太倉市土壤墑情可視化智能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)

沈文忠　張緒美　李梅

摘要 以太倉市主要農(nóng)區(qū)為載體，以傳感器技術(shù)和無線傳輸技術(shù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情狀況和周邊環(huán)境溫度信息進(jìn)行快速采集，建立了從土壤墑情采集到墑情數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)耐寥缐勄闊o線傳輸預(yù)警系統(tǒng)。分別從傳感器數(shù)據(jù)采集處理模塊設(shè)計(jì)、GPS定位功能、無線傳輸模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)等方面對(duì)土壤墑情無線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 太倉市；土壤墑情；物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)；預(yù)警

中圖分類號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）11-372-02

可視化在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握農(nóng)作物灌溉墑情和農(nóng)田土壤環(huán)境變化等方面能夠發(fā)揮重要作用。該技術(shù)能夠一定程度克服地域限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種農(nóng)業(yè)生態(tài)因子可視化實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過收集溫度、濕度、土壤水分、土壤EC值等數(shù)據(jù)信息，從而指導(dǎo)作物科學(xué)種植，提高農(nóng)業(yè)綜合效益。筆者以江蘇太倉市主要農(nóng)區(qū)為載體，旨在建立一個(gè)可以指導(dǎo)主要農(nóng)區(qū)的土壤墑情監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)。該平臺(tái)主要特點(diǎn)是對(duì)農(nóng)田土壤墑情進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，從而動(dòng)態(tài)地、實(shí)時(shí)地獲取農(nóng)田土壤墑情信息，為提高土壤水分利用率及面源污染監(jiān)測(cè)提供科學(xué)手段[1-3]。

1 平臺(tái)建設(shè)概況

1.1 平臺(tái)建設(shè)區(qū)域

平臺(tái)的建設(shè)區(qū)域位于江蘇省太倉市城廂鎮(zhèn)萬豐村太倉市生態(tài)高值農(nóng)業(yè)示范區(qū)內(nèi)，整個(gè)示范區(qū)面積約20 hm2，年平均氣溫16.7 ℃，≥10 ℃的年有效積溫5 584.2 ℃，年降雨量1 013.1 mm，無霜期306 d。海拔高度接近海平面，主要土壤為水稻土，耕作方式為稻麥輪作。平臺(tái)建設(shè)核心區(qū)位于江蘇省基本農(nóng)田質(zhì)量監(jiān)控點(diǎn)（JSE303）附近。

1.2 平臺(tái)建設(shè)方案

平臺(tái)建設(shè)核心區(qū)占地面積約1 000 m2，基本農(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)小區(qū)面積約60 m2?；巨r(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)不同試驗(yàn)小區(qū)間以水泥板分隔，監(jiān)測(cè)小區(qū)周邊有常規(guī)農(nóng)田作為對(duì)照區(qū)。監(jiān)控小區(qū)一側(cè)靠公路，一側(cè)靠農(nóng)田，監(jiān)測(cè)設(shè)備用房位于距離基本農(nóng)田監(jiān)點(diǎn)距離約500 m處空曠地帶，有供電和無線通信線路可到達(dá)平臺(tái)監(jiān)控機(jī)房。目前監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)小區(qū)共6個(gè)處理：①商品有機(jī)肥；②有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥；③配方施肥；④長(zhǎng)年無肥；⑤當(dāng)年無肥；⑥常規(guī)施肥。

在基本農(nóng)田監(jiān)測(cè)點(diǎn)（JSE303）附近建設(shè)地面氣象和土壤環(huán)境因子相關(guān)的傳感器集成系統(tǒng)。感器集成系統(tǒng)如圖1所示，包括土壤溫度、土壤水分、土壤電導(dǎo)率（EC值）、地面氣象要素（氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、光照輻射、降雨量、蒸發(fā)量、風(fēng)向、風(fēng)速）等。同時(shí)，在試驗(yàn)區(qū)安裝高清紅外遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻探頭，如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和視頻圖像的現(xiàn)場(chǎng)采集和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸、存儲(chǔ)和訪問。硬件布設(shè)規(guī)劃布局如圖3所示。

2 項(xiàng)目建設(shè)的軟硬件配置方案

土壤墑情智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)包括：①4大模塊：傳感器數(shù)據(jù)采集處理模塊設(shè)計(jì)、GPS定位功能、無線傳輸模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；②3個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集終端（包括土壤溫度、水分、EC值的有線/無線采集終端，自動(dòng)氣象監(jiān)控站、視頻監(jiān)控終端等），現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集終端

采集終端的作用是，根據(jù)不同的測(cè)試目的，配置相應(yīng)的測(cè)試儀器，將被測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)采集器將測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)奖O(jiān)控計(jì)算機(jī)。在該研究介紹的監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)中，計(jì)劃設(shè)置以下3個(gè)采集終端。

2.1.1 土壤溫度、水分、EC值采集終端。設(shè)置土壤溫度、水分、EC值采集終端，其中基本農(nóng)田監(jiān)測(cè)點(diǎn)小區(qū)內(nèi)建設(shè)2個(gè)采集終端，基本農(nóng)田監(jiān)測(cè)點(diǎn)外大田對(duì)照區(qū)建設(shè)1個(gè)采集終端。

每個(gè)采集終端配置一個(gè)土壤溫度水分傳感器和一個(gè)土壤EC值傳感器，分別實(shí)時(shí)測(cè)量土壤的溫度、水分和EC值，測(cè)量結(jié)果通過標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器。對(duì)于距離現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心較近的采集點(diǎn)，通過有線數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控計(jì)算機(jī)；而對(duì)于距離相對(duì)較遠(yuǎn)、不便于鋪設(shè)線路的監(jiān)控點(diǎn)，使用無線數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控計(jì)算機(jī)。

2.1.2 自動(dòng)氣象監(jiān)控站。建設(shè)一套小型自動(dòng)氣象站，對(duì)地面生態(tài)環(huán)境及多種氣象要素（溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、雨量、太陽輻射等）進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

2.1.3 視頻監(jiān)控終端。設(shè)置1個(gè)視頻監(jiān)控終端，將視頻信息通過無線網(wǎng)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心主要配置無線網(wǎng)橋、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及監(jiān)控計(jì)算機(jī)等設(shè)備。其中，無線網(wǎng)橋接收無線數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

監(jiān)控計(jì)算機(jī)中安裝定制開發(fā)的監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的連續(xù)采集、查看和保存。該軟件具有多種監(jiān)控功能，如實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)曲線顯示、歷史曲線顯示、報(bào)警等。軟件配置后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，可根據(jù)實(shí)際需求存儲(chǔ)所采集的數(shù)據(jù)，如定時(shí)存儲(chǔ)、變化存儲(chǔ)等；同時(shí)軟件支持將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為Excel等常用軟件格式，便于后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的使用。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

為提高監(jiān)控的自動(dòng)化水平，后續(xù)可以在本級(jí)或上級(jí)主管部門建立多個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，具有訪問權(quán)限的用戶通過Internet即可遠(yuǎn)程監(jiān)控幾個(gè)監(jiān)控站中的所有歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不僅大大減少了往返現(xiàn)場(chǎng)的交通費(fèi)，而且提高了監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。

3 結(jié)語

對(duì)農(nóng)田土壤墑情進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)并作出預(yù)警具有十分重要的意義。根據(jù)監(jiān)測(cè)的土壤墑情信息，能夠及時(shí)地進(jìn)行灌溉，可以大大提高灌溉水的利用率。伴隨著經(jīng)濟(jì)科社會(huì)的高速發(fā)展，區(qū)域農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)越來越受到重視，對(duì)減少重復(fù)勞動(dòng)、加快太倉市節(jié)水型農(nóng)業(yè)的發(fā)展有重大的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯 盧瑤 責(zé)任校對(duì) 李巖