农业土壤含水率监测及灌溉系统研究

【摘要】土壤水分反映了农业干旱程度，以土壤水分为指标，可以指导农业灌溉。土壤的含水状况俗称土壤墒情，还包括土壤性质、深度等状态，其关系到农作物的优质生长。不能及时、足量灌溉，或过量灌溉，都可能导致农作物根茎不能从土壤及时吸收水分，影响农作物的正常生长。另一方面，从农业节水、节能及可持续性发展角度考虑，在灌溉作业中，要实现农业灌溉水资源高效利用，必须实时、精确地掌握农田土壤水分信息，准确地控制灌溉开始时机、结束时机及水量，从而实现节水、节能和作物的良好生长双重目标。

【关键词】农业；土壤含水率；灌溉系统

对土壤含水率准确、连续、实时的监测是实现精量灌溉与农业高效用水的前提，而传统的土壤含水率监测系统主要布设在土壤表面，对土壤进行耕作时，需要绕开地表的监测系统，使得土壤耕作不方便。针对传统土壤含水率监测系统占用耕地、架设不方便等问题，设计和开发了一套适用于农田的基于无线地下传感器的土壤含水率监测系统，系统能保证至少15天左右埋藏在土壤中，不影响农田耕作，架设和维护方便，为作物的精量节水灌溉提供决策依据。下面文章将会从监测系统的设计与选型方面强化整个农业土壤工作，希望能够对相关工作的进行提供一定借鉴作用。

1、系统整体设计与选型

1.1 整体结构

系统整体由地下节点、地面接收节点、上位机终端构成。

1.2 地下节点结构设计

整个地下传感器节点主要包括用于采集土壤含水率的水分传感器、单片机、采样/保持器、A/D模数转换器、数据存储器、键盘、液晶显示模块、电源模块、nRF905无线通信模块等。地下节点主要实现的功能是：传感器采集土壤含水率，模数转换器将采集得到的模拟信号转换为数字信号，单片机控制无线模块将数据信息发送至地面节点。

1.3 地面节点结构设计

地面接收节点硬件主要包括无线通信模块、单片机、数据存储器、键盘、液晶显示模块、串口通信模块、电源模块等。地面接收节点主要的功能是：接收无线地下传感器节点传回的土壤含水率数据，液晶屏显示土壤含水率并由单片机控制将数据发送至串口，计算机接收串口处的土壤含水率，最终由上位机应用软件在电脑上实时显示并绘制土壤含水率变化曲线。

1.4 土壤水分传感器的选型

基于性能、功耗、能否长期埋藏于地下以及价格等因素的考虑，本文选择了北京联创思源测控技术有限公司生产的FDS系列电容型土壤水分传感器FDS-100。该传感器是通过测量土壤介电常数并运用频域反射法（FDR）来获取土壤含水率，其测量得到的土壤含水率具有较高的线性度。传感器测量的数据为量程0～100%的土壤体积含水率（volumetric water content，VWC），测量精度为±3%，分辨率达到0.001m3/m3VWC（Unism2012）。FDS-100运用低功耗设计，其工作电流仅为25mA，采用5～12V的宽伏供电，最低能在5V直流电源的供电下工作，输出信号为0-1.5V的电压信号，其具体输出电压信号的伏值随VWC的变化而变化。

2、系统软硬件设计

2.1 硬件设计

微控制器作为监测系统的核心，起着控制各个模块正常工作的作用。微控制器通过数据处理与发出指令协调着各个模块实现其相应的功能。近几年来，微控制器越来越向着小型化、集成化、节能化的方向发展。发展过程中，微控制器的指令处理能力和处理速度都得到了大幅提高。

由于土壤水分传感器传回的数据是 0～1.5VDC 的电压信号，电压信号为模拟信号，而微控制器只能识别数字信号，所以要将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，这就需要用到 A/D 模数转换器。

为确保地下传感器节点采集得到的土壤含水率准确性较高，需要将传感器采集到的土壤含水率与烘干法得到的含水率进行对比，之后对传感器进行标定。为了方便对比实验，在传感器节点的硬件设计中加入液晶显示模块的接口，方便数据的对比与传感器的标定，在传感器节点埋入土壤中时，可取下液晶显示模块进一步降低功耗。

2.2 软件设计

节点程序设计分为传感器节点程序设计和地面接收节点程序设计。传感器节点因为需要长期埋藏在土壤中，其程序设计应能包含低功耗设计，比如当完成一次土壤水分采集后系统应能进入待机状态等待下一次采集指令，以达到节能的目的。传感器节点采集并发送一次土壤含水率信息的工作流程应为：土壤水分传感器采集土壤水分→A/D 转换器进行模数转换→LCD 显示土壤含水率→无线模块发送含水率数据。

地面接收节点的程序设计主要包括nRF905 数据接收程序和计算机串口通信程序。地面接收节点的主要实现的功能是接收传感器节点传回的土壤含水率数据，液晶屏显示接收到的数据，同时把它通过串行口发送至计算机终端。

上位机软件索要实现的功能是：主控制器将nRF905接收到的数据通过串口传输给计算机，计算机中的上位机软件实时接收串口数据并绘制土壤含水率曲线。本设计编写的上位机软件功能强大，能够选择不同的串口接收串口数据，也能够改变湿度曲线的显示范围方便用户查看；实时显示串口接收到的数据。

3、应用结果

3.1 系统测试

系统测试之前首先对土壤水分传感器用烘干法进行了标定，使测得的土壤含水率具有较高的准确性。而后先在实验室中进行了室内测试，完成了系统各项功能测试与调试，确保各个功能模块能够正常工作。之后在小麦试验田里进行了田间测试，测定了地下节点在不同埋藏深度的传输距离，并将传回的土壤含水率数据和同一深度实际用烘干法得到的土壤含水率、气象站的监测到的含水率进行对比，分析了系统的可靠性。试验主要测试系统的各项功能，包括无线地下传感器节点采集土壤含水率、A/D 模数转化、显示并发送，地面节点接收数据并发至计算机应用软件，地下节点与地面传输距离的测试。在本章节最后研究了测试结果，分析了测试误差。

3.2 结果分析

传输距离试验表明，地下节点与地面节点间的通信受地下节点埋藏深度的影响较大，地下节点埋藏越深，无线传输距离越短。

土壤含水率采集试验表明，当地下节点埋藏深度为 30cm 时，监测系统采集到的土壤含水率与用烘干法得到的土壤含水率相比平均百分误差为 2.25%；当地下节点埋藏深度为 45cm 时，监测系统采集到的土壤含水率与用烘干法得到的土壤含水率相比平均百分误差为 1.96%；当地下节点埋藏深度为 60cm 时，监测系统采集到的土壤含水率与用烘干法得到的土壤含水率相比平均百分误差为 2.36%。地下节点附近气象站在60cm 深度监测到的土壤含水率，与实际用烘干法得到土壤含水率之间平均百分误差为2.66%。由此得知，监测系统采集到的土壤含水率与用烘干法得到的土壤含水率平均百分误差均小于 3%，准确性较高，且无线地下传感器在传输距离范围内数据输出稳定，说明系统的数据采集性能较好。

综上所述，本文建立了一种适用于农田的基于无线地下传感器的土壤含水率监测系统，设计开发出无线地下传感器节点、地面接收节点、电脑端上位机软件，实现了土壤含水率数据稳定有效的无线传输，并在小麦试验田中安装了无线地下传感器监测系统的测试单元，测试了系统的可靠性。本设计是基于无线地下传感器构建成的监测系统，验证了无线地下传感器的可应用性，因其对耕作的影响较小，可广泛应用于农业信息无线监测当中。无线地下传感器监测系统的首要问题是要设计开发地下节点系统、解决地下与地面间的通信问题，本文在研究的过程中，给出了无线地下传感器节点的体系结构，完成了地下发送节点的硬件设计和地面接收节点的硬件设计。

参考文献：

[1] 李鼎，韩文霆，朱冰钦. 基于无线传感器网络的土壤含水率监测系统设计[J]. 农机化研究，2013，03：140-144.

[2] 宋艳，黄留锁. 农业土壤含水率监测及灌溉系统研究——基于物联网模式[J]. 农机化研究，2017，04：237-240.

[3] 熊展，张波. 无线传感器网络系统在农田土壤含水率监测中的设计分析[J]. 电子技术与软件工程，2015，06：78+95.