物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在土壤墑情測(cè)報(bào)中的應(yīng)用

鄧永卓，楊靖峰，王姝逸，祁　欣（天津市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，天津　300061）

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物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在土壤墑情測(cè)報(bào)中的應(yīng)用

鄧永卓，楊靖峰，王姝逸，祁欣
（天津市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，天津300061）

摘要：論述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在土壤墑情測(cè)報(bào)中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了物聯(lián)網(wǎng)墑情監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)、土壤墑情測(cè)報(bào)模型技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)交互服務(wù)終端的開(kāi)發(fā)運(yùn)用。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使土壤墑情測(cè)報(bào)工作顯著提升了測(cè)報(bào)速度和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；墑情測(cè)報(bào)

物聯(lián)網(wǎng)近年來(lái)發(fā)展迅猛，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生著戰(zhàn)略性和全局性的影響。如智能交通、智能電網(wǎng)、智能物流、智能醫(yī)療、智能家居等應(yīng)用涉及整個(gè)社會(huì)生活，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。特別是隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)+等基于物聯(lián)網(wǎng)的新概念、新應(yīng)用的不斷出現(xiàn)以及相關(guān)裝備的迅速普及，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也逐步拓展。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)等詞匯的內(nèi)涵在不斷發(fā)展，最典型的就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)于水肥控制的應(yīng)用。我們都知道干旱一直是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素,搞好土壤水分的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)對(duì)于研究土壤水分運(yùn)動(dòng)、作物水分狀況以及灌溉制度都具有重要意義,是農(nóng)業(yè)用水管理和災(zāi)害預(yù)警服務(wù)的重要研究領(lǐng)域。而傳統(tǒng)測(cè)報(bào)方法具有費(fèi)工、費(fèi)時(shí)等諸多問(wèn)題,通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可極大地提高土壤墑情測(cè)報(bào)工作的速度和質(zhì)量。

1　物聯(lián)網(wǎng)墑情監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要是指通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、傳感器、全球定位系統(tǒng)、二維碼等基礎(chǔ)信息感知設(shè)備,按約定的協(xié)議連接起來(lái),通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)投入品、生產(chǎn)過(guò)程或產(chǎn)品的智能化識(shí)別、數(shù)據(jù)采集、智能控制、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和應(yīng)用的拓展，在土壤墑情監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)中主要應(yīng)用到了以下關(guān)鍵技術(shù)：

1.1水分傳感器

感知是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),水分傳感器就是用來(lái)感知土壤容積含水量的儀器，目前常用到的傳感器有FDR型和TDR型等。FDR（Frequency Domain Reflectometry）頻域反射型是利用電磁脈沖原理，由一對(duì)電極組成一個(gè)電容，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容和振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路，F(xiàn)DR探頭的阻抗依賴于土壤介質(zhì)的介電常數(shù)。根據(jù)電磁波在土壤中傳播頻率來(lái)測(cè)量土壤的表觀介電常數(shù)（ε），進(jìn)而得出土壤容積含水量（θv）。它具有測(cè)量自動(dòng)、快速，體積小、量程寬等特點(diǎn)，使用比較廣泛。TDR（Time Domain Reflectometer）時(shí)域反射型是通過(guò)測(cè)定電磁波沿插入土壤的探針傳播時(shí)間（Δt）來(lái)測(cè)定土壤的介電常數(shù)（Ka）進(jìn)而計(jì)算出土壤容積含水量（θv），TDR具有快速、便捷、連續(xù)等特點(diǎn)。

1.2自動(dòng)氣象采集系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受旱與否受多方面因素影響，通過(guò)土壤水分傳感器測(cè)量土壤容積含水量是墑情測(cè)定的一個(gè)重要方面，同時(shí)還需測(cè)定諸多其他氣象因素，如氣壓、 溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、光照等。這些要素的傳統(tǒng)采集方法主要是通過(guò)氣象觀測(cè)站來(lái)獲取。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，這些野外作業(yè)一般可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)氣象站來(lái)完成。物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)氣象站是按照一定的要求設(shè)定的一種能自動(dòng)觀測(cè)和存儲(chǔ)氣象數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端采集設(shè)備，它主要是由各種傳感器、轉(zhuǎn)換器、通訊模塊、移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)、電源等組成。設(shè)備根據(jù)氣象要素的變化,相關(guān)感應(yīng)原件會(huì)隨動(dòng)，再通過(guò)I/O轉(zhuǎn)換，把工程量轉(zhuǎn)換成要素值。由于光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，在野外的能源持續(xù)性供應(yīng)已經(jīng)變的相對(duì)容易，氣象站可以自動(dòng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的開(kāi)展觀測(cè)，并可以通過(guò)增加傳感器實(shí)現(xiàn)觀測(cè)項(xiàng)目的拓展。

1.3RFID/WIFI/4G等無(wú)線傳輸技術(shù)

墑情監(jiān)測(cè)一般在田間,大多采用無(wú)線傳輸手段。無(wú)線傳輸技術(shù)雖然呈多元化發(fā)展態(tài)勢(shì),不過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上的無(wú)線傳輸技術(shù),大部分仍類似于移動(dòng)無(wú)線設(shè)備上的技術(shù),包括藍(lán)牙、近場(chǎng)通訊、移動(dòng)蜂窩技術(shù)等。近距無(wú)線傳輸一般使用RFID、WLAN、ZigBee、藍(lán)牙、WMN、NFC等傳輸技術(shù)，低成本、低功耗、對(duì)等通訊是它們的特點(diǎn)。中遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸一般依托GPRS/3G/4G等成熟無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行,它具有投入少、費(fèi)用合理、不受距離限制等特點(diǎn)。這些技術(shù)綜合比較因其對(duì)傳輸速率、傳輸范圍、功耗等的要求都是有比較大的差別，因此它們又有各自不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。

2　土壤墑情測(cè)報(bào)模型技術(shù)

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集到大量的氣象及墑情數(shù)據(jù),傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器后,如何運(yùn)用好這些數(shù)據(jù)為下一步的灌溉管理提出指導(dǎo)就必須依賴于土壤墑情測(cè)報(bào)模型來(lái)完成。目前,土壤墑情預(yù)報(bào)模型主要包括四種類型即系統(tǒng)模型、概念模型、機(jī)理模型、土壤植物大氣連續(xù)體模型（SPAC）。系統(tǒng)模型主要是應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)建立模型,它不考察土壤水分動(dòng)態(tài)變化的機(jī)理,而是分析土壤水分變化和其主要影響因素之間的關(guān)系。概念模型反映了作物根系層水分變化和水分收、支之間的關(guān)系，看重的是土壤水量動(dòng)態(tài)平衡。其中,收入項(xiàng)包括降水和灌溉,消耗項(xiàng)包括蒸發(fā)、地面徑流和滲漏等。機(jī)理模型主要是指土壤動(dòng)力學(xué)模型。SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continuum）模型可采用大葉模式提出土壤—植物—大氣的冠層濕溫方程，并構(gòu)造耦合迭代求解。近年來(lái)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織和適宜的魯棒性與容錯(cuò)性，很適合土壤墑情預(yù)測(cè)的非線性映射與決策,因此也得到廣泛的應(yīng)用。

3　物聯(lián)網(wǎng)交互服務(wù)終端

物聯(lián)網(wǎng)交互終端是物聯(lián)網(wǎng)中連接網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的重要工具,它擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)采集、初步處理、加密、傳輸和呈現(xiàn)等多種功能。在實(shí)際應(yīng)用中它是直接面對(duì)用戶，因此必須要重視對(duì)它的開(kāi)發(fā)與建設(shè)。目前常用的終端分為兩種，即特用終端和通用終端兩類。特用終端出于成本、功能等的考慮，一般不能擴(kuò)展，僅滿足單一應(yīng)用，但成本低廉，易開(kāi)發(fā)、功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定，簡(jiǎn)單易用。通用智能終端通常具有行業(yè)應(yīng)用的通用性，外部接口多,具有如RS232、RS422、RS485、USB等通用接口，還可通過(guò)拓展模塊對(duì)接口進(jìn)行數(shù)量拓展，可自動(dòng)識(shí)別傳感器，甚至內(nèi)置GPS模塊，知識(shí)規(guī)則等。此種終端開(kāi)發(fā)難度大、成本高、未標(biāo)準(zhǔn)化，但功能多，一般在野外攜帶一部基本就可完成大部分的專業(yè)應(yīng)用。當(dāng)然在日常應(yīng)用中通常也可借助常見(jiàn)操作系統(tǒng)Windows、Android等開(kāi)發(fā)個(gè)性化的應(yīng)用終端如臺(tái)式電腦、農(nóng)業(yè)服務(wù)觸摸屏一體機(jī)、智能手機(jī)、專用PDA等。目前智能手機(jī)終端因具有移動(dòng)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)通訊,在使用中可通過(guò)開(kāi)發(fā)專業(yè)APP擴(kuò)展功能等特點(diǎn)得到了快速發(fā)展。

總之，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使土壤墑情測(cè)報(bào)工作得到了極大地提升,通過(guò)建立遠(yuǎn)程土壤墑情監(jiān)測(cè)站,開(kāi)發(fā)土壤墑情監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)并配套相關(guān)灌溉標(biāo)準(zhǔn)和模型,科學(xué)指導(dǎo)適時(shí)適量灌溉,可顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和用水效率。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]鄧永卓. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]．基層農(nóng)技推廣，2014（8）：61-63.

[2]鄧永卓. 農(nóng)業(yè)定制手機(jī)終端的服務(wù)和發(fā)展模式探討[J]．基層農(nóng)技推廣，2014（2）：18-20.

作者簡(jiǎn)介：鄧永卓（1981-），男，高級(jí)農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)推廣應(yīng)用工作。E-mail：dengyongzhuo@gmail.com

基金項(xiàng)目：天津市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化與推廣項(xiàng)目“農(nóng)田土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)的引進(jìn)與示范”（201303060）

收稿日期：2015-12-01

文章編號(hào)：1002-0659（2016）01-0044-02

中圖分類號(hào)：S159.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A