基于GIS 的土壤墑情信息采集與監(jiān)測系統(tǒng)

沈師清，劉 賓

（中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

我國是古老的農(nóng)耕文明國家，其耕地用水量大約占全國的60%，但是大部分的水分在澆灌過程中都會(huì)蒸發(fā)和浪費(fèi)[1]。通過對土地墑情的調(diào)查可以做到有效灌水，合理處理水資源污染的現(xiàn)象，從而有效發(fā)揮水資源與農(nóng)業(yè)灌溉工程的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)、增效益的目的。土地墑情調(diào)查是行政決策單位進(jìn)行節(jié)水的基本依據(jù)，為實(shí)施農(nóng)業(yè)抗旱與利用自然資源提供重要技術(shù)支持[2]。土壤墑情是指土壤中水分的含量以及土壤中水分被作物的利用程度，對土壤墑情的檢測主要是采集土壤中含水量，土壤含水量的高低對作物的生長發(fā)育極其重要，對作物的發(fā)育情況和最終的產(chǎn)量的好壞也起著關(guān)鍵作用，同時(shí)對土壤墑情的研究也可以作為衡量土壤質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)[3]。土壤墑情的研究和發(fā)展為農(nóng)業(yè)和林業(yè)的發(fā)展提供了充足的科學(xué)依據(jù)，土壤墑情的檢測和研究也為節(jié)水灌溉提供了科學(xué)依據(jù)[4]。

王翠芹等人致力于滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需求，以LoRa基站為基礎(chǔ)打造了一個(gè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)，有助于節(jié)約通信成本[5]。賈國燏等人采用了ZigBee 技術(shù)開發(fā)了一款農(nóng)田土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，但其覆蓋范圍有限且容易受到干擾[6]。此外，冶秀香等人利用窄帶互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB?IoT）構(gòu)建了一套低功耗、大容量的土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)[7]。毛洪霞等人采用了基于水量平衡法的ISAREG 灌溉模型來預(yù)測土壤水分狀況[8]。梁新書等人則利用層次分析和變異系數(shù)權(quán)重計(jì)算方法來計(jì)算冬小麥濕潤層內(nèi)各土層的含水比重[9]。然而，由于生態(tài)農(nóng)業(yè)基地面積大、環(huán)境復(fù)雜性以及土壤非均質(zhì)性且影響深遠(yuǎn)，在偏遠(yuǎn)地區(qū)與移動(dòng)公網(wǎng)覆蓋不足或處于公網(wǎng)邊緣區(qū)域，土壤濕度數(shù)據(jù)的傳輸顯得相當(dāng)困難，這使得上述方法在大面積應(yīng)用中受到了阻礙[10]。

基于此，本文建立一個(gè)基于GIS 的土地墑情信息采集與監(jiān)控體系[8]。將地面?zhèn)鞲衅魉占耐寥佬畔⒁约暗乩硇畔⑼ㄟ^4G 模塊傳送至監(jiān)控中心，并在移動(dòng)APP上展示，從而完成對土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸、展示、咨詢工作，為抗旱減災(zāi)提供科技保障[11]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)主要由土壤溫濕度傳感器、STM8S105K 主控核心、4G 網(wǎng)絡(luò)通信模塊、北斗定位模塊、環(huán)境傳感器、GIS 監(jiān)控中心、手機(jī)APP 等部分組成。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)通過STM8S105K 單片機(jī)將傳感器數(shù)據(jù)以及定位信息上傳至監(jiān)控中心服務(wù)器，監(jiān)控中心會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)做出具體分析，給出土壤墑情狀態(tài)并做出空間分布圖，供農(nóng)戶在手機(jī)APP 上查看。

圖1 土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1 MCU 選型

MCU 選用STM8S105K6，用于驅(qū)動(dòng)各個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)，以及驅(qū)動(dòng)4G 模塊將傳感器數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

1.2 4G 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

本設(shè)計(jì)使用的是來自億佰特公司的EC03 產(chǎn)品，這一款產(chǎn)品包含了所有必要的功能，能用于所有常見的裝置和應(yīng)用環(huán)境。EC03 是為了實(shí)現(xiàn)串口裝置與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互，是一種配備有多集接收功能的LTE?FDD/LTE?TDD 無線通信傳輸模組，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)與LTE?FDD、LTE?TDD 的數(shù)據(jù)互通。用戶只需要簡單設(shè)定配置，就能實(shí)現(xiàn)串口系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互[12]。該系統(tǒng)使用了5～18 V 的寬電壓供電方式，此外，還兼容移動(dòng)、聯(lián)通、電信的4G 卡，支持與LED 燈相兼容的電壓水準(zhǔn)，默認(rèn)的3.3 V 電壓可以調(diào)整為5 V，具有優(yōu)秀的抗干擾能力。板載網(wǎng)絡(luò)模塊如圖2所示。

圖2 板載網(wǎng)絡(luò)模塊

1.3 土壤溫度傳感器

DS18B20 屬于土壤溫度測量設(shè)備，它是一種熟知的數(shù)字化溫度感測器，具備輸出數(shù)字信號(hào)的能力，只需利用一條數(shù)字線，就能成功實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向交流。DS18B20 的溫度測試范圍為-55～125 ℃，并且在-10～85 ℃的范圍內(nèi)，偏差只有±0.4 ℃。供電方案可以是單獨(dú)的外部電源，抑或選擇通過數(shù)據(jù)線寄生供電。

1.4 北斗定位模塊

北斗定位選用ATGM332D 模塊，它主要運(yùn)用北斗模塊來采集墑情系統(tǒng)的經(jīng)緯度，并通過4G 網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送至服務(wù)器端。

1.5 土壤濕度傳感器

選用的土壤濕度傳感器是通過電容感應(yīng)來檢測土壤濕度，它與市面上常見的電阻式傳感器有所區(qū)別。利用這個(gè)設(shè)計(jì)，可以避免電阻式傳感器容易遭受腐蝕帶來的損害，進(jìn)而將設(shè)備的使用年限大幅度延長。同時(shí)，這款傳感器還配備了穩(wěn)壓芯片，能夠支持3.3～5.5 V 的電壓工作環(huán)境，即使在3.3 V 的單片機(jī)主板上也可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.6 環(huán)境傳感器

BME680 傳感器是一款集4 個(gè)功能于一體的MEMS環(huán)境感應(yīng)設(shè)備，能夠測定VOC 的濃度（易揮發(fā)的有機(jī)物）、空氣濕度、氣溫和氣壓這4 種要素，因此它特別適用于對空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在本設(shè)計(jì)中，由于STM8S105K 單片機(jī)資源有限，無法滿足搭載4 個(gè)傳感器的要求，故而選擇該環(huán)境傳感器。在使用過程中，本設(shè)計(jì)僅使用BME680 的I2C 接口，即插即用，可直接兼容3.3 V 和5 V 系統(tǒng)。

1.7 太陽能供電模塊

選用的太陽能供電模塊是通過太陽能電池板和鋰電池組合的方式對系統(tǒng)進(jìn)行供電。太陽能電池板選用的是鋼化玻璃多晶太陽能板，功率為10 W；鋰電池選擇容量為2 000 mA·h、7.4 V 可充電的磷酸鐵鋰材質(zhì)的電池，能充分滿足在太陽照射不充足時(shí)，連續(xù)工作10 天，且具有自動(dòng)保護(hù)機(jī)制。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 供電電路設(shè)計(jì)

墑情監(jiān)測終端因?yàn)樵谵r(nóng)田使用，故采用鋰電池供電。本設(shè)計(jì)采用的是7.4 V 鋰電池對監(jiān)測終端供電，監(jiān)測終端電路除4G 模塊外都采用3.3 V 供電。4G 模塊是寬電壓供電，供電范圍為5～18 V，本設(shè)計(jì)采用鋰電池直接對4G 模塊供電，正好滿足需求。該系統(tǒng)采用TPS76833 芯片將7.4 V 電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V，為單片機(jī)以及各個(gè)傳感器供電。供電電路圖如圖3 所示。

圖3 供電部分電路圖

2.2 硬件程序設(shè)計(jì)

圖4 描繪了主程序系統(tǒng)的流程。所有功能模塊均采用線性執(zhí)行框架。上電后，首先是對系統(tǒng)端口進(jìn)行初始化，這一步驟包括啟用主控芯片所需的所有外設(shè)和中斷資源，并捕獲STM8S105K 微控制器的ID 號(hào)。

圖4 硬件程序設(shè)計(jì)流程

1）4G 模塊連接云服務(wù)器。根據(jù)服務(wù)器的IP 地址與服務(wù)器相連，當(dāng)聯(lián)網(wǎng)成功后服務(wù)器會(huì)給模塊反饋固定AT 指令，借此可以判斷是否連接成功。

2）向服務(wù)器端5 min 發(fā)送一次心跳。為避免網(wǎng)絡(luò)連接斷開，墑情監(jiān)測終端需要與服務(wù)器端保持心跳，每隔5 min 向服務(wù)器端發(fā)送一次START、06、END 字符串。

3）判斷是否接到采集間隔的指令。農(nóng)戶可以根據(jù)手機(jī)APP 設(shè)置墑情監(jiān)測終端數(shù)據(jù)采集和上傳的時(shí)間，采集間隔分別為10 min、30 min、1 h。

4）成功響應(yīng)。當(dāng)接到采集間隔設(shè)置的指令時(shí)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)指令的類型來設(shè)置時(shí)間間隔，并在設(shè)置結(jié)束后給服務(wù)器反饋一個(gè)成功響應(yīng)的指令。

5）開始數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)以上步驟都結(jié)束后，單片機(jī)開始驅(qū)動(dòng)4G 模塊上傳數(shù)據(jù)，上傳的數(shù)據(jù)包括單片機(jī)的ID，每一個(gè)單片機(jī)都有一個(gè)固定的ID 號(hào)，這樣方便服務(wù)器區(qū)分不同的設(shè)備，同時(shí)將傳感器的數(shù)據(jù)以固定格式上傳至服務(wù)器。

6）接收到數(shù)據(jù)刷新的指令。當(dāng)接收到服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)接收指令時(shí)，墑情監(jiān)測終端立即對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，并且上傳，此次上傳不需要上傳ID 號(hào)。

7）接收到關(guān)閉采集的指令。當(dāng)接收到關(guān)閉采集的指令時(shí)，墑情監(jiān)測終端不進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集，僅向服務(wù)器發(fā)送心跳保持連接。

3 SQL 數(shù)據(jù)庫的建立與搭建

土壤墑情的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫分為三種數(shù)據(jù)：土壤墑情數(shù)據(jù)、GIS 地理信息數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的讀寫利用ADO 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，原因是ADO 可以方便、高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的訪問與存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)庫包含一些數(shù)據(jù)表，將通過傳感器得到的土壤墑情數(shù)據(jù)及具體地理位置數(shù)據(jù)存入土壤墑情信息表中。將各個(gè)土壤墑情站的采集號(hào)碼信息、設(shè)備管理信息以及站點(diǎn)聯(lián)絡(luò)人信息等存入站點(diǎn)信息表中。氣象數(shù)據(jù)包括從各個(gè)氣象部門獲得的氣象數(shù)據(jù)，如降雨量、日照時(shí)間、氣溫和空氣濕度等。其他信息包括一些土壤墑情預(yù)報(bào)模型的參數(shù)以及土壤類型、采集點(diǎn)周圍環(huán)境等，也都由相應(yīng)數(shù)據(jù)表進(jìn)行保存。

相較于其他種類的數(shù)據(jù)，GIS 地理信息并未被儲(chǔ)存在SQL 類型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，而是被直接存放在地理信息系統(tǒng)專用的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。該數(shù)據(jù)庫里含有的數(shù)據(jù)包括但不限于矢量圖和柵格圖等，只有經(jīng)過GIS 二次開發(fā)的組件，GIS 地理信息才能被讀取、儲(chǔ)藏和進(jìn)行修改。圖5展示了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的框架結(jié)構(gòu)。

圖5 SQL 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

4 監(jiān)控中心管理與分析軟件

系統(tǒng)的主要構(gòu)成要素為對土壤濕度進(jìn)行監(jiān)控和分析的軟件。這一系統(tǒng)基于Windows 操作系統(tǒng)，編程語言為Visual C++，也選定了超圖公司的SuperGIS 作為二次開發(fā)平臺(tái)。該系統(tǒng)的主要功能包括收集和接收濕度數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)濕度數(shù)據(jù)庫的布局、查看和更改濕度數(shù)據(jù)、直觀展示濕度、分析和預(yù)警預(yù)報(bào)濕度以及發(fā)布濕度信息等，如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)軟件功能圖

當(dāng)系統(tǒng)在監(jiān)控中心收到來自各土壤濕度監(jiān)測站的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)后，采用GIS 組件內(nèi)含的反距離加權(quán)法（IDW）和普通的克里金法進(jìn)行內(nèi)插，實(shí)時(shí)繪制土壤墑情空間分布圖，以實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的土壤濕度；配合土壤濕度預(yù)測模型，也可實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)土壤濕度的預(yù)測功能。系統(tǒng)可根據(jù)需要選擇使用增濕模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和時(shí)間序列模型進(jìn)行土壤水分預(yù)報(bào)。

5 系統(tǒng)測試與應(yīng)用

在歷經(jīng)多年研發(fā)之后，目前壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)方面已邁向成熟，并在山西省各區(qū)得到了廣泛的使用。例如，在山西省已經(jīng)建設(shè)了總共48 個(gè)土壤濕度監(jiān)測站，它們遍布在山西省的多個(gè)山區(qū)和平原地帶。這些監(jiān)測站會(huì)通過無線方式，每41 h 向控制中心發(fā)送一次土壤濕度數(shù)據(jù)，一旦收到各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，立即將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)應(yīng)用程序上，讓農(nóng)戶能夠?qū)崟r(shí)查閱當(dāng)前的土壤濕度數(shù)據(jù)。

圖7 所示為山西省晉城市某地區(qū)土壤墑情數(shù)據(jù)圖。通過獲取監(jiān)測端的數(shù)值，控制中心有能力運(yùn)用GIS 插值方式來畫出區(qū)域里土壤濕度的空間分布圖。

圖7 晉城市某地區(qū)土壤墑情數(shù)據(jù)

圖8 展示了某一天的山西省土壤濕度分布圖。系統(tǒng)結(jié)合土壤濕度的預(yù)測和預(yù)警模型，也能進(jìn)行區(qū)域內(nèi)土壤濕度的預(yù)測和預(yù)警。

圖8 山西省土壤濕度空間分布圖

為了驗(yàn)證農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際性能，以山西省陽高縣某農(nóng)田為實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測作業(yè)。在進(jìn)行試驗(yàn)前要先進(jìn)行監(jiān)測終端與服務(wù)器的連接、傳感器校準(zhǔn)、采集時(shí)間設(shè)置、地塊參數(shù)設(shè)置等，然后根據(jù)不同的地塊放置多個(gè)監(jiān)測終端，最后進(jìn)行農(nóng)田土壤墑情與空氣信息采集。整體農(nóng)田監(jiān)測作業(yè)現(xiàn)場如圖9 所示。

圖9 農(nóng)田監(jiān)測作業(yè)現(xiàn)場

農(nóng)田墑情監(jiān)測作業(yè)完成后，觀察作業(yè)數(shù)據(jù)，并通過2 個(gè)土壤墑情監(jiān)測終端進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。不同深度的土壤溫濕度的數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖10 所示，空氣溫濕度與大氣壓強(qiáng)的數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖11 所示。

圖10 不同深度土壤溫濕度數(shù)據(jù)

圖11 空氣溫濕度與大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)對比之后，計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)的誤差，進(jìn)而確定該土壤墑情監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

該系統(tǒng)測試表明，本文設(shè)計(jì)的農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測終端能夠?qū)? 個(gè)深度的土壤溫濕度、空氣溫濕度、大氣壓強(qiáng)進(jìn)行精準(zhǔn)采集，與手持終端的數(shù)據(jù)整體誤差保持在0.4%左右。同時(shí)，數(shù)據(jù)可以被正常上傳至監(jiān)控中心和手機(jī)APP 上，并在APP 上顯示出空間分布圖，農(nóng)戶可以實(shí)時(shí)查看農(nóng)田和空氣數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)和農(nóng)業(yè)作業(yè)應(yīng)用要求。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)是集GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸、傳感器、北斗定位于一體的綜合性系統(tǒng)，它利用高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將3 個(gè)深度的土壤溫濕度、空氣溫濕度和大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心以及農(nóng)戶的手機(jī)APP 上，監(jiān)控中心結(jié)合土壤墑情預(yù)測模型可對該地區(qū)的土壤墑情進(jìn)行預(yù)報(bào)，農(nóng)戶可以借此更加方便精準(zhǔn)地管理農(nóng)田。農(nóng)田的試驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)的各類傳感器數(shù)據(jù)誤差僅在0.4%左右，有效提高了農(nóng)戶對農(nóng)田的管理效率。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在山西省各個(gè)地區(qū)投入使用，取得了良好的效果，下一階段將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，為后續(xù)的水肥一體化做鋪墊。