農(nóng)業(yè)土壤含水率監(jiān)測及灌溉系統(tǒng)研究

【摘要】土壤水分反映了農(nóng)業(yè)干旱程度，以土壤水分為指標(biāo)，可以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉。土壤的含水狀況俗稱土壤墑情，還包括土壤性質(zhì)、深度等狀態(tài)，其關(guān)系到農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)生長。不能及時、足量灌溉，或過量灌溉，都可能導(dǎo)致農(nóng)作物根莖不能從土壤及時吸收水分，影響農(nóng)作物的正常生長。另一方面，從農(nóng)業(yè)節(jié)水、節(jié)能及可持續(xù)性發(fā)展角度考慮，在灌溉作業(yè)中，要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉水資源高效利用，必須實時、精確地掌握農(nóng)田土壤水分信息，準(zhǔn)確地控制灌溉開始時機、結(jié)束時機及水量，從而實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能和作物的良好生長雙重目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)業(yè)；土壤含水率；灌溉系統(tǒng)

對土壤含水率準(zhǔn)確、連續(xù)、實時的監(jiān)測是實現(xiàn)精量灌溉與農(nóng)業(yè)高效用水的前提，而傳統(tǒng)的土壤含水率監(jiān)測系統(tǒng)主要布設(shè)在土壤表面，對土壤進行耕作時，需要繞開地表的監(jiān)測系統(tǒng)，使得土壤耕作不方便。針對傳統(tǒng)土壤含水率監(jiān)測系統(tǒng)占用耕地、架設(shè)不方便等問題，設(shè)計和開發(fā)了一套適用于農(nóng)田的基于無線地下傳感器的土壤含水率監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)能保證至少15天左右埋藏在土壤中，不影響農(nóng)田耕作，架設(shè)和維護方便，為作物的精量節(jié)水灌溉提供決策依據(jù)。下面文章將會從監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與選型方面強化整個農(nóng)業(yè)土壤工作，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)工作的進行提供一定借鑒作用。

1、系統(tǒng)整體設(shè)計與選型

1.1 整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體由地下節(jié)點、地面接收節(jié)點、上位機終端構(gòu)成。

1.2 地下節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個地下傳感器節(jié)點主要包括用于采集土壤含水率的水分傳感器、單片機、采樣/保持器、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤、液晶顯示模塊、電源模塊、nRF905無線通信模塊等。地下節(jié)點主要實現(xiàn)的功能是：傳感器采集土壤含水率，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采集得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機控制無線模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至地面節(jié)點。

1.3 地面節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計

地面接收節(jié)點硬件主要包括無線通信模塊、單片機、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤、液晶顯示模塊、串口通信模塊、電源模塊等。地面接收節(jié)點主要的功能是：接收無線地下傳感器節(jié)點傳回的土壤含水率數(shù)據(jù)，液晶屏顯示土壤含水率并由單片機控制將數(shù)據(jù)發(fā)送至串口，計算機接收串口處的土壤含水率，最終由上位機應(yīng)用軟件在電腦上實時顯示并繪制土壤含水率變化曲線。

1.4 土壤水分傳感器的選型

基于性能、功耗、能否長期埋藏于地下以及價格等因素的考慮，本文選擇了北京聯(lián)創(chuàng)思源測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的FDS系列電容型土壤水分傳感器FDS-100。該傳感器是通過測量土壤介電常數(shù)并運用頻域反射法（FDR）來獲取土壤含水率，其測量得到的土壤含水率具有較高的線性度。傳感器測量的數(shù)據(jù)為量程0～100%的土壤體積含水率（volumetric water content，VWC），測量精度為±3%，分辨率達到0.001m3/m3VWC（Unism2012）。FDS-100運用低功耗設(shè)計，其工作電流僅為25mA，采用5～12V的寬伏供電，最低能在5V直流電源的供電下工作，輸出信號為0-1.5V的電壓信號，其具體輸出電壓信號的伏值隨VWC的變化而變化。

2、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

微控制器作為監(jiān)測系統(tǒng)的核心，起著控制各個模塊正常工作的作用。微控制器通過數(shù)據(jù)處理與發(fā)出指令協(xié)調(diào)著各個模塊實現(xiàn)其相應(yīng)的功能。近幾年來，微控制器越來越向著小型化、集成化、節(jié)能化的方向發(fā)展。發(fā)展過程中，微控制器的指令處理能力和處理速度都得到了大幅提高。

由于土壤水分傳感器傳回的數(shù)據(jù)是 0～1.5VDC 的電壓信號，電壓信號為模擬信號，而微控制器只能識別數(shù)字信號，所以要將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這就需要用到 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

為確保地下傳感器節(jié)點采集得到的土壤含水率準(zhǔn)確性較高，需要將傳感器采集到的土壤含水率與烘干法得到的含水率進行對比，之后對傳感器進行標(biāo)定。為了方便對比實驗，在傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計中加入液晶顯示模塊的接口，方便數(shù)據(jù)的對比與傳感器的標(biāo)定，在傳感器節(jié)點埋入土壤中時，可取下液晶顯示模塊進一步降低功耗。

2.2 軟件設(shè)計

節(jié)點程序設(shè)計分為傳感器節(jié)點程序設(shè)計和地面接收節(jié)點程序設(shè)計。傳感器節(jié)點因為需要長期埋藏在土壤中，其程序設(shè)計應(yīng)能包含低功耗設(shè)計，比如當(dāng)完成一次土壤水分采集后系統(tǒng)應(yīng)能進入待機狀態(tài)等待下一次采集指令，以達到節(jié)能的目的。傳感器節(jié)點采集并發(fā)送一次土壤含水率信息的工作流程應(yīng)為：土壤水分傳感器采集土壤水分→A/D 轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換→LCD 顯示土壤含水率→無線模塊發(fā)送含水率數(shù)據(jù)。

地面接收節(jié)點的程序設(shè)計主要包括nRF905 數(shù)據(jù)接收程序和計算機串口通信程序。地面接收節(jié)點的主要實現(xiàn)的功能是接收傳感器節(jié)點傳回的土壤含水率數(shù)據(jù)，液晶屏顯示接收到的數(shù)據(jù)，同時把它通過串行口發(fā)送至計算機終端。

上位機軟件索要實現(xiàn)的功能是：主控制器將nRF905接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給計算機，計算機中的上位機軟件實時接收串口數(shù)據(jù)并繪制土壤含水率曲線。本設(shè)計編寫的上位機軟件功能強大，能夠選擇不同的串口接收串口數(shù)據(jù)，也能夠改變濕度曲線的顯示范圍方便用戶查看；實時顯示串口接收到的數(shù)據(jù)。

3、應(yīng)用結(jié)果

3.1 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試之前首先對土壤水分傳感器用烘干法進行了標(biāo)定，使測得的土壤含水率具有較高的準(zhǔn)確性。而后先在實驗室中進行了室內(nèi)測試，完成了系統(tǒng)各項功能測試與調(diào)試，確保各個功能模塊能夠正常工作。之后在小麥試驗田里進行了田間測試，測定了地下節(jié)點在不同埋藏深度的傳輸距離，并將傳回的土壤含水率數(shù)據(jù)和同一深度實際用烘干法得到的土壤含水率、氣象站的監(jiān)測到的含水率進行對比，分析了系統(tǒng)的可靠性。試驗主要測試系統(tǒng)的各項功能，包括無線地下傳感器節(jié)點采集土壤含水率、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)化、顯示并發(fā)送，地面節(jié)點接收數(shù)據(jù)并發(fā)至計算機應(yīng)用軟件，地下節(jié)點與地面?zhèn)鬏斁嚯x的測試。在本章節(jié)最后研究了測試結(jié)果，分析了測試誤差。

3.2 結(jié)果分析

傳輸距離試驗表明，地下節(jié)點與地面節(jié)點間的通信受地下節(jié)點埋藏深度的影響較大，地下節(jié)點埋藏越深，無線傳輸距離越短。

土壤含水率采集試驗表明，當(dāng)?shù)叵鹿?jié)點埋藏深度為 30cm 時，監(jiān)測系統(tǒng)采集到的土壤含水率與用烘干法得到的土壤含水率相比平均百分誤差為 2.25%；當(dāng)?shù)叵鹿?jié)點埋藏深度為 45cm 時，監(jiān)測系統(tǒng)采集到的土壤含水率與用烘干法得到的土壤含水率相比平均百分誤差為 1.96%；當(dāng)?shù)叵鹿?jié)點埋藏深度為 60cm 時，監(jiān)測系統(tǒng)采集到的土壤含水率與用烘干法得到的土壤含水率相比平均百分誤差為 2.36%。地下節(jié)點附近氣象站在60cm 深度監(jiān)測到的土壤含水率，與實際用烘干法得到土壤含水率之間平均百分誤差為2.66%。由此得知，監(jiān)測系統(tǒng)采集到的土壤含水率與用烘干法得到的土壤含水率平均百分誤差均小于 3%，準(zhǔn)確性較高，且無線地下傳感器在傳輸距離范圍內(nèi)數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，說明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集性能較好。

綜上所述，本文建立了一種適用于農(nóng)田的基于無線地下傳感器的土壤含水率監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計開發(fā)出無線地下傳感器節(jié)點、地面接收節(jié)點、電腦端上位機軟件，實現(xiàn)了土壤含水率數(shù)據(jù)穩(wěn)定有效的無線傳輸，并在小麥試驗田中安裝了無線地下傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的測試單元，測試了系統(tǒng)的可靠性。本設(shè)計是基于無線地下傳感器構(gòu)建成的監(jiān)測系統(tǒng)，驗證了無線地下傳感器的可應(yīng)用性，因其對耕作的影響較小，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)信息無線監(jiān)測當(dāng)中。無線地下傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的首要問題是要設(shè)計開發(fā)地下節(jié)點系統(tǒng)、解決地下與地面間的通信問題，本文在研究的過程中，給出了無線地下傳感器節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)，完成了地下發(fā)送節(jié)點的硬件設(shè)計和地面接收節(jié)點的硬件設(shè)計。

參考文獻：

[1] 李鼎，韓文霆，朱冰欽. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤含水率監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)機化研究，2013，03：140-144.

[2] 宋艷，黃留鎖. 農(nóng)業(yè)土壤含水率監(jiān)測及灌溉系統(tǒng)研究——基于物聯(lián)網(wǎng)模式[J]. 農(nóng)機化研究，2017，04：237-240.

[3] 熊展，張波. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在農(nóng)田土壤含水率監(jiān)測中的設(shè)計分析[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2015，06：78+95.