墑情監(jiān)測自動化系統是一種先進的土壤墑情參數實時收集、處理的自動化系統。它應用高精度傳感技術、通信技術、數據庫存儲和處理等技術，實現在無人監(jiān)守情況下，對土壤水分數據進行自動采集、傳輸和存儲，為統計、分析和預測土壤墑情變化提供依據。該系統可廣泛應用于水利抗早、精細農業(yè)、城市綠化等領域。
　　我國在從上個世紀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，更無法實現墑情數據的自動傳輸、處理和統計，無法適應當前的農業(yè)、抗早決策以及城市綠化的現代化建設的需要。為此，有必要建設墑情監(jiān)測自動化系統。
　　1系統組成與功能
　　實時土壤墑情監(jiān)測系統是一套從土壤含水率數據的采集、傳輸、存儲到對大量采集數據的集中管理、統計分析、預測以及顯示的完整解決方案。
　　從結構上分：它由監(jiān)測中心、數據傳輸信道、采集終端三部分組成，見圖1所示。

　　從功能上系統又可分為：
　�。╨）基本資料子系統：從數據庫中提取有關人口與耕地、農作物產量、灌溉面積和抗早設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：實時采集各墑情站土壤水分數據，經合理性判別、數據處理、規(guī)約轉換后按統一格式存人數據庫；
　�。�3）檢索子系統：除可用圖、表方式顯示或打印各水庫流域實時墑情信息、特征值、預報結果、系統異常報替信息外，亦可進行歷史數據及歷史預報成果的瀏覽，還可對數據庫進行檢索、查詢、修改、備份、恢復等；
　　（4）實時早情預報子系統：內裝有專家預報模型。利用墑情監(jiān)測實時數據與相關理論的有機結合，進行多模型、多參數的分析計算，以獲取具有科學依據的預報結果，供領導和抗早指揮部決策；
　�。�5）通訊子系統：利用無線CSM、VHF、衛(wèi)星和有線PSTN通信，建設本系統的網絡通信，實現墑情數據的傳輸。
　　2系統設計
　　2.1墑情監(jiān)測中心站
　　墑情監(jiān)測系統的監(jiān)測中心站采用工作站值班工作制，主要完成系統內所有墑情遙測站的數據收集、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據；可以遠端檢測采集終端運行狀態(tài)、查詢設置各種參數、召測和巡測采集終端的土壤含水率數據；為墑情計算、早情告警、抗早調度與決策服務。設備組成主要有：接收解碼設備（根據通信信道選擇cSM、VHF、衛(wèi)星和PSTN）、墑情工作站（計算機）及抗干擾電源配置等。
　　主要功能：
　�。�1）墑情數據查詢：在窗口中選定查詢的時間、試驗站站號和地市，系統從服務器數據庫中獲取各市地墑情試驗站墑情表數據；
　�。�2）墑情分布圖：圖中標有各墑情點的墑情值，并根據值的大小用不同顏色表示；
　�。�3）早情分析：根據土壤墑情、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行早情分析，形成早情面分布圖，并通過空間疊加分析統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，系統將從服務器數據庫中獲取早情動態(tài)及工程情況統計表和抗早活動情況統計表。
　　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據的自動化遙測站（分為移動站和固定站兩種）。主要實現土壤含水率數據的自動采集和存儲，并通過通信網絡（CSM、VHF、衛(wèi)星和PSTNMODEM）向系統監(jiān)控中心報送數據和接收指令。它可在野外環(huán)境下自動工作，實時采集墑情數據，按照設定要求定時發(fā)送，該站還可配置雨t、溫度、蒸發(fā)、風速/風向、氣壓等傳感器構成無人氣象站。設備配置有：墑情傳感器，墑情遙測終端機，電源系統（采用太陽能浮充、蓄電池供電配置），通訊機（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據，并按設定自報定時，自動報送（也可工作在召測/應答工作體制），報送定時可設定為：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據，并將數據編制發(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據，并將數據編制逐個發(fā)送給監(jiān)測中心。
　　（3）自報：墑情監(jiān)測站按設定時間間隔采集實時土壤含水率數據，并將數據編制發(fā)送給監(jiān)測中心。
　�。�4）人工發(fā)送：通過終端置數器操作，使終端實時采集土壤含水率數據，并將數據編制發(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)測系統的終端采集設備（分為移動站和固定站兩種），主要用于土壤含水率數據的自動采集和存儲，并通過GSM、VHF、衛(wèi)星或PsTNMoDEM通信設備與系統監(jiān)控中心進行指令和數據交互。該終端是在已經成熟的遙測數據終端機基礎之上研制開發(fā)的新型遙測終端。它在功能、接口設計、可靠性設計上有了很大的提高。新的設計采用了先進的微處理器技術和龐大的軟件支持。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，進行實時、在線、自動測量土壤含水率數據；同時還可配接雨量計、溫度計、氣壓計、風速/風向傳感器和多種遙測水位計構成無人自動氣象站；
　�。�2）有與GSM手機短信、VHF超短波、衛(wèi)星和PSTN等通訊設備的接口�？筛鶕�現場通信條件，選擇通信信道設計；
　�。�3）可設置各種參數，如站號，采樣間隔時間，定時自報時間，信道機的參數等；
　�。�4）具有隨機自報、定時自報功能和應答功能；
　�。�5）使用編程器時，具有人工置數功能；
　�。�6）具有固態(tài)存儲功能，斷電時能保存數據和設備信息不丟失；
　�。�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技術的土壤濕度傳感器，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，產生高頻信號，測量土壤參數。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和離子傳導率；傳感器所選用的電信號的頻率使離子傳導率的影響最小，探針（傳輸線）阻抗變化幾乎僅依賴于土壤介電常數的變化，這些變化產生一個電壓駐波，駐波隨探針周圍介質的變化而變化，傳感器內部晶體振蕩器產生電壓，利用振蕩器產生的電壓和探針返回電壓的差值測量土壤的介電常數；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參數：
　�。�1）測量參數：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特定土壤標定后，或±0.05m³/m³,采用給定的土壤標定，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℃，可使用數據采集器；
　�。�4）土壤電導范圍：土壤電導在0一0.15/ml范圍內可得到精確的數據；
　�。�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；
　�。�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）響應時間：0.55內對99%的變化有響應；
　�。�9）任務循環(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：標準：sm,最長：1O0m。
　　統計數據表明：土壤的介電常數的平方根與土壤容積含水量存在線性關系，且這種關系適宜于多種土壤，輸出電壓在O-IVDC表示土壤介電常數在1-32之間。這一范圍代表一般礦質土壤的容積含水量為0.5m³/m³。
　　3安裝調試
　�。�1）選擇測點應盡量避開孔穴、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）分別進行正確連接；
　�。�4）調試采集終端站：接通遙測終端電源，遙測終端上電后首先會“自測”；若顯示實時采樣結果，則表示“自檢”通過；人工發(fā)送數據成功后，安裝調試完成。
　　4關鍵技術的應用
　　（1）高頻駐波測量技術的應用MP一406型土壤墑情傳感器是采用高頻駐波測量技術間接測量土壤介電常數的土壤濕度傳感器，該傳感器實現了“時域反射儀TDR”及“中子水分計NeutronProbe”難以實現的在線、自動、安全、價格低廉等要求，該傳感器技術的應用使得墑情遙測成為可能。
　�。�2）GSM通信技術的應用墑情監(jiān)測站一般一個鄉(xiāng)，甚至一個縣才設一個，面廣、站少。數據采集系統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建設已有成熟技術和產品，但是，超短波通信需要建立專用通訊網、傳輸距離有限、需要建設中繼站，對于面廣、站少的墑情監(jiān)測系統而言不太適宜；而近年來，出現的有線、衛(wèi)星，具有不受距離限制、不用組建專用通訊網等特點，但投資較高；而GsM通訊具有設備簡單、安裝容易、傳輸距離不受限制、運行費用較低廉、土建投資省等特點，這為墑情監(jiān)測自動化系統建設的推廣應用提供了保證。
　　5系統特點
　�。�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的數據采集方式而節(jié)省大量人力物力和時間；
　�。�2）提供特有的三種運行方式和三種工作模式，最大可能滿足各種不同的應用需求；
　　（3）可采用GSM無線通信、PSTN電話等公網作為數據傳輸信道，可降低采集系統的建設成本和運行費用；
　　（4）數據處理和傳輸完全實現自動化，避免在傳輸過程由于人為因素造成數據失真；
　　6.結語
　　該系統成功地實現了土壤墑情的自動化監(jiān)測，可廣泛應用于溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、節(jié)水農業(yè)等精細農業(yè)，可在線提供實時土壤墑情數據，從而提高防汛決策系統的洪水預報精度和抗早決策依據。