太陽能無線地面土壤水分檢測系統(tǒng)

陳宇承，余銳穎，朱艷怡，李業(yè)謙

（中山大學(xué)南方學(xué)院，廣州510970）

0 引言

近年來，我國對農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)越來越重視，土壤水分是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因子之一，土壤水分不僅影響土壤的物理性質(zhì)，關(guān)系著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動，而且它更是植物賴以生存的基本條件。通過使用土壤水分檢測進(jìn)行實時的監(jiān)控，有利于掌握不同作物在同一時期對土壤水含量的不同要求，同一作物在不同時期對土壤水分含量的不同要求以及土壤水分含量對作物產(chǎn)量的影響。通過了解土壤水分含量在進(jìn)行耕作、灌溉、施肥等各種農(nóng)業(yè)措施時，就顯得尤為重要了，特別是在進(jìn)行灌溉，排水規(guī)劃設(shè)計時，所以掌握土壤水分資料對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐有重要意義，因此研究出了太陽能無線地面土壤水分檢測系統(tǒng)的必要性。

目前的農(nóng)業(yè)土壤水分檢測設(shè)備過于簡陋且花費人力物力較大。需要而外的供電設(shè)備，人工到點進(jìn)行土壤水分檢測，這過于單一模式的讀取。缺少了不間斷的土壤水分檢測，不能夠?qū)崟r監(jiān)控土壤水分的含量。通過太陽能無線地面土壤水分檢測系統(tǒng)可以做到無需外部的供電設(shè)備，做到不斷電連續(xù)地采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，實時監(jiān)控土壤水分含量，可實時進(jìn)行應(yīng)急處理。對土壤水分分別進(jìn)行間隔為每隔1、10、20分鐘的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采集、儲存和分析，數(shù)據(jù)由軟件展示給用戶看。并且進(jìn)行了每隔1小時拍攝土壤圖片，進(jìn)行觀察土壤的變化情況。土壤水分含水量數(shù)據(jù)保存的方式為本地保存和云端服務(wù)器保存，做到土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的永久保存。以此拋開了傳統(tǒng)的土壤水分檢測的技術(shù)。

因此在傳統(tǒng)的土壤水分檢測的基礎(chǔ)上，研究了太陽能無線地面土壤水分檢測系統(tǒng)，它通過自身的發(fā)電系統(tǒng)和無間斷的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采集、分析、儲存，并且能遠(yuǎn)程查看土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。所以太陽能無線地面土壤水分檢測系統(tǒng)更能勝任現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必要，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要這種技術(shù)。

1 材料與總體設(shè)計

1.1 檢測材料與設(shè)備

該系統(tǒng)主要采用18V、30W單晶硅太陽能板，12V、20AH的鉛酸蓄電池，太陽能控制輸出電壓器，1.5米高的柱桿。嵌入了Linux系統(tǒng)的樹莓派板子，出于大連哲勤科技農(nóng)業(yè)部有限公司基于Modbus協(xié)議，RS-485傳輸?shù)耐寥浪謧鞲衅?、溫度和濕度傳感器、GPS模塊等。

1.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

通過分布定點方式進(jìn)行設(shè)備的安置，通過設(shè)備進(jìn)行土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)等采集，電腦端可以顯示數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)庫儲存數(shù)據(jù)，并通過無線技術(shù)把數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器，進(jìn)而用戶可以隨時通過電腦端或手機(jī)端查看土壤水分含水量等數(shù)據(jù)兩種方式，做到實時監(jiān)控。如圖1。

圖1

1.3 測試儀總體設(shè)計

測試儀器室由樹莓派作為控制系統(tǒng)和傳感器組成，大體功能如圖2。

圖2

1.4 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

圖3

2 軟件設(shè)計

2.1 周期讀取

①分別時間間隔為1分鐘的數(shù)據(jù)采集如圖4。

②時間間隔為10分鐘的數(shù)據(jù)采集為圖5。

③時間間隔為20分鐘的數(shù)據(jù)采集為圖6。

④時間間隔為1小時的拍攝土壤圖片如圖7。

⑤不斷刷新地地圖定位如圖8。

圖4

圖5

圖6

圖7

2.2 用戶選擇查看的設(shè)備節(jié)點

采集節(jié)點軟件圖如圖9，單采集節(jié)點1的數(shù)據(jù)展示圖如圖10。

圖9

圖10

2.3 數(shù)據(jù)分析

含水量、溫度、濕度各300條數(shù)據(jù)生成的3D圖，X軸為水含量%，Y軸為溫度℃，Z軸為濕度H%。

圖11

3 結(jié)語

（1）針對當(dāng)前對農(nóng)業(yè)土壤水分檢測的研究較少的問題，于是筆者研究了一套太陽能無線地面土壤水分檢測，當(dāng)前現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要這種技術(shù)。通過土壤水分分別每間隔1、10、20分鐘的檢測，濕度普遍在100～160H%，溫度普遍在 12～22℃，含水率普遍在 30～49%，影響條件存在晝夜溫差大等。

（2）土壤水分傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、GPS模塊等采取抽樣調(diào)差的方式進(jìn)行分布，可以研究出土壤含水量的分布情況，可以進(jìn)行土壤區(qū)域內(nèi)不同農(nóng)作物種植，做到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量的最大化。

（3）方便用戶遠(yuǎn)程查看農(nóng)作物生長環(huán)境的情況，獲取土壤表面情況的圖片，做到實時性的應(yīng)急效果。還可以通過每年的數(shù)據(jù)記錄獲取農(nóng)作物的生長最優(yōu)的時間段和最優(yōu)的土壤含水率。

（4）實現(xiàn)自發(fā)電太陽能系統(tǒng)給檢測設(shè)備供電，無需人工供電和到點測試，采用GPS定位便可知該土壤水分檢測系統(tǒng)在何處，做到方便處理和快速應(yīng)急。

本系統(tǒng)做到了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集，分析，遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)儲存，無需人力等現(xiàn)代化技術(shù)。但目前未研究出太陽能板追日系統(tǒng)，今后會進(jìn)一部的進(jìn)行研究。