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　　摘要：农田土壤墒情对作物的生长起到至关重要的作用，为了使作物生长在适宜含水量的土壤中，采用无线通信技术设计了分布式农田土壤墒情集中监测管理系统，监测中心与农田土壤墒情监测站采用C/S架构设计。根据规划，土壤墒情监测站部署在各地的农田内，利用土壤水分传感器FDS100采集土壤水分信息，再通过GPRS网络建立与监测中心的TCP/IP网络连接将采集到的数据上传；监测中心将接收到的数据进行解析、处理、分析，获取被监测区域农田的土壤墒情，并参照作物生长发育规律，为农田管理者提供精准的灌溉指导。系统准确实时地获取了各监测站的土壤墒情信息，实现了分布式农田土壤墒情的集中监测，能够为作物的精准灌溉管理提供强有力的数据支持。 

 

　　关键词：土壤墒情；远程监测；无线通信；自动控制；精准灌溉 

 

　　中图分类号： TP274+.4；S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0428-03 

 

　　适宜的水分是农作物正常生长不可缺少的因素，干旱或者洪涝都会影响作物的产量。我国水资源非常缺乏，如何在保证增产增收的前提下，合理利用水资源进行农业灌溉是建设农业现代化的基本要求[1-3]。不同作物对水分的需求有明显差别，作物在不同生长阶段对水分的需求也不一样，有些地区的农业管理者会不定期到农田测量土壤墒情，用于指导农业灌溉，但是这种方法存在工作效率低、实时性差、准确度低的问题[4]。为了掌握农田土壤墒情的连续变化规律，笔者设计了分布式农田土壤墒情集中监测管理系统，通过水分传感器对各地的农田土壤墒情数据进行采集、处理，并通过GPRS网络将土壤墒情数据上传到监测中心，根据作物的生长发育规律，指导农田管理者进行精准灌溉，大大提高了作物产量，现将分布式农田土壤墒情集中监测管理系统介绍如下。 

 

　　1系统总体设计 

 

　　土壤墒情评价指标以土壤含水量占田间持水量比值的比重来表示[5]。为了获得农田的土壤墒情信息，要综合考虑该地区的土壤特性、作物分布、地势等因素，选择有代表性的采样点。这些采样点一般数量多、分布广，很难通过铺设线路方式进行数据通信，考虑到数据传输量不是很大，为此，采用覆盖广泛的GPRS网络实现系统数据的交互。分布式农田土壤墒情集中监测管理系统主要由土壤墒情监测点、农田土壤墒情监测站、集中监测中心、通信网络等组成。系统整体结构如图1所示。系统中农田土壤监测站与集中监测中心采用C/S架构设计。由于单点监测容易出现随机性，影响测量的准确度，为提高系统的监测精度，在每个监测站周围50 m处均匀设置4个监测点，每次上传的数据均来自这4个监测点，采用剔除均值法对这4个数据进行处理，大大提高了系统的测量精度。考虑到监测点节能、数据量不大等因素，农田土壤监测站与土壤墒情监测点之间采用ZigBee无线网络进行数据通信，每个监测点只需要1节干电池就能工作半年以上，保证系统能够长时间运行。 

 

　　根据系统设定，农田土壤墒情监测站定时向监测点发送测量指令，并接收监测点返回的土壤墒情数据，剔除均值后，将监测站ID、采集时间、土壤墒情等数据按照规定的通信协议打包，再通过GPRS网络与集中监测中心建立的TCP/IP网络连接上传。集中监测中心可设置为自动获取数据，还可按设定的时间间隔设定采样频率，实现连续或者动态监测土壤墒情数据。由于GPRS网络是基于IP地址的数据分组通信网络，集中监测中心主机需要配置固定公网的IP地址，各农田土壤监测站使用中国移动通信公司的SIM卡。在监测中心利用管理软件对信息进行统计处理，当土壤水分过高或者过低时，系统通过控制GPRS模块向指定的农田管理者发送实时的农田土壤墒情预警短消息；系统还可产生各种报表输出，并将数据进行图形化显示，实现了农田土壤墒情数据的可视化管理[6]。 

 

　　2监测站硬件平台及工作原理 

 

　　系统的农田土壤墒情监测站、监测点共用同一个硬件平台设计，都采用MSP430F149作为控制器核心，只是在扩展接口上添加相应的功能模块，并编写程序。 

 

　　2.1农田土壤墒情监测站设计 

 

　　农田土壤墒情监测站硬件平台采用控制器MSP430F149作为监测站的核心，主要由ZigBee收发器CC2530、土壤水分传感器FDS100、GPRS通信模块SIM300C、太阳能电池板、蓄电池、电源管理等单元组成（图2）。由于农田电网不是很健全，为给系统提供持续稳定的电能，采用太阳能发电方式为系统供电。白天通过太阳能电池板接收光照，并转化为电能储存在蓄电池内，夜间系统利用蓄电池供电，保证了系统持续供电，即使遇到阴雨天，蓄电池的容量也可以维持整个系统运行1～2周[7]。 

 

　　2.1.1控制器MSP430F149控制器MSP430F149主要负责处理、运算、协调各模块之间的工作，通过串口与ZigBee无线通信模块CC2530连接，直接访问内部寄存器、存储器，实现点对点或者点对多点的快速组网。控制器MSP430F149的串口与GPRS通信模块SIM300C连接进行数据通信，实现网络配置、数据收发。 

 

　　2.1.2ZigBee收发器CC2530组建ZigBee网络的通信模块选取了适应2.4 GHz IEEE802.15.4的RF收发器CC2530芯片，它具有优良代码预取功能的低功耗8051微控制器内核，并提供了与MUC之间通信的接口，可以方便地发出命令、配置参数、读取设备状态、收发数据[8]。4种供电模式之间可以自由切换，且转换时间较短，进一步确保了低功耗的工作状态，是一整套完整的片上系统解决方案。每个ZigBee节点都有唯一的ID，通过8位拨码开关实现设置。

 

　　2.1.3GPRS通信模块SIM300C系统中的GPRS模块采用的是新一代GSM/GPRS模块SIM300C，能工作在EGSM900、DCS1800、PCS1900 3个频段；提供GSM 语音、短消息、GPRS上网等业务；内置集成了完整的TCP/IP协议栈[9]；提供端到端的广域无线IP连接，工作时的最大下行传输速度为 85.6 kb/s，最大上行速度为42.8 kb/s。监测站将数据打包处理后，通过串口以字符串的形式发到GPRS模块SIM300C上，模块SIM300C与附件的GPRS基站通信，移动基站的SGSN再与网关支持接点GGSN进行通信；GGSN对分组数据进行相应的处理后，再进行TCP/IP协议转换将数据打包，再由SIM300C模块以GPRS数据包的形式将数据发送到移动的CMNET，最后通过GPRS的服务接点GSN将数据发送到 Internet 上，根据监测站对目标地址的设置，寻找Internet上监测中心服务器主机上的IP地址、端口号[10]。

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