土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

　　墑情監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)是一種先進(jìn)的土壤墑情參數(shù)實(shí)時(shí)收集、處理的自動(dòng)化系統(tǒng)。它應(yīng)用高精度傳感技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在無(wú)人監(jiān)守情況下，對(duì)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集、傳輸和存儲(chǔ)，為統(tǒng)計(jì)、分析和預(yù)測(cè)土壤墑情變化提供依據(jù)。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于水利抗早、精細(xì)農(nóng)業(yè)、城市綠化等領(lǐng)域。
　　我國(guó)在從上個(gè)世紀(jì)中葉就開(kāi)始了土壤水分的記錄監(jiān)測(cè)，先后采用了烘干稱(chēng)重、中子水分計(jì)和TDR時(shí)域反射儀等方法，這些方法雖然可以實(shí)現(xiàn)土壤水分的測(cè)量，但均無(wú)法在野外、無(wú)人的狀況下自動(dòng)工作，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)墑情數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸、處理和統(tǒng)計(jì)，無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前的農(nóng)業(yè)、抗早決策以及城市綠化的現(xiàn)代化建設(shè)的需要。為此，有必要建設(shè)墑情監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)。
　　1系統(tǒng)組成與功能
　　實(shí)時(shí)土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套從土壤含水率數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)到對(duì)大量采集數(shù)據(jù)的集中管理、統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)測(cè)以及顯示的完整解決方案。
　　從結(jié)構(gòu)上分：它由監(jiān)測(cè)中心、數(shù)據(jù)傳輸信道、采集終端三部分組成，見(jiàn)圖1所示。

　　從功能上系統(tǒng)又可分為：
　�。╨）基本資料子系統(tǒng)：從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取有關(guān)人口與耕地、農(nóng)作物產(chǎn)量、灌溉面積和抗早設(shè)施等方面的基本信息并以圖表曲線顯示打印輸出；
　　（2）信息采集存儲(chǔ)子系統(tǒng)：實(shí)時(shí)采集各墑情站土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)合理性判別、數(shù)據(jù)處理、規(guī)約轉(zhuǎn)換后按統(tǒng)一格式存人數(shù)據(jù)庫(kù)；
　�。�3）檢索子系統(tǒng)：除可用圖、表方式顯示或打印各水庫(kù)流域?qū)崟r(shí)墑情信息、特征值、預(yù)報(bào)結(jié)果、系統(tǒng)異常報(bào)替信息外，亦可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)及歷史預(yù)報(bào)成果的瀏覽，還可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、查詢(xún)、修改、備份、恢復(fù)等；
　�。�4）實(shí)時(shí)早情預(yù)報(bào)子系統(tǒng)：內(nèi)裝有專(zhuān)家預(yù)報(bào)模型。利用墑情監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與相關(guān)理論的有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行多模型、多參數(shù)的分析計(jì)算，以獲取具有科學(xué)依據(jù)的預(yù)報(bào)結(jié)果，供領(lǐng)導(dǎo)和抗早指揮部決策；
　　（5）通訊子系統(tǒng)：利用無(wú)線CSM、VHF、衛(wèi)星和有線PSTN通信，建設(shè)本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)墑情數(shù)據(jù)的傳輸。
　　2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　2.1墑情監(jiān)測(cè)中心站
　　墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中心站采用工作站值班工作制，主要完成系統(tǒng)內(nèi)所有墑情遙測(cè)站的數(shù)據(jù)收集、處理、告警、存貯、顯示、打印及通過(guò)電話專(zhuān)線、衛(wèi)星等信道向上級(jí)部門(mén)報(bào)送數(shù)據(jù)；可以遠(yuǎn)端檢測(cè)采集終端運(yùn)行狀態(tài)、查詢(xún)?cè)O(shè)置各種參數(shù)、召測(cè)和巡測(cè)采集終端的土壤含水率數(shù)據(jù)；為墑情計(jì)算、早情告警、抗早調(diào)度與決策服務(wù)。設(shè)備組成主要有：接收解碼設(shè)備（根據(jù)通信信道選擇cSM、VHF、衛(wèi)星和PSTN）、墑情工作站（計(jì)算機(jī)）及抗干擾電源配置等。
　　主要功能：
　�。�1）墑情數(shù)據(jù)查詢(xún)：在窗口中選定查詢(xún)的時(shí)間、試驗(yàn)站站號(hào)和地市，系統(tǒng)從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取各市地墑情試驗(yàn)站墑情表數(shù)據(jù)；
　�。�2）墑情分布圖：圖中標(biāo)有各墑情點(diǎn)的墑情值，并根據(jù)值的大小用不同顏色表示；
　�。�3）早情分析：根據(jù)土壤墑情、前期降雨、前期灌溉、土壤分布、作物分布、作物生長(zhǎng)期等因素進(jìn)行早情分析，形成早情面分布圖，并通過(guò)空間疊加分析統(tǒng)計(jì)不同類(lèi)型的受早面積；
　　（4）早情報(bào)表：在窗口中選定查詢(xún)的時(shí)間，系統(tǒng)將從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取早情動(dòng)態(tài)及工程情況統(tǒng)計(jì)表和抗早活動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)表。
　　2.2墑情遙測(cè)站
　　墑情遙測(cè)站是一種野外工作、無(wú)人值守、自動(dòng)定時(shí)采集墑情數(shù)據(jù)的自動(dòng)化遙測(cè)站（分為移動(dòng)站和固定站兩種）。主要實(shí)現(xiàn)土壤含水率數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)（CSM、VHF、衛(wèi)星和PSTNMODEM）向系統(tǒng)監(jiān)控中心報(bào)送數(shù)據(jù)和接收指令。它可在野外環(huán)境下自動(dòng)工作，實(shí)時(shí)采集墑情數(shù)據(jù)，按照設(shè)定要求定時(shí)發(fā)送，該站還可配置雨t、溫度、蒸發(fā)、風(fēng)速/風(fēng)向、氣壓等傳感器構(gòu)成無(wú)人氣象站。設(shè)備配置有：墑情傳感器，墑情遙測(cè)終端機(jī)，電源系統(tǒng)（采用太陽(yáng)能浮充、蓄電池供電配置），通訊機(jī)（csM、vHF、衛(wèi)星和代汀NMODEM）、天線饋線等。墑情遙測(cè)站組成如圖2所示。

圖2墑情遙測(cè)站組成框圖

　　墑情遙測(cè)站采用間隙式連續(xù)工作方式，連續(xù)采樣、實(shí)時(shí)記錄最大墑情數(shù)據(jù)，并按設(shè)定自報(bào)定時(shí)，自動(dòng)報(bào)送（也可工作在召測(cè)/應(yīng)答工作體制），報(bào)送定時(shí)可設(shè)定為：6h、sh、24h。
　　墑情遙測(cè)站可以采用召測(cè)、巡測(cè)、自報(bào)和人工發(fā)送等四種運(yùn)行方式。
　�。�1）召測(cè)：監(jiān)測(cè)中心向墑情監(jiān)測(cè)站發(fā)送指令，墑情監(jiān)測(cè)站接收到指令后采集實(shí)時(shí)土壤含水率數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)編制發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心。
　�。�2）巡測(cè)：監(jiān)測(cè)中心逐個(gè)向墑情監(jiān)測(cè)站發(fā)送指令，墑情監(jiān)測(cè)站接收到指令后采集實(shí)時(shí)土壤含水率數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)編制逐個(gè)發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心。
　�。�3）自報(bào)：墑情監(jiān)測(cè)站按設(shè)定時(shí)間間隔采集實(shí)時(shí)土壤含水率數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)編制發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心。
　�。�4）人工發(fā)送：通過(guò)終端置數(shù)器操作，使終端實(shí)時(shí)采集土壤含水率數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)編制發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心。
　　2.2.1墑情遙測(cè)終端
　　墑情遙測(cè)終端是墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端采集設(shè)備（分為移動(dòng)站和固定站兩種），主要用于土壤含水率數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)，并通過(guò)GSM、VHF、衛(wèi)星或PsTNMoDEM通信設(shè)備與系統(tǒng)監(jiān)控中心進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)交互。該終端是在已經(jīng)成熟的遙測(cè)數(shù)據(jù)終端機(jī)基礎(chǔ)之上研制開(kāi)發(fā)的新型遙測(cè)終端。它在功能、接口設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)上有了很大的提高。新的設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的微處理器技術(shù)和龐大的軟件支持。該終端由控制主板和通信接口組成。
　　主要功能如下：
　�。�1）直接與土壤墑情傳感器（土壤水分傳感器）連接，進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、自動(dòng)測(cè)量土壤含水率數(shù)據(jù)；同時(shí)還可配接雨量計(jì)、溫度計(jì)、氣壓計(jì)、風(fēng)速/風(fēng)向傳感器和多種遙測(cè)水位計(jì)構(gòu)成無(wú)人自動(dòng)氣象站；
　　（2）有與GSM手機(jī)短信、VHF超短波、衛(wèi)星和PSTN等通訊設(shè)備的接口。可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)通信條件，選擇通信信道設(shè)計(jì)；
　�。�3）可設(shè)置各種參數(shù)，如站號(hào)，采樣間隔時(shí)間，定時(shí)自報(bào)時(shí)間，信道機(jī)的參數(shù)等；
　�。�4）具有隨機(jī)自報(bào)、定時(shí)自報(bào)功能和應(yīng)答功能；
　�。�5）使用編程器時(shí)，具有人工置數(shù)功能；
　�。�6）具有固態(tài)存儲(chǔ)功能，斷電時(shí)能保存數(shù)據(jù)和設(shè)備信息不丟失；
　�。�7）具有低功耗的特點(diǎn)和電源電壓告警功能。
　　2.2.2墑情傳感器
　　MP一406型墑情傳感器是采用世界先進(jìn)技術(shù)的土壤濕度傳感器，精密、可靠、耐用。性能可與國(guó)外時(shí)域反射儀TDR及中子水分計(jì)NeutronProbe媲美，價(jià)格便宜，無(wú)放射性污染源。MP一406由一個(gè)內(nèi)含電子器件的防水室和與之一端相連的四個(gè)不銹鋼針的成形探針組成。探針直接插人土壤，產(chǎn)生高頻信號(hào)，測(cè)量土壤參數(shù)。在插人土壤時(shí)，探針（傳輸線）的阻抗隨土壤阻抗變化而變化，探針測(cè)量阻抗包括土壤介電常數(shù)和離子傳導(dǎo)率；傳感器所選用的電信號(hào)的頻率使離子傳導(dǎo)率的影響最小，探針（傳輸線）阻抗變化幾乎僅依賴(lài)于土壤介電常數(shù)的變化，這些變化產(chǎn)生一個(gè)電壓駐波，駐波隨探針周?chē)�介質(zhì)的變化而變化，傳感器內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生電壓，利用振蕩器產(chǎn)生的電壓和探針?lè)祷仉妷旱牟钪禍y(cè)量土壤的介電常數(shù)；探頭尾部的電纜線連接電源和輸出模擬信號(hào)，測(cè)量這一模擬信號(hào)，從而測(cè)量出土壤墑情。
　　MP一406型墑情傳感器的主要技術(shù)參數(shù)：
　�。�1）測(cè)量參數(shù)：土壤容積含水量（m³/m³或%vol.）；
　　（2）量程：0一1.0m³/m³；
　　（3）精度：±0.02m³/m³特定土壤標(biāo)定后，或±0.05m³/m³,采用給定的土壤標(biāo)定，對(duì)所有常見(jiàn)土壤，在土壤含水量為0.05-0.6m³/m³，周?chē)鷾囟?-40℃，可使用數(shù)據(jù)采集器；
　�。�4）土壤電導(dǎo)范圍：土壤電導(dǎo)在0一0.15/ml范圍內(nèi)可得到精確的數(shù)據(jù)；
　　（5）土壤取樣體積：90%的影響在圍繞中央探針的直徑2.5cm,長(zhǎng)6cm的圓柱體內(nèi)；
　�。�6）環(huán)境：能長(zhǎng)期埋在不同的土壤或水中而不影響功能和受腐蝕；
　�。�7）穩(wěn)定時(shí)間：通電約105；
　�。�8）響應(yīng)時(shí)間：0.55內(nèi)對(duì)99%的變化有響應(yīng)；
　�。�9）任務(wù)循環(huán)：100%（可以連續(xù)操作）；
　�。�10）工作條件：電源：7一15VDC非穩(wěn)定電壓；功耗：19mA（常規(guī)），最大21mA;輸出信號(hào)：（0一0.5m,/耐土壤含水量約0-IVDC）：
　　（11）管密封材料：PVC；
　�。�12）探針材料：不銹鋼；
　�。�13）電纜長(zhǎng)度：標(biāo)準(zhǔn)：sm,最長(zhǎng)：1O0m。
　　統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：土壤的介電常數(shù)的平方根與土壤容積含水量存在線性關(guān)系，且這種關(guān)系適宜于多種土壤，輸出電壓在O-IVDC表示土壤介電常數(shù)在1-32之間。這一范圍代表一般礦質(zhì)土壤的容積含水量為0.5m³/m³。
　　3安裝調(diào)試
　　（1）選擇測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量避開(kāi)孔穴、石子、根莖較多的地方；
　�。�2）插人土壤墑情（水分）傳感器：將傳感器按照不同的埋深參數(shù)埋在測(cè)點(diǎn)地下，傳感器探針一定要完全插人土壤中并且壓實(shí)；
　�。�3）墑情遙測(cè)站安裝：將土壤水分傳感器、GSM信號(hào)天線（或VHF天線、衛(wèi)星天線、PSTN電話線）分別進(jìn)行正確連接；
　　（4）調(diào)試采集終端站：接通遙測(cè)終端電源，遙測(cè)終端上電后首先會(huì)“自測(cè)”；若顯示實(shí)時(shí)采樣結(jié)果，則表示“自檢”通過(guò)；人工發(fā)送數(shù)據(jù)成功后，安裝調(diào)試完成。
　　4關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用
　　（1）高頻駐波測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用MP一406型土壤墑情傳感器是采用高頻駐波測(cè)量技術(shù)間接測(cè)量土壤介電常數(shù)的土壤濕度傳感器，該傳感器實(shí)現(xiàn)了“時(shí)域反射儀TDR”及“中子水分計(jì)NeutronProbe”難以實(shí)現(xiàn)的在線、自動(dòng)、安全、價(jià)格低廉等要求，該傳感器技術(shù)的應(yīng)用使得墑情遙測(cè)成為可能。
　�。�2）GSM通信技術(shù)的應(yīng)用墑情監(jiān)測(cè)站一般一個(gè)鄉(xiāng)，甚至一個(gè)縣才設(shè)一個(gè)，面廣、站少。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊方式目前有超短波、衛(wèi)星、電話、GSM等多種。超短波通信在水情遙測(cè)系統(tǒng)建設(shè)已有成熟技術(shù)和產(chǎn)品，但是，超短波通信需要建立專(zhuān)用通訊網(wǎng)、傳輸距離有限、需要建設(shè)中繼站，對(duì)于面廣、站少的墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言不太適宜；而近年來(lái)，出現(xiàn)的有線、衛(wèi)星，具有不受距離限制、不用組建專(zhuān)用通訊網(wǎng)等特點(diǎn)，但投資較高；而GsM通訊具有設(shè)備簡(jiǎn)單、安裝容易、傳輸距離不受限制、運(yùn)行費(fèi)用較低廉、土建投資省等特點(diǎn)，這為墑情監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的推廣應(yīng)用提供了保證。
　　5系統(tǒng)特點(diǎn)
　�。�1）土壤墑情監(jiān)測(cè)終端操作簡(jiǎn)便易用、高效省時(shí)，它的推廣將取代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式而節(jié)省大量人力物力和時(shí)間；
　�。�2）提供特有的三種運(yùn)行方式和三種工作模式，最大可能滿足各種不同的應(yīng)用需求；
　�。�3）可采用GSM無(wú)線通信、PSTN電話等公網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸信道，可降低采集系統(tǒng)的建設(shè)成本和運(yùn)行費(fèi)用；
　�。�4）數(shù)據(jù)處理和傳輸完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，避免在傳輸過(guò)程由于人為因素造成數(shù)據(jù)失真；
　　6.結(jié)語(yǔ)
　　該系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了土壤墑情的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，可廣泛應(yīng)用于溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場(chǎng)、節(jié)水農(nóng)業(yè)等精細(xì)農(nóng)業(yè)，可在線提供實(shí)時(shí)土壤墑情數(shù)據(jù)，從而提高防汛決策系統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)精度和抗早決策依據(jù)。