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(duì)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(dòng)，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(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，有利于掌握不同作物在同一時(shí)期對(duì)土壤水含量的不同要求，同一作物在不同時(shí)期對(duì)土壤水分含量的不同要求以及土壤水分含量對(duì)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(shí)，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(jì)時(shí)，所以掌握土壤水分資料對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)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(cè)系統(tǒng)的必要性。

目前的農(nóng)業(yè)土壤水分檢測(cè)設(shè)備過于簡陋且花費(fèi)人力物力較大。需要而外的供電設(shè)備，人工到點(diǎn)進(jìn)行土壤水分檢測(cè)，這過于單一模式的讀取。缺少了不間斷的土壤水分檢測(cè)，不能夠?qū)崟r(shí)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(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)控土壤水分含量，可實(shí)時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理。對(duì)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(chǔ)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(shí)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(cè)的技術(shù)。

因此在傳統(tǒng)的土壤水分檢測(cè)的基礎(chǔ)上，研究了太陽能無線地面土壤水分檢測(cè)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(chǔ)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(cè)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(jì)

1.1 檢測(cè)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(shí)現(xiàn)

通過分布定點(diǎn)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(chǔ)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(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控。如圖1。

圖1

1.3 測(cè)試儀總體設(shè)計(jì)

測(cè)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(jì)

圖3

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 周期讀取

①分別時(shí)間間隔為1分鐘的數(shù)據(jù)采集如圖4。

②時(shí)間間隔為10分鐘的數(shù)據(jù)采集為圖5。

③時(shí)間間隔為20分鐘的數(shù)據(jù)采集為圖6。

④時(shí)間間隔為1小時(shí)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(diǎn)

采集節(jié)點(diǎn)軟件圖如圖9，單采集節(jié)點(diǎn)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(duì)當(dāng)前對(duì)農(nóng)業(yè)土壤水分檢測(cè)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(cè)，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(cè)，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(shí)時(shí)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(shí)間段和最優(yōu)的土壤含水率。

（4）實(shí)現(xiàn)自發(fā)電太陽能系統(tǒng)給檢測(cè)設(shè)備供電，無需人工供電和到點(diǎn)測(cè)試，采用GPS定位便可知該土壤水分檢測(cè)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(chǔ)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(huì)進(jìn)一部的進(jìn)行研究。