土壤墒情自动监测系统的构成

墒情监测自动化系统是一种先进的土壤墒情参数实时收集、处理的自动化系统。它应 用高精度传感技术、通信技术、数据库存储和处理等技术，实现在无人监守情况下，对土壤水分数据进行自动采集、传输和存储，为统计、分析和预测土壤墒情变化 提供依据。该系统可广泛应用于水利抗早、精细农业、城市绿化等领域。

我国在从上个世纪中叶就开始了土壤水分的记录监 测，先后采用了烘干称重、中子水分计和TDR时域反射仪等方法，这些方法虽然可以实现土壤水分的测量，但均无法在野外、无人的状况下自动工作，更无法实现 墒情数据的自动传输、处理和统计，无法适应当前的农业、抗早决策以及城市绿化的现代化建设的需要。为此，有必要建设墒情监测自动化系统。

1系统组成与功能

实时土壤墒情监测系统是一套从土壤含水率数据的采集、传输、存储到对大量采集数据的集中管理、统计分析、预测以及显示的完整解决方案。

从结构上分：它由监测中心、数据传输信道、采集终端三部分组成，见图1所示。

从功能上系统又可分为：

（l）基本资料子系统：从数据库中提取有关人口与耕地、农作物产量、灌溉面积和抗早设施等方面的基本信息并以图表曲线显示打印输出；

（2）信息采集存储子系统：实时采集各墒情站土壤水分数据，经合理性判别、数据处理、规约转换后按统一格式存人数据库；

（3）检索子系统：除可用图、表方式显示或打印各水库流域实时墒情信息、特征值、预报结果、系统异常报替信息外，亦可进行历史数据及历史预报成果的浏览，还可对数据库进行检索、查询、修改、备份、恢复等；

（4）实时早情预报子系统：内装有专家预报模型。利用墒情监测实时数据与相关理论的有机结合，进行多模型、多参数的分析计算，以获取具有科学依据的预报结果，供领导和抗早指挥部决策；

（5）通讯子系统：利用无线CSM、VHF、卫星和有线PSTN通信，建设本系统的网络通信，实现墒情数据的传输。

2系统设计

2.1墒情监测中心站

墒情监测系统的监测中心站采用工作站值班工作制，主要完成系统内所有墒情遥测站的数据收集、处理、告警、存贮、显示、打印及通过电话专线、卫星等信道向 上级部门报送数据；可以远端检测采集终端运行状态、查询设置各种参数、召测和巡测采集终端的土壤含水率数据；为墒情计算、早情告警、抗早调度与决策服务。 设备组成主要有：接收解码设备（根据通信信道选择cSM、VHF、卫星和PSTN）、墒情工作站（计算机）及抗干扰电源配置等。

主要功能：

（1）墒情数据查询：在窗口中选定查询的时间、试验站站号和地市，系统从服务器数据库中获取各市地墒情试验站墒情表数据；

（2）墒情分布图：图中标有各墒情点的墒情值，并根据值的大小用不同颜色表示；

（3）早情分析：根据土壤墒情、前期降雨、前期灌溉、土壤分布、作物分布、作物生长期等因素进行早情分析，形成早情面分布图，并通过空间叠加分析统计不同类型的受早面积；

（4）早情报表：在窗口中选定查询的时间，系统将从服务器数据库中获取早情动态及工程情况统计表和抗早活动情况统计表。

2.2墒情遥测站

墒情遥测站是一种野外工作、无人值守、自动定时采集墒情数据的自动化遥测站（分为移动站和固定站两种）。主要实现土壤含水率数据的自动采集和存储，并通 过通信网络（CSM、VHF、卫星和PSTNMODEM）向系统监控中心报送数据和接收指令。它可在野外环境下自动工作，实时采集墒情数据，按照设定要求 定时发送，该站还可配置雨t、温度、蒸发、风速/风向、气压等传感器构成无人气象站。设备配置有：墒情传感器，墒情遥测终端机，电源系统（采用太阳能浮 充、蓄电池供电配置），通讯机（csM、vHF、卫星和代汀NMODEM）、天线馈线等。墒情遥测站组成如图2所示。

图2墒情遥测站组成框图

墒情遥测站采用间隙式连续工作方式，连续采样、实时记录最大墒情数据，并按设定自报定时，自动报送（也可工作在召测/应答工作体制），报送定时可设定为：6h、sh、24h。

墒情遥测站可以采用召测、巡测、自报和人工发送等四种运行方式。

（1）召测：监测中心向墒情监测站发送指令，墒情监测站接收到指令后采集实时土壤含水率数据，并将数据编制发送给监测中心。

（2）巡测：监测中心逐个向墒情监测站发送指令，墒情监测站接收到指令后采集实时土壤含水率数据，并将数据编制逐个发送给监测中心。

（3）自报：墒情监测站按设定时间间隔采集实时土壤含水率数据，并将数据编制发送给监测中心。

（4）人工发送：通过终端置数器操作，使终端实时采集土壤含水率数据，并将数据编制发送给监测中心。

2.2.1墒情遥测终端

墒情遥测终端是墒情监测系统的终端采集设备（分为移动站和固定站两种），主要用于土壤含水率数据的自动采集和存储，并通过GSM、VHF、卫星或 PsTNMoDEM通信设备与系统监控中心进行指令和数据交互。该终端是在已经成熟的遥测数据终端机基础之上研制开发的新型遥测终端。它在功能、接口设 计、可靠性设计上有了很大的提高。新的设计采用了先进的微处理器技术和庞大的软件支持。该终端由控制主板和通信接口组成。

主要功能如下：

（1）直接与土壤墒情传感器（土壤水分传感器）连接，进行实时、在线、自动测量土壤含水率数据；同时还可配接雨量计、温度计、气压计、风速/风向传感器和多种遥测水位计构成无人自动气象站；

（2）有与GSM手机短信、VHF超短波、卫星和PSTN等通讯设备的接口。可根据现场通信条件，选择通信信道设计；

（3）可设置各种参数，如站号，采样间隔时间，定时自报时间，信道机的参数等；

（4）具有随机自报、定时自报功能和应答功能；

（5）使用编程器时，具有人工置数功能；

（6）具有固态存储功能，断电时能保存数据和设备信息不丢失；

（7）具有低功耗的特点和电源电压告警功能。

2.2.2墒情传感器

MP一406型墒情传感器是采用世界先进技术的土壤湿度传感器，精密、可靠、耐用。性能可与国外时域反射仪TDR及中子水分计NeutronProbe 媲美，价格便宜，无放射性污染源。MP一406由一个内含电子器件的防水室和与之一端相连的四个不锈钢针的成形探针组成。探针直接插人土壤，产生高频信 号，测量土壤参数。在插人土壤时，探针（传输线）的阻抗随土壤阻抗变化而变化，探针测量阻抗包括土壤介电常数和离子传导率；传感器所选用的电信号的频率使 离子传导率的影响最小，探针（传输线）阻抗变化几乎仅依赖于土壤介电常数的变化，这些变化产生一个电压驻波，驻波随探针周围介质的变化而变化，传感器内部 晶体振荡器产生电压，利用振荡器产生的电压和探针返回电压的差值测量土壤的介电常数；探头尾部的电缆线连接电源和输出模拟信号，测量这一模拟信号，从而测 量出土壤墒情。

MP一406型墒情传感器的主要技术参数：

（1）测量参数：土壤容积含水量（m³/m³或%vol.）；

（2）量程：0一1.0m³/m³；

（3）精度：±0.02m³/m³特定土壤标定后，或±0.05m³/m³,采用给定的土壤标定，对所有常见土壤，在土壤含水量为0.05-0.6m³/m³，周围温度0-40℃，可使用数据采集器；

（4）土壤电导范围：土壤电导在0一0.15/ml范围内可得到精确的数据；

（5）土壤取样体积：90%的影响在围绕中央探针的直径62.5px,长150px的圆柱体内；

（6）环境：能长期埋在不同的土壤或水中而不影响功能和受腐蚀；

（7）稳定时间：通电约105；

（8）响应时间：0.55内对99%的变化有响应；

（9）任务循环：100%（可以连续操作）；

（10）工作条件：电源：7一15VDC非稳定电压；功耗：19mA（常规），最大21mA;输出信号：（0一0.5m,/耐土壤含水量约0-IVDC）：

（11）管密封材料：PVC；

（12）探针材料：不锈钢；

（13）电缆长度：标准：sm,最长：1O0m。

统计数据表明：土壤的介电常数的平方根与土壤容积含水量存在线性关系，且这种关系适宜于多种土壤，输出电压在O-IVDC表示土壤介电常数在1-32之间。这一范围代表一般矿质土壤的容积含水量为0.5m³/m³。

3安装调试

（1）选择测点应尽量避开孔穴、石子、根茎较多的地方；

（2）插人土壤墒情（水分）传感器：将传感器按照不同的埋深参数埋在测点地下，传感器探针一定要完全插人土壤中并且压实；

（3）墒情遥测站安装：将土壤水分传感器、GSM信号天线（或VHF天线、卫星天线、PSTN电话线）分别进行正确连接；

（4）调试采集终端站：接通遥测终端电源，遥测终端上电后首先会“自测”；若显示实时采样结果，则表示“自检”通过；人工发送数据成功后，安装调试完成。

4关键技术的应用

（1）高频驻波测量技术的应用MP一406型土壤墒情传感器是采用高频驻波测量技术间接测量土壤介电常数的土壤湿度传感器，该传感器实现了“时域反射仪 TDR”及“中子水分计NeutronProbe”难以实现的在线、自动、安全、价格低廉等要求，该传感器技术的应用使得墒情遥测成为可能。

（2）GSM通信技术的应用墒情监测站一般一个乡，甚至一个县才设一个，面广、站少。数据采集系统通讯方式目前有超短波、卫星、电话、GSM等多种。超短 波通信在水情遥测系统建设已有成熟技术和产品，但是，超短波通信需要建立专用通讯网、传输距离有限、需要建设中继站，对于面广、站少的墒情监测系统而言不 太适宜；而近年来，出现的有线、卫星，具有不受距离限制、不用组建专用通讯网等特点，但投资较高；而GsM通讯具有设备简单、安装容易、传输距离不受限 制、运行费用较低廉、土建投资省等特点，这为墒情监测自动化系统建设的推广应用提供了保证。

5系统特点

（1）土壤墒情监测终端操作简便易用、高效省时，它的推广将取代传统的数据采集方式而节省大量人力物力和时间；

（2）提供特有的三种运行方式和三种工作模式，最大可能满足各种不同的应用需求；

（3）可采用GSM无线通信、PSTN电话等公网作为数据传输信道，可降低采集系统的建设成本和运行费用；

（4）数据处理和传输完全实现自动化，避免在传输过程由于人为因素造成数据失真；

6.结语

该系统成功地实现了土壤墒情的自动化监测，可广泛应用于温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、节水农业等精细农业，可在线提供实时土壤墒情数据，从而提高防汛决策系统的洪水预报精度和抗早决策依据。