分布式農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測管理系統(tǒng)

摘要：農(nóng)田土壤墑情對作物的生長起到至關(guān)重要的作用，為了使作物生長在適宜含水量的土壤中，采用無線通信技術(shù)設(shè)計了分布式農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測管理系統(tǒng)，監(jiān)測中心與農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測站采用C/S架構(gòu)設(shè)計。根據(jù)規(guī)劃，土壤墑情監(jiān)測站部署在各地的農(nóng)田內(nèi)，利用土壤水分傳感器FDS100采集土壤水分信息，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)建立與監(jiān)測中心的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接將采集到的數(shù)據(jù)上傳；監(jiān)測中心將接收到的數(shù)據(jù)進行解析、處理、分析，獲取被監(jiān)測區(qū)域農(nóng)田的土壤墑情，并參照作物生長發(fā)育規(guī)律，為農(nóng)田管理者提供精準的灌溉指導(dǎo)。系統(tǒng)準確實時地獲取了各監(jiān)測站的土壤墑情信息，實現(xiàn)了分布式農(nóng)田土壤墑情的集中監(jiān)測，能夠為作物的精準灌溉管理提供強有力的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：土壤墑情；遠程監(jiān)測；無線通信；自動控制；精準灌溉

中圖分類號： TP274+.4；S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0428-03

收稿日期：2013-03-05

基金資助：國家自然科學基金（編號：61170243）。

作者簡介：張歌凌（1975—），女，河南開封人，碩士，講師，主要研究方向為計算機應(yīng)用與人工智能。E-mail：xuhaiup@126.com。適宜的水分是農(nóng)作物正常生長不可缺少的因素，干旱或者洪澇都會影響作物的產(chǎn)量。我國水資源非常缺乏，如何在保證增產(chǎn)增收的前提下，合理利用水資源進行農(nóng)業(yè)灌溉是建設(shè)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基本要求[1-3]。不同作物對水分的需求有明顯差別，作物在不同生長階段對水分的需求也不一樣，有些地區(qū)的農(nóng)業(yè)管理者會不定期到農(nóng)田測量土壤墑情，用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉，但是這種方法存在工作效率低、實時性差、準確度低的問題[4]。為了掌握農(nóng)田土壤墑情的連續(xù)變化規(guī)律，筆者設(shè)計了分布式農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測管理系統(tǒng)，通過水分傳感器對各地的農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)進行采集、處理，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將土壤墑情數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測中心，根據(jù)作物的生長發(fā)育規(guī)律，指導(dǎo)農(nóng)田管理者進行精準灌溉，大大提高了作物產(chǎn)量，現(xiàn)將分布式農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測管理系統(tǒng)介紹如下。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

土壤墑情評價指標以土壤含水量占田間持水量比值的比重來表示[5]。為了獲得農(nóng)田的土壤墑情信息，要綜合考慮該地區(qū)的土壤特性、作物分布、地勢等因素，選擇有代表性的采樣點。這些采樣點一般數(shù)量多、分布廣，很難通過鋪設(shè)線路方式進行數(shù)據(jù)通信，考慮到數(shù)據(jù)傳輸量不是很大，為此，采用覆蓋廣泛的GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互。分布式農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測管理系統(tǒng)主要由土壤墑情監(jiān)測點、農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測站、集中監(jiān)測中心、通信網(wǎng)絡(luò)等組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中農(nóng)田土壤監(jiān)測站與集中監(jiān)測中心采用C/S架構(gòu)設(shè)計。由于單點監(jiān)測容易出現(xiàn)隨機性，影響測量的準確度，為提高系統(tǒng)的監(jiān)測精度，在每個監(jiān)測站周圍50 m處均勻設(shè)置4個監(jiān)測點，每次上傳的數(shù)據(jù)均來自這4個監(jiān)測點，采用剔除均值法對這4個數(shù)據(jù)進行處理，大大提高了系統(tǒng)的測量精度?？紤]到監(jiān)測點節(jié)能、數(shù)據(jù)量不大等因素，農(nóng)田土壤監(jiān)測站與土壤墑情監(jiān)測點之間采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信，每個監(jiān)測點只需要1節(jié)干電池就能工作半年以上，保證系統(tǒng)能夠長時間運行。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定，農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測站定時向監(jiān)測點發(fā)送測量指令，并接收監(jiān)測點返回的土壤墑情數(shù)據(jù)，剔除均值后，將監(jiān)測站ID、采集時間、土壤墑情等數(shù)據(jù)按照規(guī)定的通信協(xié)議打包，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與集中監(jiān)測中心建立的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接上傳。集中監(jiān)測中心可設(shè)置為自動獲取數(shù)據(jù)，還可按設(shè)定的時間間隔設(shè)定采樣頻率，實現(xiàn)連續(xù)或者動態(tài)監(jiān)測土壤墑情數(shù)據(jù)。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，集中監(jiān)測中心主機需要配置固定公網(wǎng)的IP地址，各農(nóng)田土壤監(jiān)測站使用中國移動通信公司的SIM卡。在監(jiān)測中心利用管理軟件對信息進行統(tǒng)計處理，當土壤水分過高或者過低時，系統(tǒng)通過控制GPRS模塊向指定的農(nóng)田管理者發(fā)送實時的農(nóng)田土壤墑情預(yù)警短消息；系統(tǒng)還可產(chǎn)生各種報表輸出，并將數(shù)據(jù)進行圖形化顯示，實現(xiàn)了農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)的可視化管理[6]。

2監(jiān)測站硬件平臺及工作原理

系統(tǒng)的農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測站、監(jiān)測點共用同一個硬件平臺設(shè)計，都采用MSP430F149作為控制器核心，只是在擴展接口上添加相應(yīng)的功能模塊，并編寫程序。

2.1農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測站設(shè)計

農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測站硬件平臺采用控制器MSP430F149作為監(jiān)測站的核心，主要由ZigBee收發(fā)器CC2530、土壤水分傳感器FDS100、GPRS通信模塊SIM300C、太陽能電池板、蓄電池、電源管理等單元組成（圖2）。由于農(nóng)田電網(wǎng)不是很健全，為給系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電能，采用太陽能發(fā)電方式為系統(tǒng)供電。白天通過太陽能電池板接收光照，并轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池內(nèi)，夜間系統(tǒng)利用蓄電池供電，保證了系統(tǒng)持續(xù)供電，即使遇到陰雨天，蓄電池的容量也可以維持整個系統(tǒng)運行1～2周[7]。

2.1.1控制器MSP430F149控制器MSP430F149主要負責處理、運算、協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，通過串口與ZigBee無線通信模塊CC2530連接，直接訪問內(nèi)部寄存器、存儲器，實現(xiàn)點對點或者點對多點的快速組網(wǎng)?？刂破鱉SP430F149的串口與GPRS通信模塊SIM300C連接進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.1.2ZigBee收發(fā)器CC2530組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信模塊選取了適應(yīng)2.4 GHz IEEE802.15.4的RF收發(fā)器CC2530芯片，它具有優(yōu)良代碼預(yù)取功能的低功耗8051微控制器內(nèi)核，并提供了與MUC之間通信的接口，可以方便地發(fā)出命令、配置參數(shù)、讀取設(shè)備狀態(tài)、收發(fā)數(shù)據(jù)[8]。4種供電模式之間可以自由切換，且轉(zhuǎn)換時間較短，進一步確保了低功耗的工作狀態(tài)，是一整套完整的片上系統(tǒng)解決方案。每個ZigBee節(jié)點都有唯一的ID，通過8位撥碼開關(guān)實現(xiàn)設(shè)置。endprint

2.1.3GPRS通信模塊SIM300C系統(tǒng)中的GPRS模塊采用的是新一代GSM/GPRS模塊SIM300C，能工作在EGSM900、DCS1800、PCS1900 3個頻段；提供GSM 語音、短消息、GPRS上網(wǎng)等業(yè)務(wù)；內(nèi)置集成了完整的TCP/IP協(xié)議棧[9]；提供端到端的廣域無線IP連接，工作時的最大下行傳輸速度為 85.6 kb/s，最大上行速度為42.8 kb/s。監(jiān)測站將數(shù)據(jù)打包處理后，通過串口以字符串的形式發(fā)到GPRS模塊SIM300C上，模塊SIM300C與附件的GPRS基站通信，移動基站的SGSN再與網(wǎng)關(guān)支持接點GGSN進行通信；GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理后，再進行TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)打包，再由SIM300C模塊以GPRS數(shù)據(jù)包的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動的CMNET，最后通過GPRS的服務(wù)接點GSN將數(shù)據(jù)發(fā)送到 Internet 上，根據(jù)監(jiān)測站對目標地址的設(shè)置，尋找Internet上監(jiān)測中心服務(wù)器主機上的IP地址、端口號[10]。

2.2土壤墑情監(jiān)測點

土壤墑情監(jiān)測點主要由控制器MSP430F149、3組土壤水分傳感器FDS100、ZigBee收發(fā)器CC2530、干電池組、電源管理單元等部分組成。監(jiān)測點硬件平臺組成如圖3所示。

系統(tǒng)采用土壤水分傳感器FDS100，探針長度為6 cm，密封性強，具有防水防潮能力；供電電壓為5～12 V直流電，工作電流25 mA，土壤含水量為0～100%，輸出信號為 0～1.5 V 直流電。FDS100土壤水分傳感器輸出信號與土壤水分含量具有良好的線性關(guān)系，不要重新標定。監(jiān)測點采用間隔供電，只在采集時才對傳感器供電，避免出現(xiàn)常供電導(dǎo)致的土壤理化性質(zhì)變異情況，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差增大。3組土壤水分傳感器FDS100分別測土壤深度為10、20、40 cm的田間持水量，輸出電壓信號與控制器MSP430F149的ADC口相連，再求3個傳感器測得的均值，最后通過無線模塊CC2530建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)連同節(jié)點ID發(fā)送到監(jiān)測站。

3土壤墑情集中監(jiān)測中心

土壤墑情集中監(jiān)測中心的管理軟件應(yīng)用程序采用 VC++ 6.0環(huán)境開發(fā)編寫而成，運行在監(jiān)測中心的服務(wù)器上，主要負責處理各監(jiān)測站上傳的土壤墑情數(shù)據(jù)，再進行數(shù)據(jù)處理、歸類分析。管理軟件具有網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理與顯示、分析預(yù)測、自動報警、報表統(tǒng)計、數(shù)據(jù)存儲等功能[11]。管理軟件結(jié)構(gòu)與功能框圖如圖4所示。

管理軟件通過調(diào)用Socket函數(shù)與分布在各地的監(jiān)測站建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，接收各監(jiān)測站定時發(fā)送的土壤墑情數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行處理，并將結(jié)果實時顯示在屏幕上，也可通過調(diào)用Teechart控件實時繪制某區(qū)域的墑情-時間曲線圖，同時將數(shù)據(jù)存儲在ACCESS2003數(shù)據(jù)庫中[12]。對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，還可以建立墑情變化趨勢模型，并預(yù)測未來一段時間內(nèi)土壤墑情的變化情況，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)管理者提前進行精準灌溉；一旦發(fā)現(xiàn)某區(qū)域出現(xiàn)不利于作物生長的旱情，監(jiān)控中心的顯示器會發(fā)出報警信號，并通過AT指令控制監(jiān)測模塊SIM300C向預(yù)存管理者的手機號碼及時發(fā)送短消息，提醒管理者進行補水灌溉作業(yè)。

4結(jié)果與分析

為了驗證系統(tǒng)的工作性能，筆者對華北某地區(qū)的冬小麥生長過程進行了土壤墑情監(jiān)測，冬小麥的生長時期主要分出苗期、幼苗期、返青期、拔節(jié)期、灌漿期5個階段。系統(tǒng)設(shè)置了8個土壤墑情監(jiān)測站，每個監(jiān)測站有4個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點有3個土壤水分傳感器，測定土壤深度分別為10、20、40 cm的田間持水量，再取這3個傳感器的均值，即可得到該監(jiān)測站的農(nóng)田持水量，測量結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，8個監(jiān)測站測得冬小麥5個生長期內(nèi)的土壤持水量都在冬小麥適宜生長范圍。4號監(jiān)測點屬于沙土，保持水分的能力稍微差一些，但是通過合理灌溉，也能夠使其保持在冬小麥各生長期的適宜生長范圍內(nèi)。拔節(jié)期到抽穗期以及抽穗期到成熟期2個時期小麥耗水量最高，各占小麥全生育期總耗水量的35%、40%左右，通過農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測管理系統(tǒng)可以準確測量各區(qū)域土壤的墑情。

5結(jié)論

本研究針對目前傳統(tǒng)農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測手段較為繁雜的問題，借助GPRS網(wǎng)絡(luò)，提出了基于GPRS無線通信方式的分布式農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測方案，引入了多點、多土壤深度的測量方法，大大提高了測量精度。監(jiān)測中心的服務(wù)器端軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、功能強大，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、分析預(yù)測、自動報警、報表統(tǒng)計等功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測量精度高，可實現(xiàn)對土壤墑情的集中實時監(jiān)測，降低了農(nóng)田管理者的勞動強度，有效指導(dǎo)農(nóng)田灌溉水量調(diào)配，為建設(shè)智能化、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

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2.1.3GPRS通信模塊SIM300C系統(tǒng)中的GPRS模塊采用的是新一代GSM/GPRS模塊SIM300C，能工作在EGSM900、DCS1800、PCS1900 3個頻段；提供GSM 語音、短消息、GPRS上網(wǎng)等業(yè)務(wù)；內(nèi)置集成了完整的TCP/IP協(xié)議棧[9]；提供端到端的廣域無線IP連接，工作時的最大下行傳輸速度為 85.6 kb/s，最大上行速度為42.8 kb/s。監(jiān)測站將數(shù)據(jù)打包處理后，通過串口以字符串的形式發(fā)到GPRS模塊SIM300C上，模塊SIM300C與附件的GPRS基站通信，移動基站的SGSN再與網(wǎng)關(guān)支持接點GGSN進行通信；GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理后，再進行TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)打包，再由SIM300C模塊以GPRS數(shù)據(jù)包的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動的CMNET，最后通過GPRS的服務(wù)接點GSN將數(shù)據(jù)發(fā)送到 Internet 上，根據(jù)監(jiān)測站對目標地址的設(shè)置，尋找Internet上監(jiān)測中心服務(wù)器主機上的IP地址、端口號[10]。

2.2土壤墑情監(jiān)測點

土壤墑情監(jiān)測點主要由控制器MSP430F149、3組土壤水分傳感器FDS100、ZigBee收發(fā)器CC2530、干電池組、電源管理單元等部分組成。監(jiān)測點硬件平臺組成如圖3所示。

系統(tǒng)采用土壤水分傳感器FDS100，探針長度為6 cm，密封性強，具有防水防潮能力；供電電壓為5～12 V直流電，工作電流25 mA，土壤含水量為0～100%，輸出信號為 0～1.5 V 直流電。FDS100土壤水分傳感器輸出信號與土壤水分含量具有良好的線性關(guān)系，不要重新標定。監(jiān)測點采用間隔供電，只在采集時才對傳感器供電，避免出現(xiàn)常供電導(dǎo)致的土壤理化性質(zhì)變異情況，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差增大。3組土壤水分傳感器FDS100分別測土壤深度為10、20、40 cm的田間持水量，輸出電壓信號與控制器MSP430F149的ADC口相連，再求3個傳感器測得的均值，最后通過無線模塊CC2530建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)連同節(jié)點ID發(fā)送到監(jiān)測站。

3土壤墑情集中監(jiān)測中心

土壤墑情集中監(jiān)測中心的管理軟件應(yīng)用程序采用 VC++ 6.0環(huán)境開發(fā)編寫而成，運行在監(jiān)測中心的服務(wù)器上，主要負責處理各監(jiān)測站上傳的土壤墑情數(shù)據(jù)，再進行數(shù)據(jù)處理、歸類分析。管理軟件具有網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理與顯示、分析預(yù)測、自動報警、報表統(tǒng)計、數(shù)據(jù)存儲等功能[11]。管理軟件結(jié)構(gòu)與功能框圖如圖4所示。

管理軟件通過調(diào)用Socket函數(shù)與分布在各地的監(jiān)測站建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，接收各監(jiān)測站定時發(fā)送的土壤墑情數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行處理，并將結(jié)果實時顯示在屏幕上，也可通過調(diào)用Teechart控件實時繪制某區(qū)域的墑情-時間曲線圖，同時將數(shù)據(jù)存儲在ACCESS2003數(shù)據(jù)庫中[12]。對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，還可以建立墑情變化趨勢模型，并預(yù)測未來一段時間內(nèi)土壤墑情的變化情況，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)管理者提前進行精準灌溉；一旦發(fā)現(xiàn)某區(qū)域出現(xiàn)不利于作物生長的旱情，監(jiān)控中心的顯示器會發(fā)出報警信號，并通過AT指令控制監(jiān)測模塊SIM300C向預(yù)存管理者的手機號碼及時發(fā)送短消息，提醒管理者進行補水灌溉作業(yè)。

4結(jié)果與分析

為了驗證系統(tǒng)的工作性能，筆者對華北某地區(qū)的冬小麥生長過程進行了土壤墑情監(jiān)測，冬小麥的生長時期主要分出苗期、幼苗期、返青期、拔節(jié)期、灌漿期5個階段。系統(tǒng)設(shè)置了8個土壤墑情監(jiān)測站，每個監(jiān)測站有4個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點有3個土壤水分傳感器，測定土壤深度分別為10、20、40 cm的田間持水量，再取這3個傳感器的均值，即可得到該監(jiān)測站的農(nóng)田持水量，測量結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，8個監(jiān)測站測得冬小麥5個生長期內(nèi)的土壤持水量都在冬小麥適宜生長范圍。4號監(jiān)測點屬于沙土，保持水分的能力稍微差一些，但是通過合理灌溉，也能夠使其保持在冬小麥各生長期的適宜生長范圍內(nèi)。拔節(jié)期到抽穗期以及抽穗期到成熟期2個時期小麥耗水量最高，各占小麥全生育期總耗水量的35%、40%左右，通過農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測管理系統(tǒng)可以準確測量各區(qū)域土壤的墑情。

5結(jié)論

本研究針對目前傳統(tǒng)農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測手段較為繁雜的問題，借助GPRS網(wǎng)絡(luò)，提出了基于GPRS無線通信方式的分布式農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測方案，引入了多點、多土壤深度的測量方法，大大提高了測量精度。監(jiān)測中心的服務(wù)器端軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、功能強大，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、分析預(yù)測、自動報警、報表統(tǒng)計等功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測量精度高，可實現(xiàn)對土壤墑情的集中實時監(jiān)測，降低了農(nóng)田管理者的勞動強度，有效指導(dǎo)農(nóng)田灌溉水量調(diào)配，為建設(shè)智能化、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻：

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2.1.3GPRS通信模塊SIM300C系統(tǒng)中的GPRS模塊采用的是新一代GSM/GPRS模塊SIM300C，能工作在EGSM900、DCS1800、PCS1900 3個頻段；提供GSM 語音、短消息、GPRS上網(wǎng)等業(yè)務(wù)；內(nèi)置集成了完整的TCP/IP協(xié)議棧[9]；提供端到端的廣域無線IP連接，工作時的最大下行傳輸速度為 85.6 kb/s，最大上行速度為42.8 kb/s。監(jiān)測站將數(shù)據(jù)打包處理后，通過串口以字符串的形式發(fā)到GPRS模塊SIM300C上，模塊SIM300C與附件的GPRS基站通信，移動基站的SGSN再與網(wǎng)關(guān)支持接點GGSN進行通信；GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理后，再進行TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)打包，再由SIM300C模塊以GPRS數(shù)據(jù)包的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動的CMNET，最后通過GPRS的服務(wù)接點GSN將數(shù)據(jù)發(fā)送到 Internet 上，根據(jù)監(jiān)測站對目標地址的設(shè)置，尋找Internet上監(jiān)測中心服務(wù)器主機上的IP地址、端口號[10]。

2.2土壤墑情監(jiān)測點

土壤墑情監(jiān)測點主要由控制器MSP430F149、3組土壤水分傳感器FDS100、ZigBee收發(fā)器CC2530、干電池組、電源管理單元等部分組成。監(jiān)測點硬件平臺組成如圖3所示。

系統(tǒng)采用土壤水分傳感器FDS100，探針長度為6 cm，密封性強，具有防水防潮能力；供電電壓為5～12 V直流電，工作電流25 mA，土壤含水量為0～100%，輸出信號為 0～1.5 V 直流電。FDS100土壤水分傳感器輸出信號與土壤水分含量具有良好的線性關(guān)系，不要重新標定。監(jiān)測點采用間隔供電，只在采集時才對傳感器供電，避免出現(xiàn)常供電導(dǎo)致的土壤理化性質(zhì)變異情況，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差增大。3組土壤水分傳感器FDS100分別測土壤深度為10、20、40 cm的田間持水量，輸出電壓信號與控制器MSP430F149的ADC口相連，再求3個傳感器測得的均值，最后通過無線模塊CC2530建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)連同節(jié)點ID發(fā)送到監(jiān)測站。

3土壤墑情集中監(jiān)測中心

土壤墑情集中監(jiān)測中心的管理軟件應(yīng)用程序采用 VC++ 6.0環(huán)境開發(fā)編寫而成，運行在監(jiān)測中心的服務(wù)器上，主要負責處理各監(jiān)測站上傳的土壤墑情數(shù)據(jù)，再進行數(shù)據(jù)處理、歸類分析。管理軟件具有網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理與顯示、分析預(yù)測、自動報警、報表統(tǒng)計、數(shù)據(jù)存儲等功能[11]。管理軟件結(jié)構(gòu)與功能框圖如圖4所示。

管理軟件通過調(diào)用Socket函數(shù)與分布在各地的監(jiān)測站建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，接收各監(jiān)測站定時發(fā)送的土壤墑情數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行處理，并將結(jié)果實時顯示在屏幕上，也可通過調(diào)用Teechart控件實時繪制某區(qū)域的墑情-時間曲線圖，同時將數(shù)據(jù)存儲在ACCESS2003數(shù)據(jù)庫中[12]。對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，還可以建立墑情變化趨勢模型，并預(yù)測未來一段時間內(nèi)土壤墑情的變化情況，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)管理者提前進行精準灌溉；一旦發(fā)現(xiàn)某區(qū)域出現(xiàn)不利于作物生長的旱情，監(jiān)控中心的顯示器會發(fā)出報警信號，并通過AT指令控制監(jiān)測模塊SIM300C向預(yù)存管理者的手機號碼及時發(fā)送短消息，提醒管理者進行補水灌溉作業(yè)。

4結(jié)果與分析

為了驗證系統(tǒng)的工作性能，筆者對華北某地區(qū)的冬小麥生長過程進行了土壤墑情監(jiān)測，冬小麥的生長時期主要分出苗期、幼苗期、返青期、拔節(jié)期、灌漿期5個階段。系統(tǒng)設(shè)置了8個土壤墑情監(jiān)測站，每個監(jiān)測站有4個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點有3個土壤水分傳感器，測定土壤深度分別為10、20、40 cm的田間持水量，再取這3個傳感器的均值，即可得到該監(jiān)測站的農(nóng)田持水量，測量結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，8個監(jiān)測站測得冬小麥5個生長期內(nèi)的土壤持水量都在冬小麥適宜生長范圍。4號監(jiān)測點屬于沙土，保持水分的能力稍微差一些，但是通過合理灌溉，也能夠使其保持在冬小麥各生長期的適宜生長范圍內(nèi)。拔節(jié)期到抽穗期以及抽穗期到成熟期2個時期小麥耗水量最高，各占小麥全生育期總耗水量的35%、40%左右，通過農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測管理系統(tǒng)可以準確測量各區(qū)域土壤的墑情。

5結(jié)論

本研究針對目前傳統(tǒng)農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測手段較為繁雜的問題，借助GPRS網(wǎng)絡(luò)，提出了基于GPRS無線通信方式的分布式農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測方案，引入了多點、多土壤深度的測量方法，大大提高了測量精度。監(jiān)測中心的服務(wù)器端軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、功能強大，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、分析預(yù)測、自動報警、報表統(tǒng)計等功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測量精度高，可實現(xiàn)對土壤墑情的集中實時監(jiān)測，降低了農(nóng)田管理者的勞動強度，有效指導(dǎo)農(nóng)田灌溉水量調(diào)配，為建設(shè)智能化、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

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