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)在土壤墑情測報中的應(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)在土壤墑情測報中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了物聯(lián)網(wǎng)墑情監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)、土壤墑情測報模型技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)交互服務(wù)終端的開發(fā)運(yùn)用。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使土壤墑情測報工作顯著提升了測報速度和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；墑情測報

物聯(lián)網(wǎng)近年來發(fā)展迅猛，對社會經(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)用涉及整個社會生活，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)測和預(yù)報對于研究土壤水分運(yùn)動、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)測報方法具有費(fèi)工、費(fèi)時等諸多問題,通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可極大地提高土壤墑情測報工作的速度和質(zhì)量。

1　物聯(lián)網(wǎng)墑情監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要是指通過射頻識別（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,通過有線或無線網(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)過程或產(chǎn)品的智能化識別、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，由一對電極組成一個電容，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容和振蕩器組成一個調(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測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）。它具有測量自動、快速，體積小、量程寬等特點(diǎn)，使用比較廣泛。TDR（Time Domain Reflectometer）時域反射型是通過測定電磁波沿插入土壤的探針傳播時間（Δt）來測定土壤的介電常數(shù)（Ka）進(jìn)而計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，通過土壤水分傳感器測量土壤容積含水量是墑情測定的一個重要方面，同時還需測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氣象觀測站來獲取。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，這些野外作業(yè)一般可以通過物聯(lián)網(wǎng)自動氣象站來完成。物聯(lián)網(wǎng)自動氣象站是按照一定的要求設(shè)定的一種能自動觀測和存儲氣象數(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)原件會隨動，再通過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)變的相對容易，氣象站可以自動長期穩(wěn)定的開展觀測，并可以通過增加傳感器實(shí)現(xiàn)觀測項(xiàng)目的拓展。

1.3RFID/WIFI/4G等無線傳輸技術(shù)

墑情監(jiān)測一般在田間,大多采用無線傳輸手段。無線傳輸技術(shù)雖然呈多元化發(fā)展態(tài)勢,不過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上的無線傳輸技術(shù),大部分仍類似于移動無線設(shè)備上的技術(shù),包括藍(lán)牙、近場通訊、移動蜂窩技術(shù)等。近距無線傳輸一般使用RFID、WLAN、ZigBee、藍(lán)牙、WMN、NFC等傳輸技術(shù)，低成本、低功耗、對等通訊是它們的特點(diǎn)。中遠(yuǎn)距離無線傳輸一般依托GPRS/3G/4G等成熟無線通訊網(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)用場景。

2　土壤墑情測報模型技術(shù)

通過物聯(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報模型來完成。目前,土壤墑情預(yù)報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)計的方法來建立模型,它不考察土壤水分動態(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性，很適合土壤墑情預(yù)測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)用中它是直接面對用戶，因此必須要重視對它的開發(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，易開發(fā)、功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定，簡單易用。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，還可通過拓展模塊對接口進(jìn)行數(shù)量拓展，可自動識別傳感器，甚至內(nèi)置GPS模塊，知識規(guī)則等。此種終端開發(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操作系統(tǒng)Windows、Android等開發(fā)個性化的應(yīng)用終端如臺式電腦、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)終端因具有移動性強(qiáng)、實(shí)時通訊,在使用中可通過開發(fā)專業(yè)APP擴(kuò)展功能等特點(diǎn)得到了快速發(fā)展。

總之，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使土壤墑情測報工作得到了極大地提升,通過建立遠(yuǎn)程土壤墑情監(jiān)測站,開發(fā)土壤墑情監(jiān)測預(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.

作者簡介：鄧永卓（1981-），男，高級農(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：1002-0659（2016）01-0044-02

中圖分類號：S159.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A