為了實現對寒地水稻旱直播栽培田土壤墑情數據的準確監(jiān)測，本文利用系統集成和移動互聯技術設計了一款多層次監(jiān)測土壤溫濕度、降水量等數據的土壤監(jiān)測系統。系統可以獲取即時的農業(yè)氣象要素信息和不同深度層次的土壤狀態(tài)信息，并自動按照設定時間保存相關數據，用戶可以以表格的方式直觀地查閱相關信息。經過進一步分析，系統可以滿足旱直播水稻灌溉對數據的需要。

中國是全球經濟中最大的大米生產國和消費國。與此同時，水稻也是農業(yè)的主要用水戶[1]。2016年全國總用水量6 040.2億立方米。其中，農業(yè)用水的比重就達到了62.4%。由以上數據可以看出對稻田水分與降水量進行精確監(jiān)測是十分必要的。近年來隨著傳感器技術和通訊技術的發(fā)展，為設計精確監(jiān)測稻田土壤水分和降水量奠定了堅實的物質基礎和技術基礎。

在我國傳統農業(yè)建設上，土壤墑情監(jiān)測系統一直都處于劣勢，在近年研究的過程中，所顯示出來的缺點如下：信息傳輸不準確，交付方式不同；傳統的土壤墑情系統的功能不夠全面。國外運用的土壤傳感器是針式傳感器，而針式傳感器安裝時占用的面積大，線路復雜，會影響耕種面積，硬件安裝并不美觀。

結合國內外遠程監(jiān)測技術的最新發(fā)展和遠程監(jiān)測技術在水稻生產中的應用現狀得出結論：在水稻生長過程中除了需要實時監(jiān)測田間水溫水位信息外，還需要實現對水溫水位的調控[2]。針對上述問題，本文設計了一種基于MI和SI的寒地水稻旱直播栽培田土壤墑情監(jiān)測系統，并對現有傳感器進行創(chuàng)新組建整合，使用系統集成技術打造出更加創(chuàng)新實用的項目[3]。

1 材料與方法

1.1 試驗對象和材料

1.1.1 試驗對象

利用吉農大859在吉林省吉林市吉林農業(yè)科技學院九站校區(qū)試驗田進行試驗。

1.1.2 試驗材料

(1）材料介紹

本系統所使用的硬件有：傳感器（主要由四個部分組成：PHQW溫度傳感器、管狀土壤水分傳感器、雨量傳感器、PHQS空氣濕度傳感器）、電源、數據采集模塊、通訊模塊、防雷模塊和支架等；軟件由數據采集器、數據通訊器、服務器數據庫、PC端應用、移動端應用等組成。

無線數據采集器采用RY-ADC無線氣象數據采集器集成信號和無數據通信于一體的高性能測控裝置[4]。土壤墑情基站通過無線及有線通信進行信息的傳遞，包括傳感器之間的信號轉換、數據收集等。土壤水分監(jiān)測基站是土壤信息采集和氣象監(jiān)測的重要依據?？諝鉁貪穸葌鞲衅?、信息采集器、電源、支撐管等通過一些現有的技術和設備進行整合，傳輸中的協議和設備都依照國家標準且具備正常運行的可行性。

(2）土壤傳感器材料

在硬件方面的設計選擇使用管式土壤溫濕度集成傳感器。管式溫濕度集成傳感器埋入土壤時所占用的土壤面積甚小，安裝方便，且無任何線路困擾，對周圍的土壤適應時間短；無線超聲波對作物的生長環(huán)境和生長無副作用，并且收集的數據準確。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗相關數據測量方法

作物灌溉消耗了世界70%以上的水資源，因此，提高灌溉效率是維持糧食需求的決定性因素。為了滿足日益增長的食品需求，對土壤水分的測量和監(jiān)測將變得越來越重要。

按是否直接取土樣測定分類，測定土壤含水量的方法可分為直接法和間接法[5]。本文通過直接法測量土壤的水分和溫濕度，通過測量土壤的介電常數，利用介電常數計算土壤中的水分含量[6]。

1.2.2 移動互聯技術與系統集成技術的應用

移動互聯技術，也就是Mobile Internet，本文簡稱為MI。它是一種利用移動無線終端通過移動無線通信技術獲得服務的新型業(yè)務，包括終端、軟件和系統應用[7]。

系統集成技術，也就是System Integration，本文簡稱為SI。系統集成技術就是將現有的傳感器技術、計算機技術和客戶端網絡連接在一起的一種技術，能夠達到信息的共享功能，實現采集-傳輸-分析-輸出達到一體化，方便用戶的管理。

本系統將MI和SI兩種技術以軟硬件相結合的方式，收集各種傳感器并將其傳輸到數據庫，以自動監(jiān)測灌溉、施肥、噴灑、冷卻和填充，確保作物具有良好和適宜的生長環(huán)境。

數據收集及傳輸的過程見圖1。其中空氣溫度、濕度、雨水總量和土壤在5、10、20、30、40 cm的溫濕度數據信息會通過線纜傳輸到數據采集器，數據采集器可使用互聯卡，并且可在互聯卡的條件下通過無線傳輸方式將數據以數字信號的形式傳輸到服務器，為了考慮到信號屏蔽的情況，也可通過有線傳輸方式將數據傳輸到服務器。使用者通過PC端或移動設備端以有線或無線傳輸方式從服務器中查詢所需要的數據。

2 結果與分析

由于北方寒地有近半年的凍土期，耕層土壤水分處于凍結狀態(tài)，現有的土壤水分傳感器對凍結狀態(tài)下水分不能進行準確測量，因此在系統硬件設計上要方便拆卸和安裝；另外農田中沒有市電供應，選擇的電源是太陽能電池板和蓄電池；稻田灌溉不僅與土壤水分有關還與降水量、土壤溫度、土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度有關，本系統硬件主要集成的傳感器為：土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器、降水量傳感器、空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器等，如圖2所示。由于稻田耕層深度一般在40 cm左右，因此本系統主要由土壤離地深度5、10、20、30、40 cm的土壤溫度傳感器和離地10cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm的土壤濕度傳感器組成[8]。

2.1 土壤墑情監(jiān)測系統總體方案設計

(1）系統的基本原理：土壤水分監(jiān)測系統由信息采集器、數據傳輸器、電力系統和GPRS定位系統四部分組成。土壤墑情監(jiān)測系統的工作原理如下：首先將每個點的數據進行數據采集，用信息模塊將數據進行轉換，通過串口連接發(fā)送到采集器上，數據采集器會與內置SIM卡進行連接，儲存之后進行傳輸，把數據傳送過去，GPRS DTU將數據封裝到網絡協議中，然后通過GPRS網絡內部TCP/IP協議無縫訪問Internet網絡到服務器。經過網關處理后，系統軟件對信息進行監(jiān)測。

(2）系統的主要功能：(1)能夠實時監(jiān)測土壤狀態(tài)和天氣變化；(2)對數據進行高效的采集，做到不遺失數據；(3)能夠進行遠程操作，通過無線的方式進行數據傳輸和查詢，方便不固定式查詢。

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