物联网与土壤墒情速测仪在土壤墒情监测中的应用
摘要：2009年8月7日温家宝总理在无锡视察中科院物联网技术研发中心时指出，要尽快突破核心技术，把传感技术和TD的发展结合起来，提出建设感知中国中心，大力发展传感网、物联网。物联网等新兴战略性产业写入了政府工作报告。目前我国物联网已经在很多领域得到应用，如交通、环保、城市安全、水库水位、森林防火等等。根据物联网的定义和原理，作者分析，利用物联网监测土壤水分是完全可行的，是有科学根据的和技术基础的。而土壤墒情速测仪利用现代传感技术，很方便的检测出土壤的水份、温度、盐分等参数。只需计算机软件和物联网技术开发人员与水利科技人员联合起来，把计算机技术和物联网技术与水利科学知识结合起来，开展进一步的开发研究，利用物联网和土壤墒情速测仪进行土壤水分监测的目标指日可待。
关键词：物联网；土壤墒情；土壤墒情速测仪；传感器；土壤水分。
一、综述
二十一世纪是科学技术突飞猛进的时代，互联网、3G、云计算、物联网等等新名词不绝于耳。各行各业都争相利用先进的科学技术，提高工作效率，水利的发展也要跟上时代的步伐，充分利用科学技术的进步带来的发展机会。
物联网（The internet of things）就是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、以及各种信息传感设备采集物体的信息，按约定的协议，把这些信息与互联网相连，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。通俗一点讲，物联网实际上就是将实体的信息通过无线通信机制记录到局部或互联的信息系统中，通过互联网或内部网络，可以实现实体信息的处理与高效运用。
我们根据土壤水分的监测的原理和布局的特点，提出利用物联网和土壤墒情速测仪相互合作进行土壤水分的监测，想以此推动水利事业的现代化进程。
二、物联网的基本概念
物联网由感知层、网络层、应用层组成。
感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、水分传感器、二维码标签、RFID和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层相当于人的感官，即人的眼耳鼻喉手脚和皮肤等神经末梢，它是物联网获识别物体，采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。
网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。
应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。
国际电信联盟的报告指出物联网有四个关键性的应用技术：RFID，传感器，智能嵌入技术（如智能家庭和智能汽车）以及纳米技术。
目前在我国物联网已经成功应用在交通、环保、城市安全、水库水位、森林防火等等领域。
三、土壤墒情速测仪简介
土壤墒情速测仪又名土壤温湿度记录仪，主要用来测量土壤的墒情，了解土壤的一些情况。仪器型号：TZS-1K，该产品为托普仪器设计研发并生产制造。仪器带有软件和GPRS定位功能，测量结果和测量地点一一对应，能够反映土壤墒情的空间差异，不仅有利于实施节水灌溉，同时精确的供水也有利于提高作物的产量和品质。实现了含水率和三维位置信息的自动采样处理。
3.1、土壤墒情速测仪用途
土壤墒情、湿度是土壤墒情的重要指标，是土壤的重要组成部分，对作物的生长、节水灌溉等有着非常重要的作用。通过掌握土壤的水分的分布状况，为差异化的节水灌溉提供科学的依据，同时精确的供水也有利于提高作物的产量和品质。
3.2、土壤墒情速测仪功能特点
1、体积小巧美观便于携带，触摸式按钮，大屏幕点阵式液晶显示，操作方便，全中文菜单操作，操作简捷方便。
2、一键式切换，可以手动记录也可脱离电脑随时设置采样间隔，自动记录数据。
3、实时显示功能，把仪器与电脑连接，就可以在电脑上实时显示参数曲线。
4、具有手动、自动和电脑锁定三种模式可选择，三种模式用户可根据需要自行设定。
5、交直流两用，即可拿到野外随时测量采集数据，也可长时间放置记录地点。
6、数据保存功能强大，最大可储存130000条数据，即可在主机上查看数据，也可导入计算机。
7、断电后已保存在主机里的数据不丢失。
8、计算机软件具有强大的数据处理功能，可把采集数据形成曲线图，直观显示。也可对采集的数据存储为EXCEL电子表格文件，方便用户保存和处理数据，或利用专门的软件
9、进行数据处理，绘制棒图、饼图，打印等，软件永久免费升级。
10、探头具有一致性，不同参数探头插口可互换，不影响精度。
11、仪器具有32通道同时检测的扩展功能，可以实现多点同步检测。
四、土壤墒情的基本概念
土壤墒情监测是水循环规律研究、农牧业灌溉、水资源合理利用、及抗旱救灾基本信息收集的基础工作。土壤水分的监测又是土壤墒情监测的最重要的部分。
土壤墒情包含的内容不仅仅是土壤水分，土壤墒情是同气象条件、土壤、土壤的水分状态，作物
种类及其生长发育状况密切相关的，因此可以认为土壤墒情应该包括气象条件、土壤的物理特性、土壤的水分状态，作物种类及生长发育状况。可以概括为土壤墒情的四要素。
4.1 气象要素
气象观测要素主要有降水量、气温、气压、湿度、风速、水面蒸发量、低温、日照等。墒情检测区域内气象观测场的建设应符合气象观测场的规范要求。气象观测场需记录每日的降水量、日平均气温、最高气温、最低气温、日平均湿度、日最高、最低相对湿度、日平均气压、日平均低温、最高地温、最低地温、日平均风速、日水面蒸发量、日照时数等。自设气象站的仪器和设备应按气象部门的要求配置，并按气象部门的观测规范来进行气象要素的观测、记录和资料的整编。
4.2 土壤的物理特性及土壤含水量
土壤的物理特性由土壤的质地、土壤的结构、土壤的比重、土壤干容重、土壤孔隙度来表达土壤质地由当地的土壤颗粒级配情况来决定，土壤质地的判别方法采用国际标准分类方法来进行。土壤垂向分布有层次结构时，需分析不同层次的土壤质地和其他的土壤物理特性。土壤水分常数是土壤水分特性的重要指标，主要有饱和含水量，田间持水量、凋萎含水量及作物不同生长期适宜的含水量。土壤含水量是墒情和旱情检测的主要指标。
4.3 浅层地下水
浅层地下水水位的变化及地下水埋深是影响土壤墒情变化的重要要素之一。地下水观测要素为地下水位、地下水埋深、地下水温度、地下水质等要素。平原区浅层地下水埋深不大的地区应观测地下水水位的变化和地下水埋深。当观测土壤含水量的代表性地块附近有地下水测井时，可利用于地下水位变化的观测，地下水井所在地块和土壤含水量检测地块的高程应基本相同。记录地下水井的位置，周围的地貌地物，并调查地下水井的用水情况和用水规律，当水井为灌溉水井时，灌溉抽水期资料不能用于地下水位的观测。在地下水埋深浅的地区，邻近土壤水观测点无地下水测井时应建专用的地下水位测井。测量地下水井的地面高程、收集多年平均地下水位、最高地下水位、最低地下水位，最大、最小地下水位，最大和最小地下水埋深值。当地下水井有自记水位计时，可收集日平均地下水位，月平均地下水位，月和年的最高和最低地下水位，最大和最小地下水埋深值。
4.4 作物生长发育状况及墒情要素
国家和地方的墒情监测站点应收集代表区域的作物种植情况，即作物的种类，作物的分布情况及各种作物占总面积的百分比。观测土壤含水量的同时记录作物的播种日期，作物生长发育期，观察作物的生长发育状况。记录代表地块的作物的水分状况。记录地表地块的作物的水分状态，以涝、渍、正常、缺水、受旱等分级来表示。收集不同作物、不同生长期的适宜土壤含水量资料。此含水量一般以土壤相对湿度来表示。旱地田间积水时间超过24小时为涝、地下水面达及土壤表层为渍、土壤含水量小于适宜土壤含水量时为缺水（脱墒）、土壤含水量小于凋萎含水量时为受旱。收集不
同作物不同生长期脱墒和受旱的临界含水量资料，记录脱墒和受旱开始的日期，受旱的天数，代表区域干旱程度及干旱的分布情况
以上要素均可以利用物联网来观测。
本文，我们重点叙述一下物联网在监测土壤水分方面的应用。
五、利用物联网与土壤墒情速测仪监测土壤水分
随着物联网概念的风生水起，以及传感技术的发展，利用物联网监测土壤水分势必是将来土壤水分监测的发展方向。也是水利科研工作者的一项重要的研究内容。
无论是何种实体，都有相应的属性信息存在，土壤也有它本身的属性信息，包括容重、含水率、温度等等，我们这里研究的是利用物联网观测土壤水分。
目前我国土壤水分的监测主要有五种方法：
（1）烘干法
烘干法,是利用取土钻，洛阳铲等等采集土壤样本，进行编号，然后会实验室进行称重、烘干、再称重，从而计算出土壤的含水率。这种工作方法十分的繁琐，耗费大量的人力物力，工作效率极低。
（2）张力计法
张力计法是根据土壤水吸力与土壤含水量的关系绘制成的水分特性曲线表征土壤持水性能,用以研究土壤水分的能态变化规律。
（3）中子水分仪法
中子水分仪法是根据快中子易被氢原子核慢化的原理制成的。可以测定各种物质，如硅砂、砂岩粉、碱等的水分含量，当然测定土壤含水量也是它的重要用途。
（4）时域反射法
时域反射法是利用电磁波在不同介质中的传播速度的差异来测定土壤含水率。通过测定土壤的介电常数来计算土壤水分含量。测定结果会受到土壤质地、密度、温度等环境条件的影响。
（5）频域法
频域法是利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)。
广义地来说，除了烘干法之外的其他方法使用的仪器都可以看作是传感器。这为物联网监测土壤水分积累了条件。
利用物联网监测土壤水分，其原理是通过土壤水分传感器进行土壤水分数据采集，按约定的协议，将采集的信息与互联网相连接，实现智能化定位、监控和集中处理。
利用物联网与土壤墒情速测仪监测土壤水分的主要硬件包括：
土壤水份速测仪、传感器、遥测终端机、通信设备、计算机。
信息采集系统：信息采集系统的主要环节有监测、传输、处理和信息上报等，主要设备有传感遥测终端机、通信设备和中心站设备等等。
土壤墒情速测仪用来测量土壤含水量，常见的传感器有中子法传感器、微波法传感器和电容法传感器。
遥测终端机用来完成被测数据的采集、存储和传输控制，并且通过通信设备完成数据传输。
通信设备包括调制解调器，收发信机、专用数字通信机和天馈线。
中心站设备主要包括通信设备，通信控制中心计算机，网络设备和电源等等。
当然，利用物联网监测土壤水分还需要特别的软件，还有待于计算机软件和水利科技人员开发研究。
六、温馨提示：
浙江托普仪器专业生产土壤（肥料）养分速测仪,土壤墒情速测仪,农药残留速测仪,病虫测报灯,病虫调查统计器,孢子捕捉仪等农业专用仪器，此项目仪器均为我公司自主研发生产，多项产品获得国家发明专利和实用新型专利，已获得软件著作权30多项,仪器均通过第三方检测,公司已通过ISO9001:2008质量体系认证。高知名度品牌及高端的资质配套为客户选择放心的产品和服务提供有力依据，为经销商投标成功提供有力的保障！
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