土壤墒情测报中物联网技术的应用范文

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摘要：

论述了物联网技术在土壤墒情测报中的应用，详细介绍了物联网墒情监测的关键技术、土壤墒情测报模型技术以及物联网交互服务终端的开发运用。通过物联网技术的应用使土壤墒情测报工作显著提升了测报速度和质量。

关键词：

物联网；墒情测报物联网

近年来发展迅猛，对社会经济发展产生着战略性和全局性的影响。如智能交通、智能电网、智能物流、智能医疗、智能家居等应用涉及整个社会生活，发展物联网技术具有重大的现实意义。特别是随着大数据、云计算、互联网+等基于物联网的新概念、新应用的不断出现以及相关装备的迅速普及，物联网在农业中的应用也逐步拓展。精准农业、智能农业、智慧农业等词汇的内涵在不断发展，最典型的就是物联网技术对于水肥控制的应用。我们都知道干旱一直是限制农业生产的重要因素,搞好土壤水分的监测和预报对于研究土壤水分运动、作物水分状况以及灌溉制度都具有重要意义,是农业用水管理和灾害预警服务的重要研究领域。而传统测报方法具有费工、费时等诸多问题,通过物联网技术的应用可极大地提高土壤墒情测报工作的速度和质量。

1物联网墒情监测关键技术

农业物联网主要是指通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、二维码等基础信息感知设备,按约定的协议连接起来,通过有线或无线网络进行信息交换和通信，以实现农业投入品、生产过程或产品的智能化识别、数据采集、智能控制、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是互联网业务和应用的拓展，在土壤墒情监测及预警技术中主要应用到了以下关键技术：

1.1水分传感器

感知是物联网的基础,水分传感器就是用来感知土壤容积含水量的仪器，目前常用到的传感器有FDR型和TDR型等。FDR（FrequencyDomainReflectometry）频域反射型是利用电磁脉冲原理，由一对电极组成一个电容，其间的土壤充当电介质，电容和振荡器组成一个调谐电路，FDR探头的阻抗依赖于土壤介质的介电常数。根据电磁波在土壤中传播频率来测量土壤的表观介电常数（ε），进而得出土壤容积含水量（θv）。它具有测量自动、快速，体积小、量程宽等特点，使用比较广泛。TDR（TimeDomainReflectometer）时域反射型是通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间（t）来测定土壤的介电常数（Ka）进而计算出土壤容积含水量（θv），TDR具有快速、便捷、连续等特点。

1.2自动气象采集系统

农业生产受旱与否受多方面因素影响，通过土壤水分传感器测量土壤容积含水量是墒情测定的一个重要方面，同时还需测定诸多其他气象因素，如气压、温度、湿度、风向、风速、雨量、光照等。这些要素的传统采集方法主要是通过气象观测站来获取。而随着物联网技术的发展，这些野外作业一般可以通过物联网自动气象站来完成。物联网自动气象站是按照一定的要求设定的一种能自动观测和存储气象数据的远端采集设备，它主要是由各种传感器、转换器、通讯模块、移动嵌入式系统、电源等组成。设备根据气象要素的变化,相关感应原件会随动，再通过I/O转换，把工程量转换成要素值。由于光电转换技术的发展和成本的降低，在野外的能源持续性供应已经变的相对容易，气象站可以自动长期稳定的开展观测，并可以通过增加传感器实现观测项目的拓展。

1.3RFID/WIFI/4G等无线传输技术

墒情监测一般在田间,大多采用无线传输手段。无线传输技术虽然呈多元化发展态势,不过物联网设备上的无线传输技术,大部分仍类似于移动无线设备上的技术,包括蓝牙、近场通讯、移动蜂窝技术等。近距无线传输一般使用RFID、WLAN、ZigBee、蓝牙、WMN、NFC等传输技术，低成本、低功耗、对等通讯是它们的特点。中远距离无线传输一般依托GPRS/3G/4G等成熟无线通讯网络进行,它具有投入少、费用合理、不受距离限制等特点。这些技术综合比较因其对传输速率、传输范围、功耗等的要求都是有比较大的差别，因此它们又有各自不同的物联网应用场景。

2土壤墒情测报模型技术

通过物联网传感器采集到大量的气象及墒情数据,传输到数据服务器后,如何运用好这些数据为下一步的灌溉管理提出指导就必须依赖于土壤墒情测报模型来完成。目前,土壤墒情预报模型主要包括四种类型即系统模型、概念模型、机理模型、土壤植物大气连续体模型（SPAC）。系统模型主要是应用数学统计的方法来建立模型,它不考察土壤水分动态变化的机理,而是分析土壤水分变化和其主要影响因素之间的关系。概念模型反映了作物根系层水分变化和水分收、支之间的关系，看重的是土壤水量动态平衡。其中,收入项包括降水和灌溉,消耗项包括蒸发、地面径流和渗漏等。机理模型主要是指土壤动力学模型。SPAC（Soil-Plant-AtmosphereContinuum）模型可采用大叶模式提出土壤—植物—大气的冠层湿温方程，并构造耦合迭代求解。近年来神经网络因具有自学习、自适应、自组织和适宜的鲁棒性与容错性，很适合土壤墒情预测的非线性映射与决策,因此也得到广泛的应用。

3物联网交互服务终端

物联网交互终端是物联网中连接网络层、传输层和应用层的重要工具,它担负着数据采集、初步处理、加密、传输和呈现等多种功能。在实际应用中它是直接面对用户，因此必须要重视对它的开发与建设。目前常用的终端分为两种，即特用终端和通用终端两类。特用终端出于成本、功能等的考虑，一般不能扩展，仅满足单一应用，但成本低廉，易开发、功耗低，系统稳定，简单易用。通用智能终端通常具有行业应用的通用性，外部接口多,具有如RS232、RS422、RS485、USB等通用接口，还可通过拓展模块对接口进行数量拓展，可自动识别传感器，甚至内置GPS模块，知识规则等。此种终端开发难度大、成本高、未标准化，但功能多，一般在野外携带一部基本就可完成大部分的专业应用。当然在日常应用中通常也可借助常见操作系统Windows、Android等开发个性化的应用终端如台式电脑、农业服务触摸屏一体机、智能手机、专用PDA等。目前智能手机终端因具有移动性强、实时通讯,在使用中可通过开发专业APP扩展功能等特点得到了快速发展。

总之，通过物联网技术的应用使土壤墒情测报工作得到了极大地提升,通过建立远程土壤墒情监测站,开发土壤墒情监测预警系统并配套相关灌溉标准和模型,科学指导适时适量灌溉,可显著提高农业生产效益和用水效率。

参考文献

[1]邓永卓.物联网技术在现代农业生产中的应用[J]．基层农技推广，2014（8）：61-63.

[2]邓永卓.农业定制手机终端的服务和发展模式探讨[J]．基层农技推广，2014（2）：18-20.

作者：邓永卓 杨靖峰 王姝逸 祁欣 单位：天津市农业技术推广站