為了實(shí)現(xiàn)對(duì)寒地水稻旱直播栽培田土壤墑情數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，本文利用系統(tǒng)集成和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款多層次監(jiān)測(cè)土壤溫濕度、降水量等數(shù)據(jù)的土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以獲取即時(shí)的農(nóng)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(dòng)按照設(shè)定時(shí)間保存相關(guān)數(shù)據(jù)，用戶可以以表格的方式直觀地查閱相關(guān)信息。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析，系統(tǒng)可以滿足旱直播水稻灌溉對(duì)數(shù)據(jù)的需要。

中國(guó)是全球經(jīng)濟(jì)中最大的大米生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。與此同時(shí)，水稻也是農(nóng)業(yè)的主要用水戶[1]。2016年全國(guó)總用水量6 040.2億立方米。其中，農(nóng)業(yè)用水的比重就達(dá)到了62.4%。由以上數(shù)據(jù)可以看出對(duì)稻田水分與降水量進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)是十分必要的。近年來(lái)隨著傳感器技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)計(jì)精確監(jiān)測(cè)稻田土壤水分和降水量奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。

在我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)建設(shè)上，土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一直都處于劣勢(shì)，在近年研究的過(guò)程中，所顯示出來(lái)的缺點(diǎn)如下：信息傳輸不準(zhǔn)確，交付方式不同；傳統(tǒng)的土壤墑情系統(tǒng)的功能不夠全面。國(guó)外運(yùn)用的土壤傳感器是針式傳感器，而針式傳感器安裝時(shí)占用的面積大，線路復(fù)雜，會(huì)影響耕種面積，硬件安裝并不美觀。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)的最新發(fā)展和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)在水稻生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀得出結(jié)論：在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中除了需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)田間水溫水位信息外，還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫水位的調(diào)控[2]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)，并對(duì)現(xiàn)有傳感器進(jìn)行創(chuàng)新組建整合，使用系統(tǒng)集成技術(shù)打造出更加創(chuàng)新實(shí)用的項(xiàng)目[3]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象和材料

1.1.1 試驗(yàn)對(duì)象

利用吉農(nóng)大859在吉林省吉林市吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院九站校區(qū)試驗(yàn)田進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1.2 試驗(yàn)材料

(1）材料介紹

本系統(tǒng)所使用的硬件有：傳感器（主要由四個(gè)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(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊、防雷模塊和支架等；軟件由數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)通訊器、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)、PC端應(yīng)用、移動(dòng)端應(yīng)用等組成。

無(wú)線數(shù)據(jù)采集器采用RY-ADC無(wú)線氣象數(shù)據(jù)采集器集成信號(hào)和無(wú)數(shù)據(jù)通信于一體的高性能測(cè)控裝置[4]。土壤墑情基站通過(guò)無(wú)線及有線通信進(jìn)行信息的傳遞，包括傳感器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)收集等。土壤水分監(jiān)測(cè)基站是土壤信息采集和氣象監(jiān)測(cè)的重要依據(jù)?？諝鉁貪穸葌鞲衅?、信息采集器、電源、支撐管等通過(guò)一些現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行整合，傳輸中的協(xié)議和設(shè)備都依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)且具備正常運(yùn)行的可行性。

(2）土壤傳感器材料

在硬件方面的設(shè)計(jì)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(shí)所占用的土壤面積甚小，安裝方便，且無(wú)任何線路困擾，對(duì)周圍的土壤適應(yīng)時(shí)間短；無(wú)線超聲波對(duì)作物的生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)無(wú)副作用，并且收集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)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(zhǎng)的食品需求，對(duì)土壤水分的測(cè)量和監(jiān)測(cè)將變得越來(lái)越重要。

按是否直接取土樣測(cè)定分類，測(cè)定土壤含水量的方法可分為直接法和間接法[5]。本文通過(guò)直接法測(cè)量土壤的水分和溫濕度，通過(guò)測(cè)量土壤的介電常數(shù)，利用介電常數(shù)計(jì)算土壤中的水分含量[6]。

1.2.2 移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)與系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用

移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，也就是Mobile Internet，本文簡(jiǎn)稱為MI。它是一種利用移動(dòng)無(wú)線終端通過(guò)移動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)獲得服務(wù)的新型業(yè)務(wù)，包括終端、軟件和系統(tǒng)應(yīng)用[7]。

系統(tǒng)集成技術(shù)，也就是System Integration，本文簡(jiǎn)稱為SI。系統(tǒng)集成技術(shù)就是將現(xiàn)有的傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和客戶端網(wǎng)絡(luò)連接在一起的一種技術(shù)，能夠達(dá)到信息的共享功能，實(shí)現(xiàn)采集-傳輸-分析-輸出達(dá)到一體化，方便用戶的管理。

本系統(tǒng)將MI和SI兩種技術(shù)以軟硬件相結(jié)合的方式，收集各種傳感器并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，以自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)環(huán)境。

數(shù)據(jù)收集及傳輸?shù)倪^(guò)程見(jiàn)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(shù)據(jù)信息會(huì)通過(guò)線纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器可使用互聯(lián)卡，并且可在互聯(lián)卡的條件下通過(guò)無(wú)線傳輸方式將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸?shù)椒?wù)器，為了考慮到信號(hào)屏蔽的情況，也可通過(guò)有線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。使用者通過(guò)PC端或移動(dòng)設(shè)備端以有線或無(wú)線傳輸方式從服務(wù)器中查詢所需要的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)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(jié)狀態(tài)，現(xiàn)有的土壤水分傳感器對(duì)凍結(jié)狀態(tài)下水分不能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，因此在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上要方便拆卸和安裝；另外農(nóng)田中沒(méi)有市電供應(yīng)，選擇的電源是太陽(yáng)能電池板和蓄電池；稻田灌溉不僅與土壤水分有關(guān)還與降水量、土壤溫度、土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度有關(guān)，本系統(tǒng)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(tǒng)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(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

(1）系統(tǒng)的基本原理：土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由信息采集器、數(shù)據(jù)傳輸器、電力系統(tǒng)和GPRS定位系統(tǒng)四部分組成。土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理如下：首先將每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用信息模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)串口連接發(fā)送到采集器上，數(shù)據(jù)采集器會(huì)與內(nèi)置SIM卡進(jìn)行連接，儲(chǔ)存之后進(jìn)行傳輸，把數(shù)據(jù)傳送過(guò)去，GPRS DTU將數(shù)據(jù)封裝到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，然后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部TCP/IP協(xié)議無(wú)縫訪問(wèn)Internet網(wǎng)絡(luò)到服務(wù)器。經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)處理后，系統(tǒng)軟件對(duì)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2）系統(tǒng)的主要功能：(1)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)土壤狀態(tài)和天氣變化；(2)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的采集，做到不遺失數(shù)據(jù)；(3)能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和查詢，方便不固定式查詢。

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