摘要：農(nóng)田土壤墑情對(duì)作物的生長(zhǎng)起到至關(guān)重要的作用，為了使作物生長(zhǎng)在適宜含水量的土壤中，采用無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了分布式農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)中心與農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)站采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)規(guī)劃，土壤墑情監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)中心將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理、分析，獲取被監(jiān)測(cè)區(qū)域農(nóng)田的土壤墑情，并參照作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，為農(nóng)田管理者提供精準(zhǔn)的灌溉指導(dǎo)。系統(tǒng)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地獲取了各監(jiān)測(cè)站的土壤墑情信息，實(shí)現(xiàn)了分布式農(nóng)田土壤墑情的集中監(jiān)測(cè)，能夠?yàn)樽魑锏木珳?zhǔn)灌溉管理提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：土壤墑情；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；無線通信；自動(dòng)控制；精準(zhǔn)灌溉

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

收稿日期：2013-03-05

基金資助：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：61170243）。

作者簡(jiǎn)介：張歌凌（1975—），女，河南開封人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)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(zhǎng)不可缺少的因素，干旱或者洪澇都會(huì)影響作物的產(chǎn)量。我國(guó)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(jìn)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(duì)水分的需求有明顯差別，作物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)水分的需求也不一樣，有些地區(qū)的農(nóng)業(yè)管理者會(huì)不定期到農(nóng)田測(cè)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(shí)時(shí)性差、準(zhǔn)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(jì)了分布式農(nóng)田土壤墑情集中監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，通過水分傳感器對(duì)各地的農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)中心，根據(jù)作物的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，指導(dǎo)農(nóng)田管理者進(jìn)行精準(zhǔn)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(cè)管理系統(tǒng)介紹如下。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

土壤墑情評(píng)價(jià)指標(biāo)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(shì)等因素，選擇有代表性的采樣點(diǎn)。這些采樣點(diǎn)一般數(shù)量多、分布廣，很難通過鋪設(shè)線路方式進(jìn)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(shí)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(cè)管理系統(tǒng)主要由土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)、農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)站、集中監(jiān)測(cè)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(cè)站與集中監(jiān)測(cè)中心采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)。由于單點(diǎn)監(jiān)測(cè)容易出現(xiàn)隨機(jī)性，影響測(cè)量的準(zhǔn)確度，為提高系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度，在每個(gè)監(jiān)測(cè)站周圍50 m處均勻設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每次上傳的數(shù)據(jù)均來自這4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用剔除均值法對(duì)這4個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，大大提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。考慮到監(jiān)測(cè)點(diǎn)節(jié)能、數(shù)據(jù)量不大等因素，農(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)站與土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定，農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)站定時(shí)向監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送測(cè)量指令，并接收監(jiān)測(cè)點(diǎn)返回的土壤墑情數(shù)據(jù)，剔除均值后，將監(jiān)測(cè)站ID、采集時(shí)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(cè)中心建立的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接上傳。集中監(jiān)測(cè)中心可設(shè)置為自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)，還可按設(shè)定的時(shí)間間隔設(shè)定采樣頻率，實(shí)現(xiàn)連續(xù)或者動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)中心主機(jī)需要配置固定公網(wǎng)的IP地址，各農(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)站使用中國(guó)移動(dòng)通信公司的SIM卡。在監(jiān)測(cè)中心利用管理軟件對(duì)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，當(dāng)土壤水分過高或者過低時(shí)，系統(tǒng)通過控制GPRS模塊向指定的農(nóng)田管理者發(fā)送實(shí)時(shí)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(bào)表輸出，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示，實(shí)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(cè)站硬件平臺(tái)及工作原理

系統(tǒng)的農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)站、監(jiān)測(cè)點(diǎn)共用同一個(gè)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，都采用MSP430F149作為控制器核心，只是在擴(kuò)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(cè)站設(shè)計(jì)

農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)站硬件平臺(tái)采用控制器MSP430F149作為監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)行1～2周[7]。

2.1.1控制器MSP430F149控制器MSP430F149主要負(fù)責(zé)處理、運(yùn)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(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)?？刂破鱉SP430F149的串口與GPRS通信模塊SIM300C連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)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(shí)間較短，進(jìn)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(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都有唯一的ID，通過8位撥碼開關(guān)實(shí)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(gè)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(shí)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(cè)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(dòng)基站的SGSN再與網(wǎng)關(guān)支持接點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信；GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，再進(jìn)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(dòng)的CMNET，最后通過GPRS的服務(wù)接點(diǎn)GSN將數(shù)據(jù)發(fā)送到 Internet 上，根據(jù)監(jiān)測(cè)站對(duì)目標(biāo)地址的設(shè)置，尋找Internet上監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器主機(jī)上的IP地址、端口號(hào)[10]。

2.2土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)

土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)硬件平臺(tái)組成如圖3所示。

系統(tǒng)采用土壤水分傳感器FDS100，探針長(zhǎng)度為6 cm，密封性強(qiáng)，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(hào)為 0～1.5 V 直流電。FDS100土壤水分傳感器輸出信號(hào)與土壤水分含量具有良好的線性關(guān)系，不要重新標(biāo)定。監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用間隔供電，只在采集時(shí)才對(duì)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(cè)量結(jié)果誤差增大。3組土壤水分傳感器FDS100分別測(cè)土壤深度為10、20、40 cm的田間持水量，輸出電壓信號(hào)與控制器MSP430F149的ADC口相連，再求3個(gè)傳感器測(cè)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(diǎn)ID發(fā)送到監(jiān)測(cè)站。

3土壤墑情集中監(jiān)測(cè)中心

土壤墑情集中監(jiān)測(cè)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(yùn)行在監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器上，主要負(fù)責(zé)處理各監(jiān)測(cè)站上傳的土壤墑情數(shù)據(jù)，再進(jìn)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(cè)、自動(dòng)報(bào)警、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)站建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，接收各監(jiān)測(cè)站定時(shí)發(fā)送的土壤墑情數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，也可通過調(diào)用Teechart控件實(shí)時(shí)繪制某區(qū)域的墑情-時(shí)間曲線圖，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ACCESS2003數(shù)據(jù)庫中[12]。對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，還可以建立墑情變化趨勢(shì)模型，并預(yù)測(cè)未來一段時(shí)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(jìn)行精準(zhǔn)灌溉；一旦發(fā)現(xiàn)某區(qū)域出現(xiàn)不利于作物生長(zhǎng)的旱情，監(jiān)控中心的顯示器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過AT指令控制監(jiān)測(cè)模塊SIM300C向預(yù)存管理者的手機(jī)號(hào)碼及時(shí)發(fā)送短消息，提醒管理者進(jìn)行補(bǔ)水灌溉作業(yè)。

4結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的工作性能，筆者對(duì)華北某地區(qū)的冬小麥生長(zhǎng)過程進(jìn)行了土壤墑情監(jiān)測(cè)，冬小麥的生長(zhǎng)時(shí)期主要分出苗期、幼苗期、返青期、拔節(jié)期、灌漿期5個(gè)階段。系統(tǒng)設(shè)置了8個(gè)土壤墑情監(jiān)測(cè)站，每個(gè)監(jiān)測(cè)站有4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)有3個(gè)土壤水分傳感器，測(cè)定土壤深度分別為10、20、40 cm的田間持水量，再取這3個(gè)傳感器的均值，即可得到該監(jiān)測(cè)站的農(nóng)田持水量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，8個(gè)監(jiān)測(cè)站測(cè)得冬小麥5個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)的土壤持水量都在冬小麥適宜生長(zhǎng)范圍。4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(zhǎng)期的適宜生長(zhǎng)范圍內(nèi)。拔節(jié)期到抽穗期以及抽穗期到成熟期2個(gè)時(shí)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(cè)管理系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量各區(qū)域土壤的墑情。

5結(jié)論

本研究針對(duì)目前傳統(tǒng)農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)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(cè)方案，引入了多點(diǎn)、多土壤深度的測(cè)量方法，大大提高了測(cè)量精度。監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器端軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、分析預(yù)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情的集中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，降低了農(nóng)田管理者的勞動(dòng)強(qiáng)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(gè)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(shí)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(cè)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(dòng)基站的SGSN再與網(wǎng)關(guān)支持接點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信；GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，再進(jìn)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(dòng)的CMNET，最后通過GPRS的服務(wù)接點(diǎn)GSN將數(shù)據(jù)發(fā)送到 Internet 上，根據(jù)監(jiān)測(cè)站對(duì)目標(biāo)地址的設(shè)置，尋找Internet上監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器主機(jī)上的IP地址、端口號(hào)[10]。

2.2土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)

土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)硬件平臺(tái)組成如圖3所示。

系統(tǒng)采用土壤水分傳感器FDS100，探針長(zhǎng)度為6 cm，密封性強(qiáng)，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(hào)為 0～1.5 V 直流電。FDS100土壤水分傳感器輸出信號(hào)與土壤水分含量具有良好的線性關(guān)系，不要重新標(biāo)定。監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用間隔供電，只在采集時(shí)才對(duì)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(cè)量結(jié)果誤差增大。3組土壤水分傳感器FDS100分別測(cè)土壤深度為10、20、40 cm的田間持水量，輸出電壓信號(hào)與控制器MSP430F149的ADC口相連，再求3個(gè)傳感器測(cè)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(diǎn)ID發(fā)送到監(jiān)測(cè)站。

3土壤墑情集中監(jiān)測(cè)中心

土壤墑情集中監(jiān)測(cè)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(yùn)行在監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器上，主要負(fù)責(zé)處理各監(jiān)測(cè)站上傳的土壤墑情數(shù)據(jù)，再進(jìn)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(cè)、自動(dòng)報(bào)警、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)站建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，接收各監(jiān)測(cè)站定時(shí)發(fā)送的土壤墑情數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，也可通過調(diào)用Teechart控件實(shí)時(shí)繪制某區(qū)域的墑情-時(shí)間曲線圖，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ACCESS2003數(shù)據(jù)庫中[12]。對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，還可以建立墑情變化趨勢(shì)模型，并預(yù)測(cè)未來一段時(shí)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(jìn)行精準(zhǔn)灌溉；一旦發(fā)現(xiàn)某區(qū)域出現(xiàn)不利于作物生長(zhǎng)的旱情，監(jiān)控中心的顯示器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過AT指令控制監(jiān)測(cè)模塊SIM300C向預(yù)存管理者的手機(jī)號(hào)碼及時(shí)發(fā)送短消息，提醒管理者進(jìn)行補(bǔ)水灌溉作業(yè)。

4結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的工作性能，筆者對(duì)華北某地區(qū)的冬小麥生長(zhǎng)過程進(jìn)行了土壤墑情監(jiān)測(cè)，冬小麥的生長(zhǎng)時(shí)期主要分出苗期、幼苗期、返青期、拔節(jié)期、灌漿期5個(gè)階段。系統(tǒng)設(shè)置了8個(gè)土壤墑情監(jiān)測(cè)站，每個(gè)監(jiān)測(cè)站有4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)有3個(gè)土壤水分傳感器，測(cè)定土壤深度分別為10、20、40 cm的田間持水量，再取這3個(gè)傳感器的均值，即可得到該監(jiān)測(cè)站的農(nóng)田持水量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，8個(gè)監(jiān)測(cè)站測(cè)得冬小麥5個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)的土壤持水量都在冬小麥適宜生長(zhǎng)范圍。4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(zhǎng)期的適宜生長(zhǎng)范圍內(nèi)。拔節(jié)期到抽穗期以及抽穗期到成熟期2個(gè)時(shí)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(cè)管理系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量各區(qū)域土壤的墑情。

5結(jié)論

本研究針對(duì)目前傳統(tǒng)農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)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(cè)方案，引入了多點(diǎn)、多土壤深度的測(cè)量方法，大大提高了測(cè)量精度。監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器端軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、分析預(yù)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情的集中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，降低了農(nóng)田管理者的勞動(dòng)強(qiáng)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(xiàn)：

[1]李所林，宋威，宋良平，等. 便攜式土壤墑情和土壤溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（7）：28-30，34.

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[3]王喜枝，常介田，王立河，等. 灌溉條件下河南省土壤墑情變化規(guī)律初探[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，41（2）：73-77.

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[10]潘崢嶸，張浩，朱翔，等. 基于GPRS的灌區(qū)水資源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（12）：2958-2960.

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[12]李祥林，包理群，李穎. 森林火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及移動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2012，29（4）：159-162.endprint

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2.2土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)

土壤墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)硬件平臺(tái)組成如圖3所示。

系統(tǒng)采用土壤水分傳感器FDS100，探針長(zhǎng)度為6 cm，密封性強(qiáng)，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(hào)為 0～1.5 V 直流電。FDS100土壤水分傳感器輸出信號(hào)與土壤水分含量具有良好的線性關(guān)系，不要重新標(biāo)定。監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用間隔供電，只在采集時(shí)才對(duì)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(cè)量結(jié)果誤差增大。3組土壤水分傳感器FDS100分別測(cè)土壤深度為10、20、40 cm的田間持水量，輸出電壓信號(hào)與控制器MSP430F149的ADC口相連，再求3個(gè)傳感器測(cè)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(diǎn)ID發(fā)送到監(jiān)測(cè)站。

3土壤墑情集中監(jiān)測(cè)中心

土壤墑情集中監(jiān)測(cè)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(yùn)行在監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器上，主要負(fù)責(zé)處理各監(jiān)測(cè)站上傳的土壤墑情數(shù)據(jù)，再進(jìn)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(cè)、自動(dòng)報(bào)警、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)站建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，接收各監(jiān)測(cè)站定時(shí)發(fā)送的土壤墑情數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，也可通過調(diào)用Teechart控件實(shí)時(shí)繪制某區(qū)域的墑情-時(shí)間曲線圖，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ACCESS2003數(shù)據(jù)庫中[12]。對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，還可以建立墑情變化趨勢(shì)模型，并預(yù)測(cè)未來一段時(shí)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(jìn)行精準(zhǔn)灌溉；一旦發(fā)現(xiàn)某區(qū)域出現(xiàn)不利于作物生長(zhǎng)的旱情，監(jiān)控中心的顯示器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過AT指令控制監(jiān)測(cè)模塊SIM300C向預(yù)存管理者的手機(jī)號(hào)碼及時(shí)發(fā)送短消息，提醒管理者進(jìn)行補(bǔ)水灌溉作業(yè)。

4結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的工作性能，筆者對(duì)華北某地區(qū)的冬小麥生長(zhǎng)過程進(jìn)行了土壤墑情監(jiān)測(cè)，冬小麥的生長(zhǎng)時(shí)期主要分出苗期、幼苗期、返青期、拔節(jié)期、灌漿期5個(gè)階段。系統(tǒng)設(shè)置了8個(gè)土壤墑情監(jiān)測(cè)站，每個(gè)監(jiān)測(cè)站有4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)有3個(gè)土壤水分傳感器，測(cè)定土壤深度分別為10、20、40 cm的田間持水量，再取這3個(gè)傳感器的均值，即可得到該監(jiān)測(cè)站的農(nóng)田持水量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，8個(gè)監(jiān)測(cè)站測(cè)得冬小麥5個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)的土壤持水量都在冬小麥適宜生長(zhǎng)范圍。4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(zhǎng)期的適宜生長(zhǎng)范圍內(nèi)。拔節(jié)期到抽穗期以及抽穗期到成熟期2個(gè)時(shí)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(cè)管理系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量各區(qū)域土壤的墑情。

5結(jié)論

本研究針對(duì)目前傳統(tǒng)農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)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(cè)方案，引入了多點(diǎn)、多土壤深度的測(cè)量方法，大大提高了測(cè)量精度。監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器端軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、分析預(yù)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情的集中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，降低了農(nóng)田管理者的勞動(dòng)強(qiáng)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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[10]潘崢嶸，張浩，朱翔，等. 基于GPRS的灌區(qū)水資源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（12）：2958-2960.

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