土壤墑情自動化監(jiān)控系統(tǒng)研究

樊 冰，劉春華，杜文貞，王松岳，田 野

（山東省水利科學(xué)研究院，250014，濟(jì)南）

一、土壤墑情自動化監(jiān)控系統(tǒng)整體方案

土壤墑情自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要是對農(nóng)業(yè)灌溉所需的土壤墑情信息進(jìn)行自動監(jiān)控，利用先進(jìn)的傳感設(shè)備，采集對作物生長起關(guān)鍵作用的土壤濕度、降雨量、地下水水位等因子，并對作物的生長情況進(jìn)行實時視頻監(jiān)控，通過構(gòu)建的計算機(jī)信息平臺，對監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。根據(jù)收集的大量監(jiān)控數(shù)據(jù)信息，建立土壤墑情制約因素信息庫，通過開發(fā)基于B/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)網(wǎng)站訪問模式，實現(xiàn)實時精準(zhǔn)墑情測報，提高水分生產(chǎn)率，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效用水，達(dá)到提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)的目的。該系統(tǒng)以土壤墑情信息自動采集為基礎(chǔ)，以公共通信網(wǎng)絡(luò)為依托，基于研發(fā)的一站式產(chǎn)品技術(shù)，對區(qū)內(nèi)的農(nóng)田灌區(qū)進(jìn)行實時監(jiān)控，形成一個智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能的土壤墑情數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)，以確保作物的正常生長,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、田間現(xiàn)場土壤墑情監(jiān)控設(shè)備

農(nóng)田現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備主要由智能數(shù)據(jù)采集終端、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)、土壤濕度傳感器、地下水水位計、攝像機(jī)、雨量計、避雷器等組成。其中智能采集終端具有獨立的16位AD轉(zhuǎn)換器，提供每秒200次或40次的測量速率，并具有1uV靈敏度及0.6C精度。支持以2 304 K波特率在1.2 km范圍內(nèi)控制兩個模塊通道。EtherNet通信作為可選功能，可以使用TCP/IP協(xié)議以自身IP地址進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可將太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)有機(jī)地組成一個系統(tǒng)，有效地利用風(fēng)能和太陽能在能量及時間上的互補(bǔ)性，充分發(fā)揮各自的特性和優(yōu)勢，最大限度地利用太陽能和風(fēng)能。

三、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道

采用中國移動的GPRS/EDGE無線通信方式，覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)通道亦可選用CDMA、3G等網(wǎng)絡(luò)傳輸。中國移動的GPRS/EDGE無線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟，網(wǎng)絡(luò)覆蓋好，傳輸速度一般可滿足要求。

四、數(shù)據(jù)服務(wù)中心建設(shè)

管理平臺的開發(fā)主要包含應(yīng)用程序服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)庫服務(wù)模塊、Web服務(wù)模塊三個部分。

1.應(yīng)用程序服務(wù)模塊

采用Delphi開發(fā)的后臺應(yīng)用程序服務(wù)模塊具有以下功能：負(fù)責(zé)配置所有其他軟件模塊與應(yīng)用服務(wù)器的連接、通信等系統(tǒng)數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)，為所有其他軟件模塊提供網(wǎng)絡(luò)連接、通信及數(shù)據(jù)庫操作等功能，與監(jiān)控終端保持連接，24小時不間斷運行，提供土壤含水量、地下水水位、雨量、電池電量等的信息采集控制，可將采集的信息直接保存到數(shù)據(jù)庫。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 數(shù)據(jù)庫總體架構(gòu)圖

2.數(shù)據(jù)庫服務(wù)模塊

采用微軟的SQL Server作為存儲數(shù)據(jù)庫，與.NET兼容性好。SQL Server是一個全面的、集成的、端到端的數(shù)據(jù)解決方案，它為組織中的用戶提供了一個更安全可靠和更高效的平臺，用于企業(yè)數(shù)據(jù)和BI應(yīng)用，能達(dá)到本系統(tǒng)需求，并具有較高的性價比。數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計架構(gòu)如圖2所示。

3.Web服務(wù)模塊

Web服務(wù)模塊采用微軟的IIS，Web應(yīng)用程序采用微軟ASP.NET開發(fā)，它提供統(tǒng)一的Web接口，用戶可用IE瀏覽器登錄數(shù)據(jù)服務(wù)中心網(wǎng)站地址，根據(jù)用戶名/密碼確定權(quán)限，進(jìn)行相關(guān)的瀏覽、查詢、監(jiān)控、維護(hù)各種設(shè)備信息及狀態(tài)等，該模塊主要包含以下幾個功能：

（1）視頻監(jiān)控功能

在Web用戶端通過網(wǎng)絡(luò)視頻實時查看農(nóng)田作物當(dāng)前狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)多畫面實時視頻瀏覽監(jiān)控，同時提供多站點（服務(wù)器）登錄、視頻參數(shù)控制、PTZ控制、錄像控制、邏輯分組和分組輪跳等功能。錄像回放功能可以播放視頻保存文件，支持快進(jìn)、倒退、單幀等播放功能，方便事后仔細(xì)瀏覽、審核錄像文件等。

（2）控制功能

在Web用戶端連接服務(wù)平臺后，通過無線網(wǎng)絡(luò)向農(nóng)田終端發(fā)送指令，以達(dá)到控制終端的目的。比如可以控制云臺轉(zhuǎn)動來調(diào)整視野范圍，控制電池上電、斷電等。

（3）告警功能

告警功能主要分為土壤墑情告警、地下水水位告警、電池電量告警和終端開門告警。當(dāng)土壤墑情達(dá)到某個預(yù)設(shè)值（閾值），地下水水位、電池電量低于某個預(yù)設(shè)值或終端門禁被打開時通過彈出對話框、紅色字體顯示等方式告知用戶；當(dāng)發(fā)現(xiàn)有設(shè)備離線、視頻丟失、參數(shù)錯誤、狀態(tài)錯誤的異常時通知管理員及時采取措施，無需人工手動查看各個設(shè)備的運行狀態(tài)。

（4）WebGIS 功能

在Web用戶端以電子地圖的形式直觀地顯示農(nóng)田的位置，以圖文結(jié)合的形式顯示當(dāng)前農(nóng)田的信息。電子地圖主要包括以下功能：

①地圖基本操作：包括地圖平移、拖動等。

②地圖編輯：系統(tǒng)管理員可在Web用戶端(IE)以拖拽圖標(biāo)的方式將終端、設(shè)備放置到地圖的指定位置上，保存后相應(yīng)用戶即可通過Web用戶端 (IE)在電子地圖上查看到該終端、設(shè)備圖標(biāo)。

③定位搜索：以列表的形式顯示用戶管轄范圍內(nèi)的農(nóng)田、終端信息，用戶可以通過列表的“定位”按鈕快速在電子地圖上定位到當(dāng)前選中的終端信息，也可以通過點擊地圖相應(yīng)攝像機(jī)圖標(biāo)進(jìn)入視頻監(jiān)控界面。

④農(nóng)田灌區(qū)、終端信息獲?。河脩艨梢栽陔娮拥貓D上單擊終端圖標(biāo)顯示當(dāng)前終端的最新信息。

（5）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置

由系統(tǒng)管理員配置整個系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)包括區(qū)域信息、農(nóng)田信息、終端信息、設(shè)備信息、人員信息、用戶端單位信息。

（6）數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能

用戶通過訪問Web網(wǎng)站，可以統(tǒng)計查閱土壤濕度、地下水水位、雨量、電量等數(shù)據(jù)，還可以將雨量的數(shù)據(jù)報表導(dǎo)出EXCEL格式，生成年度、季度、月度統(tǒng)計報表。

五、灌溉智能決策系統(tǒng)

灌溉智能決策系統(tǒng)工作的原理是，根據(jù)采集傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行綜合分析判斷，確定出土壤含水量的實時值，然后與作物生長所需適宜含水量的上限比較，進(jìn)行決策。當(dāng)小于或等于設(shè)定的土壤含水量上限時，發(fā)出使機(jī)泵（或電磁閥）自動開啟的指令，并且根據(jù)預(yù)先制定的灌水計劃，按灌溉順序、灌溉時間自動執(zhí)行，直至機(jī)泵（或電磁閥）自行關(guān)閉。

系統(tǒng)軟件根據(jù)作物在不同生長期的需水參數(shù)以及土壤條件等資料建立信息庫，推理機(jī)根據(jù)信息采集系統(tǒng)輸入的土壤含水量、空氣溫度濕度、降雨、光照、風(fēng)速等資料和信息庫比較，經(jīng)推理后形成灌溉方案，通過接口電路送至相應(yīng)的模塊執(zhí)行。

灌溉智能決策與控制系統(tǒng)軟件的工作程序是：將監(jiān)測控制命令由計算機(jī)串口發(fā)出，通過RS 232/RS 485轉(zhuǎn)換模塊將信號轉(zhuǎn)換為傳輸距離較遠(yuǎn)的RS 485信號格式，信號通過RS 485網(wǎng)絡(luò)傳送至信息采集系統(tǒng)的因子采集變送設(shè)備上，各設(shè)備對命令進(jìn)行解碼處理后執(zhí)行相應(yīng)的操作。決策系統(tǒng)軟件同時還實時監(jiān)測GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控MODEM是否有遠(yuǎn)程監(jiān)控信號，當(dāng)接收到遠(yuǎn)程監(jiān)控信號時立即進(jìn)行命令解密、解碼處理，處理后的信息實時與信息庫的規(guī)則或設(shè)置指令相比較，判斷決策執(zhí)行相應(yīng)的操作指令，完成灌溉工作。

六、結(jié) 論

本技術(shù)方案在技術(shù)總結(jié)和深化的基礎(chǔ)上，充分考慮了國內(nèi)農(nóng)田灌區(qū)的特點，在土壤墑情信息與自動化監(jiān)控技術(shù)方面進(jìn)行了有益探索及創(chuàng)新，形成了較為成熟的自動化監(jiān)控技術(shù)，可以更全面、實時、準(zhǔn)確地了解作物根系活動層土壤水分情況的運行狀況，對于農(nóng)田的旱澇情況能夠提前預(yù)警，自動采取灌溉措施，對提高作物產(chǎn)量和灌溉節(jié)約用水具有重要意義。該項技術(shù)可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)等方面的土壤墑情監(jiān)控，推廣后必將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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