发通过有线网络、无线网络、GPRS网络等与数据采集模块连接的服务器端的伺服软件墒情采集控制平台，整个系统包括主程序、数据采集、通信程序等。其中，通信程序包括通信协议制定、数据传输通信设计、数据发送设计和数据接收设计，墒情采集控制平台可按用户需要收发指令，采集环境信息数据。

图2 系统站点通信与传感器设备的配置界面Fig.2 The configuration interface between communication of system site and sensing device

田间数据采集控制系统是数据采集器与服务器的接口软件（图2），是服务器采集控制平台与数据采集器之间通讯的桥梁，是整个监测系统最为核心的一款软件，其不仅能够精确地收集并测量相关环境信息，还可和采集控制平台实现联网，最大限度地满足用户对土壤墒情数据的测试、记录和存储，兼顾工作人员进行各参数的查询和修改。采集控制系统作为服务端软件，将接入的客户端加入列表，可以进行数据采集时间段、采集间隔和设备参数等的设置，记录客户端接入时间和掉线时间；系统按照传感器设备的配置，自动发送数据采集指令，并会在后台自动处理客户端返回的数据，将采集到的数据实时存储到数据库，将指令通过传输模块发送给数据采集控制模块进行操作。

4 数据管理与共享

以SQL Server 2008设计系统用户、环境参数阀值、作物生长、采集数据、采集模块、日志、区域、传感器及设备类型等组成土壤墒情信息数据库。以Visual C＃2008、Eclipse 4.3为工具，采用B／S＋C／S架构，开发可通过web网络系统、桌面客户端系统、手机APP对其进行访问数据的存储与管理系统。系统将各个监测站点采集到的土壤水分信息及气象信息等实时显示出来。授权用户通过客户端浏览器登录系统后能读取数据库的相关数据，实现对传感器节点土壤墒情采集信息的采集、传输、查询、分析和显示，同时，对系统的运行和监测区域内的传感器节点进行监控。系统需要满足用户通过网络访问的需求，通过设置权限，对不同层次用户对系统的操作加以控制。web网络的贵州土壤墒情监测系统主要包含数据检索、动态新闻、标准规范、墒情简报、系统管理和系统简介模块（图3）。

5 系统示范应用

图3 WEB版的贵州土壤墒情监测系统主页与查询界面Fig.3 The homepage and querying interface of Guizhou soil moisture monitoring system（WEB Edition）

在贵州省内选择不同作物与生态环境的锦屏县敦寨镇龙池万亩果场椪柑园、南明区永乐乡万亩桃园、遵义溪镇都市型现代农业园区（蔬菜）、关岭县板贵乡火龙果园、普定县城关镇后寨林场梨园建立7个土壤墒情自动监测示范点（图4）。采用贵州省农业科学院现有的网络平台，设立数据库服务器与中心采集平台，建立土壤墒情自动监测系统，与监测站组成一套针对性强、管理清晰的系统。系统可实现固定站无人值守的情况下土壤墒情数据通过有线、无线等传输方式实时传输到监测中心，通过Internet／GPRS远程数据无线传输、管理，实现墒情信息的远程连续监测。系统能够实现贵州省土壤墒情监测站联网监测，中心平台可以直接接收、管理分布离散的各地土壤墒情监测点数据，形成数据库，开展土壤墒情监测平台的数据共享服务或作为报表基础数据和决策依据。

7个监测示范点中遵义县三岔、新民2个点配置传感器分别为土壤水分1个、空气温湿度1个和土壤温度1个；凯里市舟溪点配置传感器为土壤水分1个和土壤温度1个；锦屏县龙池点配置传感器为土壤水分2个（分15cm、40cm）、空气温湿度1个和土壤温度1个；南明区永乐点配置传感器为土壤水分2个（分20cm、50cm）、空气温湿度1个和土壤温度1个；关岭县板贵点配置传感器为土壤水分2个（分15cm、40cm）、空气温湿度1个、土壤温度1个、雨量1个、风向1个、风速1个、辐射1个和蒸发1个；普定县后寨林场点配置传感器为土壤水分2个（分15cm、40cm）、空气温湿度1个、土壤温度2个、雨量1个、风向1个、风速1个和辐射1个。

图4 贵州部分土壤墒情监测站示范点Fig.4 Some soil moisture monitoring demonstration stations in Guizhou

5 小结

土壤墒情自动监测预报系统的建立旨在进一步提高土壤墒情管理工作的自动化和信息化水平，系统2011年开始建设，到2016年已运行5年，可靠性与实用性基本达到目标。系统的建立，及时、准确地掌握当前土壤墒情，为有关部门及时、快捷获得土壤墒情监测数据，实现快速分析与汇总提供有效的解决工具。结合天气预报，可以做好土壤墒情预测预报工作，及早提出和采取有效的农业技术措施，便于根据当前的旱情状况及发展趋势及时调整农业种植结构，有组织计划用水，使农业水资源得到有效利用。项目建设的7个土壤墒情自动监测站中，关岭县板贵点、普定县后寨点和南明区永乐点均建有水肥一体系统，墒情监测的数据除可进入总库外，更多的是为果园的水肥管理实施提供依据，改变果农仅凭感觉或经验进行灌溉的现状。

［1］唐海弢，陈天华，郑文刚.土壤墒情监测预报技术研究进展［J］.灌溉排水学报，2010（2）：140－142.

［2］袁永玲，郑福寿，刘国华.土壤墒情自动化监测系统探讨［J］.科技风，2012（24）：19－20.

［3］杨绍辉，杨卫中，王一鸣.土壤墒情信息采集与远程监测系统［J］.农业机械学报，2010（9）：173－177.

［4］杨卫中，王一鸣，石庆兰，等.吉林市土壤墒情监测系统开发及利用［J］.农业工程学报，2010（S2）：177－181.

［5］刘炳忠，张 鑫.国内外土壤墒情监测技术及应用［J］.山东水利，2008（12）：13－15，17.

［6］陈天华，唐海涛.基于ARM和GPRS的远程土壤墒情监测预报系统［J］.农业工程学报，2012（3）：162－166.

［7］贾科进，王文贞，杜太行，等.基于ZigBee无线传感器网络的土壤墒情监测系统［J］.节水灌溉，2014（3）：69－71，74.

［8］杨海天，于婷婷，李春胜，等.基于GPRS的土壤墒情远程监测系统［J］.农业工程，2016（1）：32－36.

（责任编辑：聂克艳）

Development and Application of Soil Moisture Automatic Monitoring System

ZHAO Zheying，PENG Zhiliang，WANG Hu，LI Lijie，CHEN Weirong，SUN Changqing
（Guizhou Institute of Agricultural Science and Technology Information，Guiyang，Guizhou550006，China）

The integrated soil moisture automatic monitoring information system including data collection，data management and database at the core based on the communication platform was established，which integrates soil moisture collection，dynamic monitoring，data management and shared service to provide the technological support for decision－making of irrigation，fertilization and drainage measures during crops growth and development period.Seven monitoring demonstration stations and management centers with functions of one－step gaining soil moisture data，continuous monitoring，realtime view data and data automatic collection and storage.The related data can be queried by websites，C／S client－side and cellphones.

soil moisture；monitoring station；automatic monitoring；Guizhou

S126

A

1001－3601（2016）08－0357－0131－04

2016－02－12；2016－07－21修回

贵州省农业科技攻关项目“果蔬作物物联网关键技术集成与示范”［黔科合NY字（2011）3097］；贵州省农业科学院项目“土壤墒情自动监测预报系统的研究与应用”［黔农科院院专项（2011）031］，“贵州辣椒、火龙果数字化管理技术研究”［黔农科院自主创新科研专项字（2014）011］，“农业园区水肥精准控制管理技术研究与示范”

赵泽英（1975－），男，研究员，从事农业信息技术研究。E－mai1：605538133＠qq.com