臧贺藏　王猛　张杰　李国强　赵晴　胡峰　郑国清

摘要：[目的]研发农田玉米土壤墒情远程监测云平台，获取实时动态农田玉米土壤墒情信息，为玉米科学灌溉提供数据支持，以保证夏玉米高产稳产。[方法]采用GPRS网关接人互联网，433Mhz无线电组成本地局域网的方式，在河南省永城市等市（县）的玉米田地安置土壤墒情监测点，对土壤墒情信息进行自动采集和分析。[结果]土壤墒情远程监测云平台能够实现玉米大田土壤墒情的实时动态监测、在线地图定位、历史数据查询和统计分析及短信预警等功能。自2015年以来，在河南省永城市、汝州市、西华县和原阳县等市（县）进行应用，测试结果表明，该云平台可准确地对农田玉米土壤墒情的变化规律进行长期实时定位监测；通过土壤墒情监测数据分析可知，其监测数据可以真实反映农田玉米土壤墒情实际状况。[结论]设计的土壤墒情远程监测云平台能够满足农田玉米土壤墒情科学监测需求，为玉米实现精准灌溉提供了在线数据采集与分析平台。

关键词：玉米；土壤墒情；实时监测；设计；应用

中图分类号：S126 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2017）11-2107-06

0引言

[研究意义]在玉米生长发育过程中，土壤水分过多或过少现象相当普遍，不仅对玉米植株生长造成不利影响，还直接影响玉米产量和品质。适时适量水分投入是实现玉米高产和水分高效利用的重要途径。王同朝等（2014）研究土壤水分对河南省玉米产量的影响，发现土壤水含率与夏玉米产量密切相关，当田问持水量达80%时，夏玉米籽粒产量最高。适量土壤墒情是保证作物健康生长的必要条件，同时是衡量抗旱、节约水资源的一个重要指标（Nameta1.，2012；Zhueta1.，2017）。传统的土壤墒情监测信息手段落后，方法单一，且耗费人力，不能实时连续在线监测，在生产实践中大多处于试运行状态。因此，寻找和构建一种能快速获取大田玉米土壤墒情信息的监测云平台，有利于在高温干旱寡雨季节对夏玉米进行适时适量灌溉，以满足玉米对水分的需求，对保证玉米高产稳产具有重要的现实意义。[前人研究进展]目前，国内已有专家学者在许多作物上开展了土壤墒情远程监测云平台构建。樊志平等（2010）开发了基于ZigBee无线传感网络和J2EE三层B/S架构技术的柑橘园土壤墒情远程监控系统，实现对采集数据分析处理和远程实时监控；顾巧英等（2012）利用土壤墒情监测系统，实现对有机葡萄园土壤墒情的实时监测与灌溉决策；蔡甲冰等（2015）设计了土壤墒情的实时监测与灌溉决策系统，实现了作物田问精量灌溉管理和控制。此外，李楠等（2010）开发了基于3S技术联合的农田墒情远程监测系统，该系统主要解决了土壤墒情采集组网，可起到定位作用，缺点是通信距离短；杨绍辉等（2010）研发了土壤墒情信息采集与远程监测系统，可利用移动手机短信发送信息，其缺点是无法实现实时读取和本地多台设备联网；杨卫中等（2010）开发了吉林市土壤墒情监测系统，该系统的缺点是使用全球移动通信系统（GSM）短信上传，费用高、速度慢、不灵活，无法实现实时采集；刘卫平等（2015）设计了一套基于铱星通信技术的土壤墒情远程监测网络，主要解决了偏远无GPRS信号地区的土壤墒情采集，其缺点是铱星模块成本高，通信费用贵，通信流量极小，无法实现实时测量和高频率测量。[本研究切入点]从应用现状来看，现有的土壤墒情监测系统仍存在更新和进一步完善的空间，以上这些系统均采用无线通信技术，但由于采集点分散、网络通信费成本较高，不易扩展。[拟解决的关键问题]利用传感器检测技术、网络通信技术和数据分发技术，自主研发土壤墒情远程监测云平台，以实现农田玉米土壤墒情的实时动态监测、在线地图定位、统计分析和短信预警等功能，通过干旱预测模型和灌溉强度模型，解决传统监测的诸多难题和不足，为玉米科學灌溉提供数据支持。

1系统设计

1.1总体结构

综合考虑农田土壤墒情和所用传感器的功耗、监测系统野外使用的方便性和灵活性及数据采集的准确性，本研究中土壤墒情远程监测系统由土壤温度传感器、土壤湿度传感器、数据采集器、网络通信模块、Internet网络、服务器程序和客户端程序组成（图1）。由于玉米根系主要分布在0-60cm土层中，因此硬件系统设计主要实时采集3路土壤（上层0～20cm、中层20-40cm和底层40-60cm）湿度信息和1路土壤温度信息（图1）；同时，由于实时降雨量数据以土壤湿度的形式直接反映在土壤湿度传感器上，因而降雨量测量对土壤墒情监测并不是必须项。由图1可知，多个土壤墒情采集点通过433Mhz的无线网络组成本地局域网，将采集信息汇总至一个中心点，信息上传网络方式需要根据中心点的情况进行选择，如果中心点有网络，则优先选择有线网络进行数据上传；如果中心点没有网络，则选择GPRS的方式进行数据上传。服务器收到数据后，对数据进行解析操作，并将数据存储在数据服务器内。

由图1的左下部分可知，用户登录按照权限可查看相应的部分，一个管理员账号可管理多个普通账号，每个普通账号只能查看自己有权限查看的部分。当用户需要查看数据时，首先通过GET或POST向应用服务器请求数据，应用服务器收到请求后，对请求进行解析，然后从数据服务器获取数据返回给用户，实现用户的多终端数据查看和管理功能。

1.2硬件设计

本研究的土壤墒情远程监测装置主要包括电源模块、用电管理模块、数据采集模块、控制模块、数据存储模块、通信模块及远程服务器等7个部分（图2）。（1）电源模块分别与数据采集模块和控制模块相连，为其供电。（2）用电管理模块主要控制数据采集模块和控制模块通电。（3）数据采集模块主要用于实时采集和处理土壤墒情信息，其输出端经控制模块连接数据存储模块，依次经控制模块和通信模块连接远程服务器。（4）控制模块用于根据远程服务器的指令控制数据采集模块动作，模块采用stm32f104芯片，通过三极管放大电路控制继电器开合，实现控制子电路通/断电。（5）数据存储模块用于对数据采集模块采集到的信息进行存储。通信模块采用GPRS无线通信模块，用于信号传输。（6）远程服务器主要用于接收、存储数据，并部署监测系统服务器端软件。（7）数据采集模块包括传感器安装尺及设置在传感器安装尺上的土壤温度传感器和土壤湿度传感器，均采用输出信号为4-20mA的电流型传感器，传感器安装尺上刻有刻度，土壤温度传感器和土壤湿度传感器设置在传感器安装尺的预留插槽位置，在使用时，将传感器安装尺按照刻度埋入地下，能够保证所有点位的传感器安装深度一致，保证土壤墒情监测结果的准确性和可靠性。数据采集模块不间地采集土壤温度传感器和土壤湿度传感器传输过来的电流信号，并将数据按照系统设定存储时间存储在系统外部存储器中，用于历史数据查询，与此同时，将拷贝一份数据存入数据发送缓存中，当收到远程查询指令时，则将缓存中数据发送给远程服务器。

电源模块采用太阳能电池板和蓄电池，太阳能电池板与蓄电池相连，太阳能电池板经过太阳照射后产生电流，通过太阳能充电控制器变压和控制后，给蓄电池和设备充电。如图3所示，太阳能电池板设置在墒情监测立杆上，墒情检测立杆由立杆上半部3和立杆下半部6组成，通过螺丝5固定连接，立杆上半部3的顶端设置有太阳能电池板安装支架2，太阳能电池板安装支架2上设置有太阳能电池板托盘；立杆下半部6的底部固定设置有地埋基座7，地埋基座7与立杆下半部6互相垂直，在使用时，地埋基座7和立杆下半部6均埋设于地下，当土回填后，土的重力压在地埋基座7上，能够保证土壤墒情监测立杆的稳定性。

1.3软件设计

本研究中运用VisualStudio2013作为开发工具，采用B/S与C/S混合开发架构，采用WindowsServer2008操作系统和SQLServer2008数据库系统，自主研发土壤墒情远程监测云平台，包括Android版、PC版和Web版3种版本。功能结构如图4所示：

（1）实时监测模块，主要包括实时数据显示、曲线图和预警信息管理等功能。实时数据显示主要通过GPRS无线网络通信技术及数据分发管理技术实现数据传输，获取的数据按照自定义的数据格式存入数据库，实时显示当前的土壤温湿度数据，并以折线图的形式显示24h的数据变化情况。预警信息管理根据传感器设定的阀值向用户发送手机短信，进行预警信息提醒。当土壤温湿度参数出现异常时，系统通过手机短信的方式及时准确地发出警报提醒，从而帮助用户制定相应对策。

（2）数据分析模块，主要包括查询分析和对比分析等功能。该模块可为用户提供数据查询、导出下载及统计分析等服务。尤其对玉米生产过程中监测到的土壤墒情参数进行处理分析，以相应的图表形式呈现，辅助用户及时了解玉米生长情况。查询分析主要以用户选择区域及节点信息、传感器、时间类型、显示方式、开始结束时间来查询“所有数据”“小时均值”“日均值”“月均值”等数据，查询分析结果均以表格形式显示，对比分析则是以折线图、柱状图、区域面积图显示监测指标的变化情况。

（3）地图展示模块，主要包括监控站点管理和数据实时显示等功能。该模块可直观地为用户提供监控站点位置和数据实时显示的在线地图定位。以REST发布的河南省矢量化地图方式加载并展示所有用户管理下的节点信息，通过配置经纬度信息加载所有监控站点最新采集数据展示。

（4）辅助决策模块，主要包括干旱等级预测和辅助灌溉管理等功能。该模块可根据当前墒情监测站采集到的数据情况，利用灰色预测模型，通过一定时间的数据观察和记录，对可能出现干旱的地区进行预测。辅助灌溉管理功能是根据实时墑情监测数据和干旱预测结果进行评价，若旱情短期内结束，提醒管理者注意作物长势状况；若旱情在一段时间内蔓延，则根据旱情的等级，提醒管理者进行灌溉，提醒的内容包括当前干旱等级、干旱预计持续时间、干旱区域、灌溉强度等信息。

（5）系统管理模块，主要包括用户管理、节点管理和传感器管理等功能。该模块详细记录了系统所有的操作记录。用户管理是系统管理员对所有用户登录名称、密码等其他基本信息进行权限设置与管理。节点管理是系统管理员对所有节点信息名称、位置、硬件编号、获取方式、采集命令等其他基本信息进行设置与管理。传感器管理是系统管理员对节点下硬件所包含的所有传感器采集数据的基本信息进行设置与管理。

2系统应用

2.1系统的安装与应用

本研究设计的土壤墒情远程监测云平台于2015年在河南省永城市主要院县合作示范区首次安装，安装数量为19套，之后汝州市、西华县和厚阳县等市（县）逐步开展试点。以永城市为例，图5是监测平台在玉米大田实际运行情况。系统自2015年安装以来运行状况良好，玉米根区埋设3层土壤温湿度传感器，每隔3min自动监测土壤温湿度数据。监测的数据可通过GPRS或有线方式传输至数据服务器，存储在数据库，便于进一步挖掘和分析。

2.2墒情监测数据显示与分析

实时监测模块主要针对农田玉米生产中的土壤温湿度进行实时监测。如图6所示，PC版用户通过点击云平台实时监测界面左侧区域中永城A组土壤墒情某个监控站点列表，在右侧区域相应显示土壤墒情的实时数据。以永城市1号演集镇土壤墒情数据为例，该数据包括土壤温度、土壤湿度信息，用户可及时了解当前玉米生长的墒情信息，并根据这些信息进行适量灌溉。如图7所示，选择传感器、时间类型和显示方式等信息，通过开始和结束时间来查询土壤墒情数据，系统将以多种信息显示方式（数值、曲线、柱状图等），可实时同步监测多站点墒情，提供强大的数据存储、分析、曲线等功能。

2.3运行成本分析

土壤墒情监测站每次上传数据包大小为19字节（5字节设备ID，2字节设备功能代码，8字节数据内容，2字节校验，2字节服务器状态），目前设备使用的移动物联卡为10元包70MB流量/月，一个月70MB的数据流量可支持每分钟高达80条以上的数据传输（（70*1024"1024）/19/（30*24*60）=89）。若数据量大可选择20元包150MB/月，且移动物联卡有充值6个月包月费用（送6个月包月费用）的优惠活动。

3讨论

监测土壤水分和土壤温度的数据及其变化规律是玉米生产的重要工作，从水源到玉米产量形成的整个过程，做好土壤墒情监测预报，有利于指导节水灌溉。通过对夏玉米生产全过程的墒情监测，实现土壤墒情信息的实时采集，为夏玉米提供最适宜的生长环境，进而提高玉米生产过程中的精准化管理水平。

赵雷（2014）利用GSM无线通信网络发送土壤墒情信息，通过上位机软件对地处偏僻、偏远且相对面积比较大的农田进行实时土壤墒情监测。张绪利（2015）设计了基于GIS土壤墒情信息采集和远程监控系统，实现了土壤墒情数据的采集、传输、存储及历史数据的查询，解决了土壤墒情数据传输距离远及对其进行实时监测的问题。宋晗（2016）提出了基于Zigbee的土壤墒情自动监测系统，实现了土壤墒情的数据采集和远程数据传输。孙岩等（2016）设计了一套便携式土地墒情监测系统，利用GPRS实现监测系统和中心服务器的数据传输，可随时随地检测土壤墒情并实时显示。本研究采用太阳能供电方式，无需连接外部电源和有线网络，可选择任意地点安装，不影响玉米耕种收获；同时节能环保，达到省电省网的效果。在任何有手机信号的地方，土壤墒情设备与服务器均可进行点对点的通信，能够长时间连续实时监测农田玉米土壤剖面不同深度土壤墒情的变化情况，监测的数据可通过GPRS或有线方式传输至数据服务器，对任意时间段内玉米土壤墒情进行曲线分析，为玉米科学灌溉和管理提供技术支撑。

4结论

设计的土壤墒情远程监测云平台能够满足农田玉米土壤墒情科学监测需求，为玉米实现精准灌溉提供了在线数据采集与分析平台，也为研究其他作物的精准灌溉提供借鉴。

（责任编辑邓慧灵）