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［提要］ 土壤环境直接影响着农作物的生长和产出，农业土壤监控系统能实时监控土壤的环境参数，对现代农业高效生产、科学管理有着重要作用。本文介绍一款采用物联网架构设计的土壤监控系统，不仅实施成本低、系统稳定性好，还能实现土壤参数的实时监控，为规范我国农业生产、促进农业经济发展提供有效保障。
关键词：物联网；农业；土壤监控；系统
浙江省供销社课题：“基于物联网的农业用地土壤智能监控系统的研究”（课题编号：13SS10）
中图分类号：F32 文献标识码：A
收录日期：2015年10月26日
我国是一个耕地紧缺的人口大国。近年来，随着环境日益恶化和城市化进程，人口增多和可用耕地面积减少成为不可逆转的矛盾。在自然经济条件下的传统农业生产存在管理粗放，生产技术落后，抵御自然灾害能力差，滥施化肥、农药导致土壤环境恶化，生态系统功效低等问题，农业生产方式改革刻不容缓。土壤环境直接影响着农作物的生长状况，而农作物的生长又会反作用于土壤环境，因此对土壤环境进行实时监控、及时调整相关参数，能够有力促进农作物增产增收。土壤监控系统可以根据不同的监控对象和场合，利用多种先进的传感器和信息技术手段采集、存储、分析、利用土壤环境信息，科学决策农业生产。
一、物联网技术应用于我国农业
进入21世纪以来，随着以传感技术为代表的智能识别技术快速发展、移动通信网的扩容和多种智能终端设备的迅速普及，物联网（IOT）技术在现代农业中的应用逐步拓宽。现代农业生产管理涉及土壤信息采集、智能信息处理、农业信息库、专家系统、智能农机设备、市场分析等多个方面，涵盖了生物、信息、机械、经济等多个领域，呈现出多学科交叉的特点。
国外对农业物联网和土壤环境监控的研究较早，以欧美为代表的发达国家，在信息技术和大规模农业生产方面积累颇多，目前他们在农业信息网络建设、农业信息技术开发、农业信息资源利用等方面，利用“5S”技术（GPS、RS、GIS、ES、DSS）、环境监测系统、气象和病虫害监测预警系统等，对农作物生产进行精细化管理和调控，节约了人力资源，优化了种植水平，取得了较大成就。
我国农业存在耕地高度分散、生产规模小、时空变异大、量化和规模化程度差、稳定性和可控程度低等问题，另外由于广大农民知识水平较低，过于复杂的农业信息化设备难以得到推广应用。农业物联网的研究带动了土壤环境监控系统的发展，不仅能给农业生产带来科学管理和高效益，也为农业信息化提供了可靠的硬件基础，其快速发展将为中国农业与世界同步提供发展平台，也将对传统农业产业升级起到巨大的推进作用。
二、土壤监控系统需求分析
土壤环境涉及到害虫分布密度、空气温度、空气湿度、光照强度、风速风向、降雨量、土壤湿度、土壤温度、各项有机质、微量元素和农作物生长形态等多种相关参数。土壤环境对于农作物的生长发育具有重要影响，对土壤环境实施全方位实时监控，及时调整相关参数，可以有力促进农业增产增收。
现有土壤监控网络大多存在网络建设成本高、公共网络接入速率低、操作复杂、网络覆盖范围小、信息难以共享等不足，一定程度上影响到土壤环境监控网络在现代农业生产中的普及推广。基于农业物联网架构的土壤环境监控系统可以达到低成本、低功耗、大区域、多参数、多地点、高接入速率等要求，并实现空气温度、湿度、土壤湿度、光照强度及水环境PH值和农作物生长形态的多参数实时在线监控。
实现土壤环境监控可以在农业生产现场设置多个参数感知节点，准确感知土壤环境信息和作物信息，通过标准化的传感网络汇集到网关。在多地布设土壤环境监控点，即可实现省级乃至全国范围的土壤情况信息共享，也可以将数据存储在服务器，用作农业基础数据库，指导农业生产，有利于防治各类病虫害和气候环境灾害，达到提高农产品产量和品质的目的。
三、土壤监控系统整体设计
（一）系统架构设计。土壤监控系统支持GPRS组网与3G移动通信网、TCP/IP网络的连接，通过GPRS进行无线数据的传输。GPRS是在现有GSM网络上开通的一种新型的数据传输技术，采用分组交换方式，提高了无线信道和核心网络的使用效率。在土地上安置基于无线传感网络的感知节点，利用节点的数据采集模块获取数据参数，即土壤湿度、土壤酸碱度、光照度等。采用异构数据存储土壤数据，提高存储能力和使用效率。采用ARM9微处理器平台的嵌入式协调器网关，内嵌Web服务器，支持远程客户对协调器网关的访问控制。
农业用地土壤智能监控系统将无线传感器网络与因特网、3G网络有机融合，系统架构可分为三层分：感知层、网络构建层和应用层。感知层由若干感知节点组成，搭载多参数传感阵列以获取田间信息，负责土壤监控数据的采集，可以在多点分别设置感知节点，保证数据采集的有效性；网络构建层设备即协调器网关，包含了ZigBee协调器模块、3G模块和以太网模块，主要负责系统的无线数据通讯，可以实时数据传输；应用层的农业环境监控中心由SQL数据库和Web服务器构成，负责数据存储和信息发布，并可根据实时和存储的数据查看土壤情况、绘制土壤情况波形图，提供智能土壤分析功能，为科学农业管理提供决策依据。
（二）系统工作流程。土壤监控系统的具体工作流程首先由土地中布置的众多感知节点将采集到的土壤状态数据汇聚到协调器网关，协调器网关负责将数据转发给远程农业环境监控中心进行存储。农业环境监控中心服务器可以根据历史数据或曲线形式显示土壤环境变化过程，并根据数据提供智能分析，农户可以通过智能手机、PC或其他智能终端访问查询环境参数，根据土壤环境变化进行合理的农业操作，也可以对感知节点和协调器网关进行控制管理操作。
四、土壤监控系统功能设计
（一）功能设计考虑因素。土壤监控系统应该能够实现多地点、多参数的监测功能。多地点是指感知节点可以被布置到多个需要监测的区域，并能统一协调进行同步数据采集。多参数是指单一节点要能够同时获取多个环境参数，将多种传感器布置在同一节点上，以充分了解农业现场信息。同时要能满足农业专家、农业技术人员、普通农民能随时随地的访问信息，以科学决策、指导、实施农业生产。考虑到我国从业农民主体上文化程度不高，应当尽量降低用户使用“门槛”。从系统在农业田间安装、管理和维护，到农户使用，每个环节都应简单易用，以提高农民使用的积极性。系统设计要尽量低成本、高效率，成本是限制农业土壤监控系统普及推广的重要因素。高效的数据处理能力、工作的稳定性是系统得到广泛应用的前提。
（二）功能模块设计。基于GPRS平台的无线监控系统由监控中心和监控终端两部分组成。监控中心是PC机与数据通信模块的组合，数据通信模块包括控制模块和GPRS无线模块；监控终端是数据通信模块与受控设备的组合。其中，监控中心的PC机及数据通信模块完成控制参数和查询命令的设置与发送以及响应监控终端的请求，监控终端的GSM/GPRS调制解调器接收控制参数和查询命令并传送给受控设备，同时将所接收到的受控设备的应答数据或操作受控设备的操作结果及状态信息回送给监控中心，监控中心的数据中心存储监控终端发来的信息，以备操作维护人员的查询，对监控终端进行及时有效的操作，使监控终端正常运行。
根据对系统结构的分析，可将系统分为以下几个功能模块：（1）节点的数据采集模块：需检测的土壤通过相关传感器，获取数据参数，即土壤湿度、土壤酸碱度、光照度等；（2）基于GPRS的无线传输控制系统：基于GSM/GPRS网络的远程无线监控系统利用其双向传输的特点，可方便地实现对于需要在田地上监测、操作和维护设备的远程控制和信息采集，实现对系统设备实行遥信、遥测和遥控；（3）监控中心模块：服务器端的监控中心可以实时查看、分析从节点上传的土壤监控数据，并对监控数据进行存储。可以根据数据绘制动态数据图形，并提供智能数据分析，为用户农业操作提供参考。农户可以通过PC或智能手机登智能终端设备实时查看土壤监控数据。
五、结论
土壤监控系统的研究应用于农业中，实现了远距离土壤湿度、土壤酸碱度、光照度测量等功能，可以快速对某区域的土壤进行测量，并实时绘出浓度分布曲线以及其随时间改变的规律，从而为灌溉、施肥等农业操作提供数据参考，具有重大的社会意义和经济价值。对于促进我国物联网技术和农业经济快速发展有着深远影响，其市场前景也十分广阔。
（作者单位：浙江经贸职业技术学院）
主要参考文献：
［1］樊志平，洪添胜.柑橘园土壤墒情远程监控系统设计与实现［J］.农业工程学报，2010.26.
［2］吴东丽，梁海河.中国自动土壤水分观测网运行监控系统建设［J］.气象科技，2014.42.
［3］陈宁.湖北省土壤水分自动站监控系统的设计与实现［J］.北京农业，2013.8. |
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