基于北斗衛(wèi)星與GPRS的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)

胡春杰 楊溯 陳智 耿彬彬

摘 要：為了解決土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)通信能力差的問題，設(shè)計了一種基于北斗衛(wèi)星與GPRS的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)。利用基于TDR的土壤水分傳感器采集墑情數(shù)據(jù)，并以規(guī)定報文格式通過北斗衛(wèi)星與GPRS傳輸至控制中心，北斗衛(wèi)星為主信道，GPRS為備信道，實現(xiàn)主、備信道自動切換功能，進(jìn)行多信道多協(xié)議土壤墑情監(jiān)測傳輸、顯示、查詢，為抗旱減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：土壤墑情;北斗衛(wèi)星;GPRS;監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TP98 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.029

引用格式：胡春杰，楊溯，陳智，等.基于北斗衛(wèi)星與GPRS的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)[J].人民黃河，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

目前我國生態(tài)農(nóng)業(yè)已經(jīng)呈現(xiàn)出規(guī)?；⒋笮突?、專業(yè)化的發(fā)展趨勢。生態(tài)農(nóng)業(yè)對環(huán)境的要求較高，快速準(zhǔn)確地監(jiān)測土壤水分含量及土壤溫度等，是及時進(jìn)行農(nóng)田墑情分析，指導(dǎo)農(nóng)作物節(jié)水灌溉，保障糧食安全等最重要的基礎(chǔ)工作之一[1-2]。目前土壤體積含水量測量方法有稱重烘干法、TDR測量法、FDR測量法、電容法等[3-4]。稱重烘干法測定土壤含水量準(zhǔn)確可靠，是其他方法的參考標(biāo)準(zhǔn)[5]，但測定過程耗時費力，且取樣破壞性強(qiáng)。隨著計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)迅速發(fā)展和完善，人工監(jiān)測的方式逐漸被自動監(jiān)測方式取代。TDR測量法能快速準(zhǔn)確地智能自動化在線監(jiān)測土壤含水量，被普遍認(rèn)為是最有效的土壤墑情監(jiān)測手段[6]。

王玖琳等[7]結(jié)合灌溉需求，提出了基于LoRa的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計，節(jié)約了通信成本;馬本驥等[8]設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，其傳輸范圍較小且易受干擾;楊衛(wèi)中等[9]利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)，設(shè)計了一套土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，其具有功耗低、海量連接的特點;霍軼珍等[10]應(yīng)用基于水量平衡法的ISAREG灌溉模型進(jìn)行灌區(qū)土壤墑情預(yù)報;馬建琴等[11]采用層次分析和變異系數(shù)組合賦權(quán)的方法計算冬小麥計劃濕潤層內(nèi)各土層土壤含水率的權(quán)重。由于生態(tài)農(nóng)業(yè)基地較大，附近環(huán)境涉及面廣，情況復(fù)雜，土壤質(zhì)地本身存在不均勻性，在地理位置偏僻、移動公網(wǎng)無法覆蓋或者處于移動公網(wǎng)邊緣的地區(qū)，土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸困難，因此上述系統(tǒng)大面積推廣使用較困難。

基于此，本研究設(shè)計一種基于北斗衛(wèi)星與GPRS的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)。將土壤水分傳感器采集的數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星與GPRS傳輸至中心站，北斗衛(wèi)星為主信道，GPRS為備用信道，實現(xiàn)主、備信道自動切換功能，進(jìn)行多信道多協(xié)議土壤墑情監(jiān)測傳輸、顯示、查詢，為抗旱減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)主要組成有：土壤水分傳感器、主控板（STM32）、通信單元（北斗衛(wèi)星與GPRS）、中心站及供電單元，各個單元相互協(xié)調(diào)運作，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1.1 土壤水分傳感器

土壤水分傳感器（Capacitance Sensor，簡稱CS），又稱土壤水分儀，主要用來測量土壤體積含水率，其安裝簡單、使用方便。本系統(tǒng)采用基于TDR的SOILTOP-200土壤水分傳感器，與傳統(tǒng)的TDR傳感器相比，其采用頻域頻率步進(jìn)體制和矢量接收技術(shù)測量土壤水分[12]，實現(xiàn)對土壤體積含水率的TDR測量，具有精確度高、通用性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高等特點[13]。

1.2 主控板

主控芯片是整個系統(tǒng)的核心，是保障系統(tǒng)正常運行的心臟，其主要作用有：采集各傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)解析與文件存儲，封裝成水文通信規(guī)約及其他自定義規(guī)約。本系統(tǒng)采用的主控芯片為STM32L475VET6，具有低功耗、性能穩(wěn)定以及性價比高等優(yōu)點[14]，完全符合本次設(shè)計的要求。

STM32L475VET6的特點如下：

（1）性能強(qiáng)勁，處理速度快。它是以ARM Cortex-M4為內(nèi)核的32位處理器，采用ARMv7ME架構(gòu)，包含Thumb+Thumb-2、DSP、SIMD、FP指令集、三總線接口，支持所有ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型。

（2）功耗低。STM32L475VET6不僅具備F系列主控的3種低功耗模式，還增加了低功耗運行、低功耗睡眠、停止0、停止1、停止2這幾種低功耗模式。

（3）存儲容量大。STM32L475VET6內(nèi)部高達(dá)512 kB的Flash，支持讀寫同步，高達(dá)128 kB的SRAM，其中包含32 kB預(yù)警奇偶校驗。

（4）通信接口較多。

1.3 通信單元

在土壤墑情遙測終端機(jī)通信單元內(nèi)置GPRS無線通信模塊和北斗衛(wèi)星通信模塊。這兩種無線通信方式可以進(jìn)行互備通信，北斗衛(wèi)星為主信道，GPRS為備用信道，實現(xiàn)主、備信道自動切換功能，其工作流程如圖2所示。

1.3.1 GPRS通信

GPRS是一種高效率、低成本的通信組網(wǎng)方式，其傳輸數(shù)據(jù)是按流量計算的，使用成本低[15]。GPRS最大的優(yōu)勢是可以實現(xiàn)遙測站與中心站之間一點對多點的無線通信，尤其適合交通不便、遙測站分布廣的情況。GPRS通信分為兩塊：GPRS DTU通信和GPRS串口通信。

GPRS DTU通信的4個步驟如下：

（1）選擇合適系統(tǒng)的透傳協(xié)議，即標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議。

（2）設(shè)置端口號5008以及中心站服務(wù)器IP地址。

（3）設(shè)置DTU工作模式。選擇自動連接，如DTU發(fā)生掉線后會重新連接。

（4）設(shè)置DTU串口通信波特率、數(shù)據(jù)位、停止位及校驗位4個參數(shù)。

GPRS串口通信：主控板上GPRS模塊上電后自動撥號接入移動網(wǎng)絡(luò)，主動向中心站服務(wù)器發(fā)起通信請求，握手成功后主控板與服務(wù)器通過該鏈路進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。GPRS 串口通信流程如圖3所示。

本系統(tǒng)采用的GPRS模塊是宏電H7710，其支持4G、3G、GSM等全線網(wǎng)絡(luò)，支持點對點、一點對多點等數(shù)據(jù)通信。

1.3.2 北斗衛(wèi)星

衛(wèi)星通信是一種成熟的微波通信技術(shù)，利用地球上空通信衛(wèi)星作為中繼站，其主要特點是不受地理位置、自然災(zāi)害以及地形地貌的影響。現(xiàn)在我國使用的主要是同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)，在移動公網(wǎng)覆蓋不到的地區(qū)，可以選擇北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸監(jiān)測短報文。本系統(tǒng)選擇神州天鴻YDD-3-01北斗通用型機(jī)。

1.4 供電單元

由于監(jiān)測站一般安裝在野外，不方便接入市電直接供電，因此本系統(tǒng)選擇使用太陽能電池板+鋰電池的方式供電。太陽能電池板材料選擇單晶硅，功率為20 W，大容量鋰電池型號為DC1298A，電池容量9 800 mAh，滿足連續(xù)陰雨天工作時間不少于30 d，具有過流、過壓、過充、反極性等自動保護(hù)功能。

2 監(jiān)測站安裝

根據(jù)《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL 364—2015）要求，土壤水分傳感器與地面保持平行，分別按10、20、40 cm的深度在土壤剖面上插入土壤水分傳感器并埋沒，有效減輕傳感器測量被干擾程度;安裝時將探針保持水平、完全插入土壤里，防止探針與土壤接觸不實，導(dǎo)致測量精度不夠。具體安裝如圖4所示。

3 中心站設(shè)計

中心站設(shè)備包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、衛(wèi)星小站終端以及采集軟件等。采集軟件是集成了多種通信信道和多種RTU協(xié)議的通用平臺，以SQL Server 2012作為數(shù)據(jù)庫，采用Microsoft visual studio 2010為開發(fā)軟件，利用C#語言的三層架構(gòu)體系[16]設(shè)計開發(fā)了一套土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，支持多種通信方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收。采集軟件主要功能：①在線配置運行參數(shù);②支持主、備信道切換;③支持?jǐn)?shù)據(jù)召測和遠(yuǎn)程修改參數(shù)。

圖5為土壤墑情數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)界面，軟件界面友好、實用，可顯示10、20、40 cm不同深度的土壤含水量。

4 野外比測結(jié)果

本次野外比測地點選在南京水利科學(xué)研究院滁州實驗基地，測量方法采用傳統(tǒng)的人工環(huán)刀取土烘干稱重法。人工環(huán)刀取土和本次土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測土層深度均為10、20、40 cm。采取隔天觀測頻次，共獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)10組，見表1。

由表1可知，10 cm土層本系統(tǒng)監(jiān)測含水率相對誤差均值為0.89%，20 cm土層本系統(tǒng)監(jiān)測含水率相對誤差均值為1.46%，40 cm土層本系統(tǒng)監(jiān)測含水率相對誤差均值為1.34%;相對誤差均值小于5%，符合《土壤水分監(jiān)測儀器通用技術(shù)條件（試行）》附錄A中準(zhǔn)確性評估標(biāo)準(zhǔn)[17]。

5 結(jié) 語

本研究設(shè)計了一種基于北斗衛(wèi)星與GPRS的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)。將土壤水分傳感器采集的數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星與GPRS傳輸至中心站，北斗衛(wèi)星作為主信道，GPRS作為備信道，實現(xiàn)主、備信道自動切換功能，進(jìn)行多信道多協(xié)議土壤墑情監(jiān)測傳輸、顯示、查詢，能夠及時、全面、真實地反映被監(jiān)測區(qū)的土壤含水量狀況及變化，解決了公網(wǎng)無法覆蓋、通信困難的問題，為抗旱減災(zāi)工作提供技術(shù)支撐，具有良好的推廣前景。

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【責(zé)任編輯 許立新】