墑情監(jiān)測自動化系統(tǒng)是一種先進(jìn)的土壤墑情參數(shù)實時收集、處理的自動化系統(tǒng)。它應(yīng)用高精度傳感技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫存儲和處理等技術(shù)，實現(xiàn)在無人監(jiān)守情況下，對土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行自動采集、傳輸和存儲，為統(tǒng)計、分析和預(yù)測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。
　　我國在從上個世紀(jì)中葉就開始了土壤水分的記錄監(jiān)測，先后采用了烘干稱重、中子水分計和TDR時域反射儀等方法，這些方法雖然可以實現(xiàn)土壤水分的測量，但均無法在野外、無人的狀況下自動工作，更無法實現(xiàn)墑情數(shù)據(jù)的自動傳輸、處理和統(tǒng)計，無法適應(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)測自動化系統(tǒng)。
　　1系統(tǒng)組成與功能
　　實時土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)是一套從土壤含水率數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲到對大量采集數(shù)據(jù)的集中管理、統(tǒng)計分析、預(yù)測以及顯示的完整解決方案。
　　從結(jié)構(gòu)上分：它由監(jiān)測中心、數(shù)據(jù)傳輸信道、采集終端三部分組成，見圖1所示。

　　從功能上系統(tǒng)又可分為：
　　（l）基本資料子系統(tǒng)：從數(shù)據(jù)庫中提取有關(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）信息采集存儲子系統(tǒng)：實時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；
　�。�3）檢索子系統(tǒng)：除可用圖、表方式顯示或打印各水庫流域?qū)崟r墑情信息、特征值、預(yù)報結(jié)果、系統(tǒng)異常報替信息外，亦可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)及歷史預(yù)報成果的瀏覽，還可對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索、查詢、修改、備份、恢復(fù)等；
　　（4）實時早情預(yù)報子系統(tǒng)：內(nèi)裝有專家預(yù)報模型。利用墑情監(jiān)測實時數(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)的分析計算，以獲取具有科學(xué)依據(jù)的預(yù)報結(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，實現(xiàn)墑情數(shù)據(jù)的傳輸。
　　2系統(tǒng)設(shè)計
　　2.1墑情監(jiān)測中心站
　　墑情監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測中心站采用工作站值班工作制，主要完成系統(tǒng)內(nèi)所有墑情遙測站的數(shù)據(jù)收集、處理、告警、存貯、顯示、打印及通過電話專線、衛(wèi)星等信道向上級部門報送數(shù)據(jù)；可以遠(yuǎn)端檢測采集終端運(yùn)行狀態(tài)、查詢設(shè)置各種參數(shù)、召測和巡測采集終端的土壤含水率數(shù)據(jù)；為墑情計算、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：在窗口中選定查詢的時間、試驗站站號和地市，系統(tǒng)從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中獲取各市地墑情試驗站墑情表數(shù)據(jù)；
　　（2）墑情分布圖：圖中標(biāo)有各墑情點的墑情值，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、作物生長期等因素進(jìn)行早情分析，形成早情面分布圖，并通過空間疊加分析統(tǒng)計不同類型的受早面積；
　�。�4）早情報表：在窗口中選定查詢的時間，系統(tǒng)將從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中獲取早情動態(tài)及工程情況統(tǒng)計表和抗早活動情況統(tǒng)計表。
　　2.2墑情遙測站
　　墑情遙測站是一種野外工作、無人值守、自動定時采集墑情數(shù)據(jù)的自動化遙測站（分為移動站和固定站兩種）。主要實現(xiàn)土壤含水率數(shù)據(jù)的自動采集和存儲，并通過通信網(wǎng)絡(luò)（CSM、VHF、衛(wèi)星和PSTNMODEM）向系統(tǒng)監(jiān)控中心報送數(shù)據(jù)和接收指令。它可在野外環(huán)境下自動工作，實時采集墑情數(shù)據(jù)，按照設(shè)定要求定時發(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)成無人氣象站。設(shè)備配置有：墑情傳感器，墑情遙測終端機(jī)，電源系統(tǒng)（采用太陽能浮充、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。墑情遙測站組成如圖2所示。

圖2墑情遙測站組成框圖

　　墑情遙測站采用間隙式連續(xù)工作方式，連續(xù)采樣、實時記錄最大墑情數(shù)據(jù)，并按設(shè)定自報定時，自動報送（也可工作在召測/應(yīng)答工作體制），報送定時可設(shè)定為：6h、sh、24h。
　　墑情遙測站可以采用召測、巡測、自報和人工發(fā)送等四種運(yùn)行方式。
　�。�1）召測：監(jiān)測中心向墑情監(jiān)測站發(fā)送指令，墑情監(jiān)測站接收到指令后采集實時土壤含水率數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)編制發(fā)送給監(jiān)測中心。
　　（2）巡測：監(jiān)測中心逐個向墑情監(jiān)測站發(fā)送指令，墑情監(jiān)測站接收到指令后采集實時土壤含水率數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)編制逐個發(fā)送給監(jiān)測中心。
　　（3）自報：墑情監(jiān)測站按設(shè)定時間間隔采集實時土壤含水率數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)編制發(fā)送給監(jiān)測中心。
　�。�4）人工發(fā)送：通過終端置數(shù)器操作，使終端實時采集土壤含水率數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)編制發(fā)送給監(jiān)測中心。
　　2.2.1墑情遙測終端
　　墑情遙測終端是墑情監(jiān)測系統(tǒng)的終端采集設(shè)備（分為移動站和固定站兩種），主要用于土壤含水率數(shù)據(jù)的自動采集和存儲，并通過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)成熟的遙測數(shù)據(jù)終端機(jī)基礎(chǔ)之上研制開發(fā)的新型遙測終端。它在功能、接口設(shè)計、可靠性設(shè)計上有了很大的提高。新的設(shè)計采用了先進(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)行實時、在線、自動測量土壤含水率數(shù)據(jù)；同時還可配接雨量計、溫度計、氣壓計、風(fēng)速/風(fēng)向傳感器和多種遙測水位計構(gòu)成無人自動氣象站；
　�。�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�？筛鶕�(jù)現(xiàn)場通信條件，選擇通信信道設(shè)計；
　�。�3）可設(shè)置各種參數(shù)，如站號，采樣間隔時間，定時自報時間，信道機(jī)的參數(shù)等；
　�。�4）具有隨機(jī)自報、定時自報功能和應(yīng)答功能；
　�。�5）使用編程器時，具有人工置數(shù)功能；
　�。�6）具有固態(tài)存儲功能，斷電時能保存數(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。性能可與國外時域反射儀TDR及中子水分計NeutronProbe媲美，價格便宜，無放射性污染源。MP一406由一個內(nèi)含電子器件的防水室和與之一端相連的四個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，測量土壤參數(shù)。在插人土壤時，探針（傳輸線）的阻抗隨土壤阻抗變化而變化，探針測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于土壤介電常數(shù)的變化，這些變化產(chǎn)生一個電壓駐波，駐波隨探針周圍介質(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)生的電壓和探針返回電壓的差值測量土壤的介電常數(shù)；探頭尾部的電纜線連接電源和輸出模擬信號，測量這一模擬信號，從而測量出土壤墑情。
　　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，對所有常見土壤，在土壤含水量為0.05-0.6m³/m³，周圍溫度0-40℃，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6cm的圓柱體內(nèi)；
　�。�6）環(huán)境：能長期埋在不同的土壤或水中而不影響功能和受腐蝕；
　　（7）穩(wěn)定時間：通電約105；
　　（8）響應(yīng)時間：0.55內(nèi)對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：（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）電纜長度：標(biāo)準(zhǔn)：sm,最長：1O0m。
　　統(tǒng)計數(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）選擇測點應(yīng)盡量避開孔穴、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)埋在測點地下，傳感器探針一定要完全插人土壤中并且壓實；
　�。�3）墑情遙測站安裝：將土壤水分傳感器、GSM信號天線（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：接通遙測終端電源，遙測終端上電后首先會“自測”；若顯示實時采樣結(jié)果，則表示“自檢”通過；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量技術(shù)間接測量土壤介電常數(shù)的土壤濕度傳感器，該傳感器實現(xiàn)了“時域反射儀TDR”及“中子水分計NeutronProbe”難以實現(xiàn)的在線、自動、安全、價格低廉等要求，該傳感器技術(shù)的應(yīng)用使得墑情遙測成為可能。
　�。�2）GSM通信技術(shù)的應(yīng)用墑情監(jiān)測站一般一個鄉(xiāng)，甚至一個縣才設(shè)一個，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用通訊網(wǎng)、傳輸距離有限、需要建設(shè)中繼站，對于面廣、站少的墑情監(jiān)測系統(tǒng)而言不太適宜；而近年來，出現(xiàn)的有線、衛(wèi)星，具有不受距離限制、不用組建專用通訊網(wǎng)等特點，但投資較高；而GsM通訊具有設(shè)備簡單、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，這為墑情監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)的推廣應(yīng)用提供了保證。
　　5系統(tǒng)特點
　�。�1）土壤墑情監(jiān)測終端操作簡便易用、高效省時，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)處理和傳輸完全實現(xiàn)自動化，避免在傳輸過程由于人為因素造成數(shù)據(jù)失真；
　　6.結(jié)語
　　該系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了土壤墑情的自動化監(jiān)測，可廣泛應(yīng)用于溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、節(jié)水農(nóng)業(yè)等精細(xì)農(nóng)業(yè)，可在線提供實時土壤墑情數(shù)據(jù)，從而提高防汛決策系統(tǒng)的洪水預(yù)報精度和抗早決策依據(jù)。