土壤水分测量系统设计与实现

基于CC2480的土壤温度和水分梯度测量系统比较匮乏，数据汇总难度较大。

传统的测量方式获取的土壤温度和水分数据，在测量精度、数据采集量、可靠性方面远远不能满足现今高精度、网络化、智能化的测量需求。

与此同时，传统的土壤温度、水分测量仪器也只能测得单一的土壤表层的温度、水分数据，缺乏能够在大范围区域和土壤的垂直梯度方向上完整、实时、自动连续测量土壤温度、水分的方法和仪器。

随着现代工业自动化技术的不断进步，ZigBee 无线通信技术的发展日益成熟，其被广泛应用于无线传感器测量网络、自动气象站、智能交通、智能家居等众多领域。

ZigBee 无线通信技术的低功耗、短距离、低成本、布网灵活等特点十分适合用于需要自动连续采集数据、局域分布测量、大范围联网数据处理的测量场合。

通过ZigBee 无线网络可以方便地实现多个土壤温度、水分传感器的分散布局，从而可以方便地实现土壤测量参数的收集处理。

1 系统设计原理及结构系统的前端数据采集包括土壤温度、水分传感器若干组，具体根据测量的区域范围大小来定。

每组传感器在待测土壤垂直梯度方向上以每隔20 cm 间距依次布局7～8 个左右的传感器。

在待测土壤区域垂直挖掘出一个深度d≥1．5 m 的圆柱形深坑。

同时将传感器通过类似于卡座固定于直径小于深坑的不锈钢圆管之中，在埋置不锈钢圆管时先在管外埋土，最后往不锈钢圆管内注入土壤。

传感器梯度埋设如图1 所示。

土壤温度和水分传感器信号分别经过前端信号的放大和采样电路送至各个传感器节点上的模数转换通道进行A／D 转换。

为了实现多路的土壤梯度温度、水分测量，传感器节点通过单片机引脚信号来控制多路模拟开关，实时自动选择所需转换的通道。

每组传感器节点自动地建立一个网络，整个无线网络拓。

基于土壤湿度监测的智能浇灌系统设计摘要智能浇灌系统在现代农业生产中起到了至关重要的作用。

为了满足农业生产的需要，本文设计了一种基于土壤湿度监测的智能浇灌系统。

该系统采用了传感器和控制器进行土壤湿度的监测和浇灌的控制，通过计算机算法实现了自动浇灌的过程。

实验结果表明，该系统具有较高的精度和可靠性，可以有效地提高农业生产的效率和收益。

关键词智能浇灌系统；土壤湿度监测；传感器；控制器；计算机算法简介随着农业技术的发展，越来越多地采用智能浇灌系统来提高农业生产的效率和收益。

智能浇灌系统通过传感器对土壤湿度进行实时监测，并根据计算机算法进行自动浇灌，以达到节约水资源、提高农业生产的目的。

本文将介绍一种基于土壤湿度监测的智能浇灌系统的设计方案。

该系统可实现自动化浇灌，不仅能够节约水资源，而且可以确保植物拥有所需的水量。

介绍系统的组成部分和工作流程后，我们将对该系统进行实验验证，并分析实验结果，最后对该系统进行总结和展望。

系统组成智能浇灌系统由传感器、控制器和计算机算法三个部分组成，如图所示。

智能浇灌系统组成示意图智能浇灌系统组成示意图传感器传感器是智能浇灌系统的重要部分，它用于检测土壤湿度。

传感器采用电容式测量方法，即通过读取土壤与探针之间电容器对土壤贡献值的变化来计算状态。

控制器控制器用于控制浇灌系统的开关，根据计算机算法的结果来控制水泵开启或关闭。

该控制器采用可编程逻辑控制（PLC）技术，可以设置适当的浇灌时间和水量。

计算机算法计算机算法是智能浇灌系统的核心，用于计算当时土壤湿度与预设湿度之间的差异，根据差异来控制水泵的开启和关闭。

该算法的原理如下：•计算当前土壤湿度；•与预设湿度进行比较；•如果差异大于设定值，将水泵打开，浇灌植物；•如果差异很小，或不足够进行浇灌，将水泵关闭。

工作流程智能浇灌系统的工作流程如下：1.启动系统2.系统开始工作，传感器监测土壤湿度3.将土壤湿度的读数传回给控制器4.控制器根据计算机算法的结果控制水泵的开启或关闭5.系统工作一段时间后，进入休眠状态。

智能农业中的土壤监测与养分管理系统设计与优化随着科技的不断发展和智能化的进步，智能农业正逐渐成为农业领域的新趋势。

其中，土壤监测与养分管理系统在智能农业中起着至关重要的作用。

本文将探讨土壤监测与养分管理系统的设计与优化，以提高农业生产的效率和质量。

1. 土壤监测土壤监测是农业生产中不可或缺的环节之一。

传统的土壤监测方法繁琐且耗时，无法满足现代农业对高效、精确监测的需求。

因此，设计一个智能的土壤监测系统是必不可少的。

首先，智能土壤监测系统应能实时感知土壤的水分含量、温度、养分含量等关键参数。

这可以通过传感器和其他监测设备实现。

传感器可以精确地测量土壤的水分含量，并将数据传输到数据处理单元进行处理和分析。

其次，智能土壤监测系统还应具备数据分析与决策支持的能力。

通过分析土壤监测数据，系统可以为农业生产提供精确的决策支持，例如合理施肥和调整灌溉计划等。

此外，系统还应能够结合气象数据和植物生长特征进行综合分析，从而为农民提供更准确的决策建议。

最后，智能土壤监测系统还应具备相应的远程监控和云平台技术。

农民可以通过手机、平板电脑等设备随时随地监测土壤状态，并获得实时的监测数据。

云平台技术可以用于数据存储和管理，保证数据的安全性和可持续性。

2. 养分管理养分管理是农业生产中的关键环节，对于提高作物产量和品质具有重要作用。

智能农业中的养分管理系统应能够精确测量土壤养分含量，并根据实时的监测数据进行合理施肥。

首先，养分管理系统应能够根据土壤监测数据进行养分评估和需求分析。

通过精确的数据分析，系统可以确定土壤养分的缺失和过量，从而提供合理的施肥建议。

此外，系统还应能够根据作物的品种、生长期和生育阶段等因素进行个性化的施肥计划。

其次，养分管理系统应能够实现智能施肥和精准施肥。

智能施肥可以根据土壤监测数据和作物需求自动调节施肥量和施肥时间。

精准施肥则需要根据作物生长情况和养分需求，选择合适的肥料种类和施肥方法。

最后，养分管理系统应具备数据记录和追溯功能。

.选题的目的和意义水是生命之源，是一切生物存在的基本保证。

水是干旱区最重要的控制因素（唐立松、张佳宝和程心俊2002），是植物生存的主要限制因子（刘发民，张应华和仵彦卿2002）。

随着全球人口数量的急剧增加，水在农业上工业上使用量都急剧增加，造成了全世界范围内水资源短缺问题的急剧恶化。

农业作为人类生存最为重要的基本产业也面临着前所未有的水资源危机。

水资源稀少导致越来越多的研究工作者将目光投向了节水灌溉这一领域。

所以发展节水灌溉型现代化农业势在必行，而且通过实时测量土壤水分含量反映农作物成长情况是未来农业的发展方向。

中国作为世界上人口最多的国家，其粮食问题尤为重要。

由于中国平原面积相对于总体面积来说比较少，农村人口数量很大，在全国范围内推广大型机械化农业还不太现实，而西北干旱半干旱地区面积很大，水的制约因素尤为明显，精细农业已经成为中国现代化农业发展的必要阶段。

精细农业是指基于变异的田间管理手段。

传统农业认为农田管理是均一的，就是在施肥管理上都是用统一量来进行。

实际上，农田中是存在很大差别的，传统农业的做法有很大弊端，第一浪费了资源，第二破坏了环境。

精细农业本身是一种可持续发展的管理方式，为了完成这一目标必须有以下三个方面的工作：一是田间数据；二是作业决策；三是机器完成。

这三方面中的第一方面尤为重要，只有将田间数据实时地精确地采集出来，才能对农业系统做出正确的决策，才能使得机械执行获得效益最大化。

科技发展使得传感器技术日益成熟，在实时性和精确性都有大幅度提高，使得精细农业和自动化农业越来越容易实现。

土壤含水率是精细农业中的一项重要指标，是土壤中水分的直观反映，在节水灌溉系统中有着非常重要的意义。

根据精细农业的概念，一块耕地的水分情况不是均一的，而是存在很大的差距。

通过实时测量不同子地域的土壤含水率，控制不同子地域灌溉系统来保证植物所必须的水分，以达到最优生长。

土壤水分的动态变化反映了作物的水分供需状况，对土壤水分及其变化的监测是生态、农业、水文、环境和水土保持研究工作中的一个基础工作（李兴涛，尹盟毅，赵晓峰，等2010）。

土壤水分特征曲线测定实验实验原理张力计插入土样后，张力计中的纯自由水经过陶土壁与土壤水建立了水力联系。

在非饱和土壤中，仪器中的自由水的势值总是高于土壤水的势值，因此，仪器中的自由水就会透过陶土管进入土壤，但因陶土材料孔隙细小，孔隙中形成的水膜不能使空气通过，而只能让水或溶质液通过（但如果压力过高水膜破裂，空气就会透过，这时的压力称为透气值），因而在仪器内形成一定的真空度，由仪器上的负压表读出。

最后当仪器内外的势值趋于平衡时，仪器中水的总水势Φwd与土壤中土水势Φws应该相等，即：Φwd＝Φws土水势的完整表述为：Φ=Φm+Φp+Φs+Φg+ΦT因为陶土管为多孔透水材料，并非半透膜，故溶质也能通过，最后达到内外溶液浓度相等，相等。

坐标0点选在陶土头中心，则陶内外溶质势Φs相等。

仪器内外温度相等，温度势ΦT土头中心的内外重力势Φg相等。

这样仪器中和土壤中的总势平衡可表述为：Φmd＋Φpd＝Φms＋Φps式中，Φps为土壤水的压力势，Φms为土壤水的基质势，Φpd为仪器内自由水的压力势，Φmd为仪器内自由水的基质势。

在非饱和土壤中，土壤水所受的压力为大气压（基准状态），故Φps应为零，又仪器中自由水无基质势存在，故Φmd亦为零，所以：Φms＝Φpd＝ΔP D+z为负压表显示的负压值（小于0），z为埋藏在土中的陶土管中心与土面以上负式中，ΔPD压表之间的静水压力即水柱高，（向上为正，大于0）。

即可得到土壤水的基质势。

按定义土壤水吸力为基质势的负值，因而即可测得吸力值。

－zS=－Φms＝－ΔPD），则S=P－z如果负压表读数记为P（大于0，即P＝－ΔPD另外，在计算土样中水分的变化时，还应考虑集气管中水分的变化量。

实验内容与设计1. 土样：粘土、砂壤土2. 容重：1.3g/cm3 、1.4g/cm33. 方式：脱湿：配置饱和土样，在室内自然蒸发，测定整个过程中土壤含水率与吸力关系曲线。

单点：用16个土样，分别配置指定含水率，测定该含水率下的吸力值，连成特征曲线。

土壤墒情监测（技术设计与、设备）1土壤墒情监测技术设计土壤墒情监测是通过常年降雨量、温度、湿度和光照的观测记录，对监测点所在区域不同层次土壤含水量、农业生产技术配置、作物长势、灾害性天气等观测记载。

掌握‘土壤水分’动态变化规律，了解降水、灌溉及土壤水分变化与农业生产之间的关系，从而为农业生产的抗旱减灾和提高水资源生产效率提供科学依据。

1.1土壤墒情监测站的建设按照农业部土壤墒观测站建设要求，每个县建立土壤墒情监测自动观测点4个（按每个县不同海拨高度设置监测点），各监测点具体位置分在××乡××村。

1.2土壤墒情观测的方法自动监测点是以土壤水分测试仪和小型气象站进行实时自动监测。

安装土壤墒情与旱情管理系统，将土壤水分测试仪4个测量传感器分别水平埋入10cm、30cm、50cm、80cm的土层中，各传感器与多通道数据采集器连接。

1.3数据采集自动墒情监测点的数据设置为每日记录24次，每隔一小时自动记录一正文 第1页 共3页次，必须及时下载数据，防止数据丢失。

1.4土壤墒情的分析与评价采用实验归纳法，按不同作物、不同土壤质地分别建立土壤墒情等级评价指标。

据作物主要根系分布层土壤含水量对作物的满足程度划分为‘涝渍、适宜、轻旱、中旱、重旱、极旱’等7个等级。

对监测数据进行整理分析，与作物长势相结合，以‘土壤质地、土壤含水量、田间持水量、毛管断裂含水量、凋萎含水量、主要根系分布层深度和受旱作物比例’为评价因子，对土壤墒情做出科学评价，结合当实际，提出解决旱情和涝情技术措施。

1.5信息汇报每月10日和25日将土壤墒情监测数据上报省土肥站，在农作物播种期、关键生育期和气象灾害发生起，增加检测频率和报告次数；省土肥站将监测数据汇总分析后，上报全国农技中心农业节水信息网。

并且各监测县每月编写一期土壤墒情监测简报上传中国节水农业信息网。

2土壤墒情监测点所需仪器自动墒情监测点需要仪器：（1）土壤墒情与旱情管理系统，型号TZS-12J，包括6个探头、无线接收模块部分、信号节点主板、太阳能、蓄电池、发射器、防雨箱和架子；（2）土壤旱情指标评价系统（软件）；正文 第2页 共3页（3）防锈铁丝网围栏（2.5长，2米宽，2.5米高），耕地占用费（5平方米20年使用费）。

面向智慧农业的精准灌溉系统设计与实现随着社会经济的发展和人口不断增长，粮食安全成为各国政府和社会的共同关注点。

而早期的灌溉方法由于存在种种问题，无法满足农业生产的需求。

为了更好地实现农业的可持续发展，越来越多的人开始采用智慧农业的方式，而具体来说，精准灌溉技术在智慧农业中扮演着相当重要的角色。

精准灌溉技术的定义及意义简单来说，精准灌溉技术是指依靠先进的传感器和控制系统对农田中的灌溉进行监测和管理，以达到节水、提高水利效益、减少污染和涵养水源等目的的一种先进技术。

实现精准灌溉技术主要需要以下几个方面的技术支撑：传感器技术、地理信息系统技术、水资源评价定价技术、模拟与优化技术、水资源经济管理与规划技术、农业生态环境保护技术等。

在实际运用中，精准灌溉技术具有以下几个方面的重要意义：1. 节约用水，降低灌溉成本。

通过精细控制和监测，可以准确地计算需要灌溉的水量及时间，避免农户盲目浪费灌溉水源，降低灌溉成本和人工管理费用。

2. 提高灌溉效益，促进农业生产发展。

提高了灌溉水的利用效率，使植物能够获得恰当的水分，从而提高作物产量和品质，并改善了土地质量。

3. 保护水资源，促进生态环境发展。

通过科学的灌溉方式，避免因过度灌溉对土壤的盐渍化、水资源的浪费等问题，保护水资源，减轻环境污染。

4. 推动智慧农业发展。

随着现代技术的发展，互联网和大数据产生了重要的影响，利用精准灌溉技术，灌溉过程的监测和管理可以通过物联网进行实现，可以为智慧农业的发展提供有力的支持。

实现精准灌溉系统的技术方案实现精准灌溉系统要想达到预期的效果，需要有完善的技术方案和具体的落地实践。

下面着重介绍一下实现精准灌溉系统的技术方案。

1. 传感器技术：基于农业自动化的实现，通过灵敏的传感器（如土壤毛细管压力传感器、土壤温、湿传感器、大气温湿度传感器、植物参数传感器等）来实现农田内环境参数的精确监测。

而利用这些数据，系统能够精确定量测量灌溉水文参数，优化灌溉工艺，减少浪费，最终实现资源的节约。