臧賀藏　王猛　張杰　李國強(qiáng)　趙晴　胡峰　鄭國清

摘要：[目的]研發(fā)農(nóng)田玉米土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測云平臺，獲取實(shí)時動態(tài)農(nóng)田玉米土壤墑情信息，為玉米科學(xué)灌溉提供數(shù)據(jù)支持，以保證夏玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。[方法]采用GPRS網(wǎng)關(guān)接人互聯(lián)網(wǎng)，433Mhz無線電組成本地局域網(wǎng)的方式，在河南省永城市等市（縣）的玉米田地安置土壤墑情監(jiān)測點(diǎn)，對土壤墑情信息進(jìn)行自動采集和分析。[結(jié)果]土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測云平臺能夠?qū)崿F(xiàn)玉米大田土壤墑情的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測、在線地圖定位、歷史數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計分析及短信預(yù)警等功能。自2015年以來，在河南省永城市、汝州市、西華縣和原陽縣等市（縣）進(jìn)行應(yīng)用，測試結(jié)果表明，該云平臺可準(zhǔn)確地對農(nóng)田玉米土壤墑情的變化規(guī)律進(jìn)行長期實(shí)時定位監(jiān)測；通過土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，其監(jiān)測數(shù)據(jù)可以真實(shí)反映農(nóng)田玉米土壤墑情實(shí)際狀況。[結(jié)論]設(shè)計的土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測云平臺能夠滿足農(nóng)田玉米土壤墑情科學(xué)監(jiān)測需求，為玉米實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉提供了在線數(shù)據(jù)采集與分析平臺。

關(guān)鍵詞：玉米；土壤墑情；實(shí)時監(jiān)測；設(shè)計；應(yīng)用

中圖分類號：S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）11-2107-06

0引言

[研究意義]在玉米生長發(fā)育過程中，土壤水分過多或過少現(xiàn)象相當(dāng)普遍，不僅對玉米植株生長造成不利影響，還直接影響玉米產(chǎn)量和品質(zhì)。適時適量水分投入是實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)和水分高效利用的重要途徑。王同朝等（2014）研究土壤水分對河南省玉米產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)土壤水含率與夏玉米產(chǎn)量密切相關(guān)，當(dāng)田問持水量達(dá)80%時，夏玉米籽粒產(chǎn)量最高。適量土壤墑情是保證作物健康生長的必要條件，同時是衡量抗旱、節(jié)約水資源的一個重要指標(biāo)（Nameta1.，2012；Zhueta1.，2017）。傳統(tǒng)的土壤墑情監(jiān)測信息手段落后，方法單一，且耗費(fèi)人力，不能實(shí)時連續(xù)在線監(jiān)測，在生產(chǎn)實(shí)踐中大多處于試運(yùn)行狀態(tài)。因此，尋找和構(gòu)建一種能快速獲取大田玉米土壤墑情信息的監(jiān)測云平臺，有利于在高溫干旱寡雨季節(jié)對夏玉米進(jìn)行適時適量灌溉，以滿足玉米對水分的需求，對保證玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。[前人研究進(jìn)展]目前，國內(nèi)已有專家學(xué)者在許多作物上開展了土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測云平臺構(gòu)建。樊志平等（2010）開發(fā)了基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和J2EE三層B/S架構(gòu)技術(shù)的柑橘園土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)分析處理和遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控；顧巧英等（2012）利用土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對有機(jī)葡萄園土壤墑情的實(shí)時監(jiān)測與灌溉決策；蔡甲冰等（2015）設(shè)計了土壤墑情的實(shí)時監(jiān)測與灌溉決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了作物田問精量灌溉管理和控制。此外，李楠等（2010）開發(fā)了基于3S技術(shù)聯(lián)合的農(nóng)田墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要解決了土壤墑情采集組網(wǎng)，可起到定位作用，缺點(diǎn)是通信距離短；楊紹輝等（2010）研發(fā)了土壤墑情信息采集與遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，可利用移動手機(jī)短信發(fā)送信息，其缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時讀取和本地多臺設(shè)備聯(lián)網(wǎng)；楊衛(wèi)中等（2010）開發(fā)了吉林市土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是使用全球移動通信系統(tǒng)（GSM）短信上傳，費(fèi)用高、速度慢、不靈活，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集；劉衛(wèi)平等（2015）設(shè)計了一套基于銥星通信技術(shù)的土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，主要解決了偏遠(yuǎn)無GPRS信號地區(qū)的土壤墑情采集，其缺點(diǎn)是銥星模塊成本高，通信費(fèi)用貴，通信流量極小，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時測量和高頻率測量。[本研究切入點(diǎn)]從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，現(xiàn)有的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)仍存在更新和進(jìn)一步完善的空間，以上這些系統(tǒng)均采用無線通信技術(shù)，但由于采集點(diǎn)分散、網(wǎng)絡(luò)通信費(fèi)成本較高，不易擴(kuò)展。[擬解決的關(guān)鍵問題]利用傳感器檢測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)，自主研發(fā)土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測云平臺，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田玉米土壤墑情的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測、在線地圖定位、統(tǒng)計分析和短信預(yù)警等功能，通過干旱預(yù)測模型和灌溉強(qiáng)度模型，解決傳統(tǒng)監(jiān)測的諸多難題和不足，為玉米科學(xué)灌溉提供數(shù)據(jù)支持。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1總體結(jié)構(gòu)

綜合考慮農(nóng)田土壤墑情和所用傳感器的功耗、監(jiān)測系統(tǒng)野外使用的方便性和靈活性及數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，本研究中土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、Internet網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器程序和客戶端程序組成（圖1）。由于玉米根系主要分布在0-60cm土層中，因此硬件系統(tǒng)設(shè)計主要實(shí)時采集3路土壤（上層0～20cm、中層20-40cm和底層40-60cm）濕度信息和1路土壤溫度信息（圖1）；同時，由于實(shí)時降雨量數(shù)據(jù)以土壤濕度的形式直接反映在土壤濕度傳感器上，因而降雨量測量對土壤墑情監(jiān)測并不是必須項。由圖1可知，多個土壤墑情采集點(diǎn)通過433Mhz的無線網(wǎng)絡(luò)組成本地局域網(wǎng)，將采集信息匯總至一個中心點(diǎn)，信息上傳網(wǎng)絡(luò)方式需要根據(jù)中心點(diǎn)的情況進(jìn)行選擇，如果中心點(diǎn)有網(wǎng)絡(luò)，則優(yōu)先選擇有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳；如果中心點(diǎn)沒有網(wǎng)絡(luò)，則選擇GPRS的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析操作，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)。

由圖1的左下部分可知，用戶登錄按照權(quán)限可查看相應(yīng)的部分，一個管理員賬號可管理多個普通賬號，每個普通賬號只能查看自己有權(quán)限查看的部分。當(dāng)用戶需要查看數(shù)據(jù)時，首先通過GET或POST向應(yīng)用服務(wù)器請求數(shù)據(jù)，應(yīng)用服務(wù)器收到請求后，對請求進(jìn)行解析，然后從數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)返回給用戶，實(shí)現(xiàn)用戶的多終端數(shù)據(jù)查看和管理功能。

1.2硬件設(shè)計

本研究的土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置主要包括電源模塊、用電管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊及遠(yuǎn)程服務(wù)器等7個部分（圖2）。（1）電源模塊分別與數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊相連，為其供電。（2）用電管理模塊主要控制數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊通電。（3）數(shù)據(jù)采集模塊主要用于實(shí)時采集和處理土壤墑情信息，其輸出端經(jīng)控制模塊連接數(shù)據(jù)存儲模塊，依次經(jīng)控制模塊和通信模塊連接遠(yuǎn)程服務(wù)器。（4）控制模塊用于根據(jù)遠(yuǎn)程服務(wù)器的指令控制數(shù)據(jù)采集模塊動作，模塊采用stm32f104芯片，通過三極管放大電路控制繼電器開合，實(shí)現(xiàn)控制子電路通/斷電。（5）數(shù)據(jù)存儲模塊用于對數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信息進(jìn)行存儲。通信模塊采用GPRS無線通信模塊，用于信號傳輸。（6）遠(yuǎn)程服務(wù)器主要用于接收、存儲數(shù)據(jù)，并部署監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器端軟件。（7）數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器安裝尺及設(shè)置在傳感器安裝尺上的土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器，均采用輸出信號為4-20mA的電流型傳感器，傳感器安裝尺上刻有刻度，土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器設(shè)置在傳感器安裝尺的預(yù)留插槽位置，在使用時，將傳感器安裝尺按照刻度埋入地下，能夠保證所有點(diǎn)位的傳感器安裝深度一致，保證土壤墑情監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)據(jù)采集模塊不間地采集土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器傳輸過來的電流信號，并將數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)設(shè)定存儲時間存儲在系統(tǒng)外部存儲器中，用于歷史數(shù)據(jù)查詢，與此同時，將拷貝一份數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)發(fā)送緩存中，當(dāng)收到遠(yuǎn)程查詢指令時，則將緩存中數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器。

電源模塊采用太陽能電池板和蓄電池，太陽能電池板與蓄電池相連，太陽能電池板經(jīng)過太陽照射后產(chǎn)生電流，通過太陽能充電控制器變壓和控制后，給蓄電池和設(shè)備充電。如圖3所示，太陽能電池板設(shè)置在墑情監(jiān)測立桿上，墑情檢測立桿由立桿上半部3和立桿下半部6組成，通過螺絲5固定連接，立桿上半部3的頂端設(shè)置有太陽能電池板安裝支架2，太陽能電池板安裝支架2上設(shè)置有太陽能電池板托盤；立桿下半部6的底部固定設(shè)置有地埋基座7，地埋基座7與立桿下半部6互相垂直，在使用時，地埋基座7和立桿下半部6均埋設(shè)于地下，當(dāng)土回填后，土的重力壓在地埋基座7上，能夠保證土壤墑情監(jiān)測立桿的穩(wěn)定性。

1.3軟件設(shè)計

本研究中運(yùn)用VisualStudio2013作為開發(fā)工具，采用B/S與C/S混合開發(fā)架構(gòu)，采用WindowsServer2008操作系統(tǒng)和SQLServer2008數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，自主研發(fā)土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測云平臺，包括Android版、PC版和Web版3種版本。功能結(jié)構(gòu)如圖4所示：

（1）實(shí)時監(jiān)測模塊，主要包括實(shí)時數(shù)據(jù)顯示、曲線圖和預(yù)警信息管理等功能。實(shí)時數(shù)據(jù)顯示主要通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及數(shù)據(jù)分發(fā)管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，獲取的數(shù)據(jù)按照自定義的數(shù)據(jù)格式存入數(shù)據(jù)庫，實(shí)時顯示當(dāng)前的土壤溫濕度數(shù)據(jù)，并以折線圖的形式顯示24h的數(shù)據(jù)變化情況。預(yù)警信息管理根據(jù)傳感器設(shè)定的閥值向用戶發(fā)送手機(jī)短信，進(jìn)行預(yù)警信息提醒。當(dāng)土壤溫濕度參數(shù)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)通過手機(jī)短信的方式及時準(zhǔn)確地發(fā)出警報提醒，從而幫助用戶制定相應(yīng)對策。

（2）數(shù)據(jù)分析模塊，主要包括查詢分析和對比分析等功能。該模塊可為用戶提供數(shù)據(jù)查詢、導(dǎo)出下載及統(tǒng)計分析等服務(wù)。尤其對玉米生產(chǎn)過程中監(jiān)測到的土壤墑情參數(shù)進(jìn)行處理分析，以相應(yīng)的圖表形式呈現(xiàn)，輔助用戶及時了解玉米生長情況。查詢分析主要以用戶選擇區(qū)域及節(jié)點(diǎn)信息、傳感器、時間類型、顯示方式、開始結(jié)束時間來查詢“所有數(shù)據(jù)”“小時均值”“日均值”“月均值”等數(shù)據(jù)，查詢分析結(jié)果均以表格形式顯示，對比分析則是以折線圖、柱狀圖、區(qū)域面積圖顯示監(jiān)測指標(biāo)的變化情況。

（3）地圖展示模塊，主要包括監(jiān)控站點(diǎn)管理和數(shù)據(jù)實(shí)時顯示等功能。該模塊可直觀地為用戶提供監(jiān)控站點(diǎn)位置和數(shù)據(jù)實(shí)時顯示的在線地圖定位。以REST發(fā)布的河南省矢量化地圖方式加載并展示所有用戶管理下的節(jié)點(diǎn)信息，通過配置經(jīng)緯度信息加載所有監(jiān)控站點(diǎn)最新采集數(shù)據(jù)展示。

（4）輔助決策模塊，主要包括干旱等級預(yù)測和輔助灌溉管理等功能。該模塊可根據(jù)當(dāng)前墑情監(jiān)測站采集到的數(shù)據(jù)情況，利用灰色預(yù)測模型，通過一定時間的數(shù)據(jù)觀察和記錄，對可能出現(xiàn)干旱的地區(qū)進(jìn)行預(yù)測。輔助灌溉管理功能是根據(jù)實(shí)時墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)和干旱預(yù)測結(jié)果進(jìn)行評價，若旱情短期內(nèi)結(jié)束，提醒管理者注意作物長勢狀況；若旱情在一段時間內(nèi)蔓延，則根據(jù)旱情的等級，提醒管理者進(jìn)行灌溉，提醒的內(nèi)容包括當(dāng)前干旱等級、干旱預(yù)計持續(xù)時間、干旱區(qū)域、灌溉強(qiáng)度等信息。

（5）系統(tǒng)管理模塊，主要包括用戶管理、節(jié)點(diǎn)管理和傳感器管理等功能。該模塊詳細(xì)記錄了系統(tǒng)所有的操作記錄。用戶管理是系統(tǒng)管理員對所有用戶登錄名稱、密碼等其他基本信息進(jìn)行權(quán)限設(shè)置與管理。節(jié)點(diǎn)管理是系統(tǒng)管理員對所有節(jié)點(diǎn)信息名稱、位置、硬件編號、獲取方式、采集命令等其他基本信息進(jìn)行設(shè)置與管理。傳感器管理是系統(tǒng)管理員對節(jié)點(diǎn)下硬件所包含的所有傳感器采集數(shù)據(jù)的基本信息進(jìn)行設(shè)置與管理。

2系統(tǒng)應(yīng)用

2.1系統(tǒng)的安裝與應(yīng)用

本研究設(shè)計的土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測云平臺于2015年在河南省永城市主要院縣合作示范區(qū)首次安裝，安裝數(shù)量為19套，之后汝州市、西華縣和厚陽縣等市（縣）逐步開展試點(diǎn)。以永城市為例，圖5是監(jiān)測平臺在玉米大田實(shí)際運(yùn)行情況。系統(tǒng)自2015年安裝以來運(yùn)行狀況良好，玉米根區(qū)埋設(shè)3層土壤溫濕度傳感器，每隔3min自動監(jiān)測土壤溫濕度數(shù)據(jù)。監(jiān)測的數(shù)據(jù)可通過GPRS或有線方式傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器，存儲在數(shù)據(jù)庫，便于進(jìn)一步挖掘和分析。

2.2墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示與分析

實(shí)時監(jiān)測模塊主要針對農(nóng)田玉米生產(chǎn)中的土壤溫濕度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。如圖6所示，PC版用戶通過點(diǎn)擊云平臺實(shí)時監(jiān)測界面左側(cè)區(qū)域中永城A組土壤墑情某個監(jiān)控站點(diǎn)列表，在右側(cè)區(qū)域相應(yīng)顯示土壤墑情的實(shí)時數(shù)據(jù)。以永城市1號演集鎮(zhèn)土壤墑情數(shù)據(jù)為例，該數(shù)據(jù)包括土壤溫度、土壤濕度信息，用戶可及時了解當(dāng)前玉米生長的墑情信息，并根據(jù)這些信息進(jìn)行適量灌溉。如圖7所示，選擇傳感器、時間類型和顯示方式等信息，通過開始和結(jié)束時間來查詢土壤墑情數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將以多種信息顯示方式（數(shù)值、曲線、柱狀圖等），可實(shí)時同步監(jiān)測多站點(diǎn)墑情，提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲、分析、曲線等功能。

2.3運(yùn)行成本分析

土壤墑情監(jiān)測站每次上傳數(shù)據(jù)包大小為19字節(jié)（5字節(jié)設(shè)備ID，2字節(jié)設(shè)備功能代碼，8字節(jié)數(shù)據(jù)內(nèi)容，2字節(jié)校驗，2字節(jié)服務(wù)器狀態(tài)），目前設(shè)備使用的移動物聯(lián)卡為10元包70MB流量/月，一個月70MB的數(shù)據(jù)流量可支持每分鐘高達(dá)80條以上的數(shù)據(jù)傳輸（（70*1024"1024）/19/（30*24*60）=89）。若數(shù)據(jù)量大可選擇20元包150MB/月，且移動物聯(lián)卡有充值6個月包月費(fèi)用（送6個月包月費(fèi)用）的優(yōu)惠活動。

3討論

監(jiān)測土壤水分和土壤溫度的數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律是玉米生產(chǎn)的重要工作，從水源到玉米產(chǎn)量形成的整個過程，做好土壤墑情監(jiān)測預(yù)報，有利于指導(dǎo)節(jié)水灌溉。通過對夏玉米生產(chǎn)全過程的墑情監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)土壤墑情信息的實(shí)時采集，為夏玉米提供最適宜的生長環(huán)境，進(jìn)而提高玉米生產(chǎn)過程中的精準(zhǔn)化管理水平。

趙雷（2014）利用GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送土壤墑情信息，通過上位機(jī)軟件對地處偏僻、偏遠(yuǎn)且相對面積比較大的農(nóng)田進(jìn)行實(shí)時土壤墑情監(jiān)測。張緒利（2015）設(shè)計了基于GIS土壤墑情信息采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了土壤墑情數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲及歷史數(shù)據(jù)的查詢，解決了土壤墑情數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)及對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的問題。宋晗（2016）提出了基于Zigbee的土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了土壤墑情的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。孫巖等（2016）設(shè)計了一套便攜式土地墑情監(jiān)測系統(tǒng)，利用GPRS實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)和中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，可隨時隨地檢測土壤墑情并實(shí)時顯示。本研究采用太陽能供電方式，無需連接外部電源和有線網(wǎng)絡(luò)，可選擇任意地點(diǎn)安裝，不影響玉米耕種收獲；同時節(jié)能環(huán)保，達(dá)到省電省網(wǎng)的效果。在任何有手機(jī)信號的地方，土壤墑情設(shè)備與服務(wù)器均可進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的通信，能夠長時間連續(xù)實(shí)時監(jiān)測農(nóng)田玉米土壤剖面不同深度土壤墑情的變化情況，監(jiān)測的數(shù)據(jù)可通過GPRS或有線方式傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器，對任意時間段內(nèi)玉米土壤墑情進(jìn)行曲線分析，為玉米科學(xué)灌溉和管理提供技術(shù)支撐。

4結(jié)論

設(shè)計的土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測云平臺能夠滿足農(nóng)田玉米土壤墑情科學(xué)監(jiān)測需求，為玉米實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉提供了在線數(shù)據(jù)采集與分析平臺，也為研究其他作物的精準(zhǔn)灌溉提供借鑒。

（責(zé)任編輯鄧慧靈）