基于北斗卫星与GPRS的土壤墒情监测系统

胡春杰 杨溯 陈智 耿彬彬

摘 要：为了解决土壤墒情监测数据通信能力差的问题，设计了一种基于北斗卫星与GPRS的土壤墒情监测系统。利用基于TDR的土壤水分传感器采集墒情数据，并以规定报文格式通过北斗卫星与GPRS传输至控制中心，北斗卫星为主信道，GPRS为备信道，实现主、备信道自动切换功能，进行多信道多协议土壤墒情监测传输、显示、查询，为抗旱减灾提供技术支撑。

关键词：土壤墒情;北斗卫星;GPRS;监测系统

中图分类号：TP98 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.029

引用格式：胡春杰，杨溯，陈智，等.基于北斗卫星与GPRS的土壤墒情监测系统[J].人民黄河，2021，43（8）：159-162.

Abstract： In order to solve the problem of poor communication ability of soil moisture monitoring data， a soil moisture monitoring system based on Beidou satellite and GPRS was designed. The TDR based soil moisture sensor was used to collect soil moisture data and transmit it to the control center through Beidou satellite and GPRS in the specified message format. Beidou satellite was the main channel and GPRS was the backup channel. The function of automatic switching between the main channel and the backup channel was realized. The multi-channel and multi protocol soil moisture monitoring transmission， display and query were carried out， which provided technical support for drought resistance and disaster reduction and has good promotion prospects.

Key words： soil moisture; Beidou satellite; GPRS; monitoring system

目前我国生态农业已经呈现出规模化、大型化、专业化的发展趋势。生态农业对环境的要求较高，快速准确地监测土壤水分含量及土壤温度等，是及时进行农田墒情分析，指导农作物节水灌溉，保障粮食安全等最重要的基础工作之一[1-2]。目前土壤体积含水量测量方法有称重烘干法、TDR测量法、FDR测量法、电容法等[3-4]。称重烘干法测定土壤含水量准确可靠，是其他方法的参考标准[5]，但测定过程耗时费力，且取样破坏性强。随着计算机技术与通信技术迅速发展和完善，人工监测的方式逐渐被自动监测方式取代。TDR测量法能快速准确地智能自动化在线监测土壤含水量，被普遍认为是最有效的土壤墒情监测手段[6]。

王玖琳等[7]结合灌溉需求，提出了基于LoRa的节水灌溉系统设计，节约了通信成本;马本骥等[8]设计了基于ZigBee技术的农田土壤墒情监测系统，其传输范围较小且易受干扰;杨卫中等[9]利用窄带物联网NB-IoT技术，设计了一套土壤墒情监测系统，其具有功耗低、海量连接的特点;霍轶珍等[10]应用基于水量平衡法的ISAREG灌溉模型进行灌区土壤墒情预报;马建琴等[11]采用层次分析和变异系数组合赋权的方法计算冬小麦计划湿润层内各土层土壤含水率的权重。由于生态农业基地较大，附近环境涉及面广，情况复杂，土壤质地本身存在不均匀性，在地理位置偏僻、移动公网无法覆盖或者处于移动公网边缘的地区，土壤墒情监测数据传输困难，因此上述系统大面积推广使用较困难。

基于此，本研究设计一种基于北斗卫星与GPRS的土壤墒情监测系统。将土壤水分传感器采集的数据通过北斗卫星与GPRS传输至中心站，北斗卫星为主信道，GPRS为备用信道，实现主、备信道自动切换功能，进行多信道多协议土壤墒情监测传输、显示、查询，为抗旱减灾提供技术支撑。

1 系統总体设计

根据系统要求，系统主要组成有：土壤水分传感器、主控板（STM32）、通信单元（北斗卫星与GPRS）、中心站及供电单元，各个单元相互协调运作，系统总体架构如图1所示。

1.1 土壤水分传感器

土壤水分传感器（Capacitance Sensor，简称CS），又称土壤水分仪，主要用来测量土壤体积含水率，其安装简单、使用方便。本系统采用基于TDR的SOILTOP-200土壤水分传感器，与传统的TDR传感器相比，其采用频域频率步进体制和矢量接收技术测量土壤水分[12]，实现对土壤体积含水率的TDR测量，具有精确度高、通用性强、抗干扰能力强、分辨率高等特点[13]。

1.2 主控板

主控芯片是整个系统的核心，是保障系统正常运行的心脏，其主要作用有：采集各传感器数据，数据解析与文件存储，封装成水文通信规约及其他自定义规约。本系统采用的主控芯片为STM32L475VET6，具有低功耗、性能稳定以及性价比高等优点[14]，完全符合本次设计的要求。

STM32L475VET6的特点如下：

（1）性能强劲，处理速度快。它是以ARM Cortex-M4为内核的32位处理器，采用ARMv7ME架构，包含Thumb+Thumb-2、DSP、SIMD、FP指令集、三总线接口，支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型。

（2）功耗低。STM32L475VET6不仅具备F系列主控的3种低功耗模式，还增加了低功耗运行、低功耗睡眠、停止0、停止1、停止2这几种低功耗模式。

（3）存储容量大。STM32L475VET6内部高达512 kB的Flash，支持读写同步，高达128 kB的SRAM，其中包含32 kB预警奇偶校验。

（4）通信接口较多。

1.3 通信单元

在土壤墒情遥测终端机通信单元内置GPRS无线通信模块和北斗卫星通信模块。这两种无线通信方式可以进行互备通信，北斗卫星为主信道，GPRS为备用信道，实现主、备信道自动切换功能，其工作流程如图2所示。

1.3.1 GPRS通信

GPRS是一种高效率、低成本的通信组网方式，其传输数据是按流量计算的，使用成本低[15]。GPRS最大的优势是可以实现遥测站与中心站之间一点对多点的无线通信，尤其适合交通不便、遥测站分布广的情况。GPRS通信分为两块：GPRS DTU通信和GPRS串口通信。

GPRS DTU通信的4个步骤如下：

（1）选择合适系统的透传协议，即标准的TCP/IP协议。

（2）设置端口号5008以及中心站服务器IP地址。

（3）设置DTU工作模式。选择自动连接，如DTU发生掉线后会重新连接。

（4）设置DTU串口通信波特率、数据位、停止位及校验位4个参数。

GPRS串口通信：主控板上GPRS模块上电后自动拨号接入移动网络，主动向中心站服务器发起通信请求，握手成功后主控板与服务器通过该链路进行双向数据通信。GPRS 串口通信流程如图3所示。

本系统采用的GPRS模块是宏电H7710，其支持4G、3G、GSM等全线网络，支持点对点、一点对多点等数据通信。

1.3.2 北斗卫星

卫星通信是一种成熟的微波通信技术，利用地球上空通信卫星作为中继站，其主要特点是不受地理位置、自然灾害以及地形地貌的影响。现在我国使用的主要是同步卫星通信系统，在移动公网覆盖不到的地区，可以选择北斗卫星通信系统传输监测短报文。本系统选择神州天鸿YDD-3-01北斗通用型机。

1.4 供电单元

由于监测站一般安装在野外，不方便接入市电直接供电，因此本系统选择使用太阳能电池板+锂电池的方式供电。太阳能电池板材料选择单晶硅，功率为20 W，大容量锂电池型号为DC1298A，电池容量9 800 mAh，满足连续阴雨天工作时间不少于30 d，具有过流、过压、过充、反极性等自动保护功能。

2 监测站安装

根据《土壤墒情监测规范》（SL 364—2015）要求，土壤水分传感器与地面保持平行，分别按10、20、40 cm的深度在土壤剖面上插入土壤水分传感器并埋没，有效减轻传感器测量被干扰程度;安装时将探针保持水平、完全插入土壤里，防止探针与土壤接触不实，导致测量精度不够。具体安装如图4所示。

3 中心站设计

中心站设备包括服务器、网络交换机、卫星小站终端以及采集软件等。采集软件是集成了多种通信信道和多种RTU协议的通用平台，以SQL Server 2012作为数据库，采用Microsoft visual studio 2010为开发软件，利用C#语言的三层架构体系[16]设计开发了一套土壤墒情监测系统，支持多种通信方式传输的数据接收。采集软件主要功能：①在线配置运行参数;②支持主、备信道切换;③支持数据召测和远程修改参数。

图5为土壤墒情数据接收系统界面，软件界面友好、实用，可显示10、20、40 cm不同深度的土壤含水量。

4 野外比测结果

本次野外比测地点选在南京水利科学研究院滁州实验基地，测量方法采用传统的人工环刀取土烘干称重法。人工环刀取土和本次土壤墒情监测系统监测土层深度均为10、20、40 cm。采取隔天观测频次，共获得监测数据10组，见表1。

由表1可知，10 cm土层本系统监测含水率相对误差均值为0.89%，20 cm土层本系统监测含水率相对误差均值为1.46%，40 cm土层本系统监测含水率相对误差均值为1.34%;相对误差均值小于5%，符合《土壤水分监测仪器通用技术条件（试行）》附录A中准确性评估标准[17]。

5 结 语

本研究设计了一种基于北斗卫星与GPRS的土壤墒情监测系统。将土壤水分传感器采集的数据通过北斗卫星与GPRS传输至中心站，北斗卫星作为主信道，GPRS作为备信道，实现主、备信道自动切换功能，进行多信道多协议土壤墒情监测传输、显示、查询，能够及时、全面、真实地反映被监测区的土壤含水量状况及变化，解决了公网无法覆盖、通信困难的问题，为抗旱减灾工作提供技术支撑，具有良好的推广前景。

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【责任编辑 许立新】