土壤墒情自動監測係統介紹

一、係統定義(yi) 與(yu) 學科定位

托普雲(yun) 農(nong) （kaiyun开云真人）土壤墒情自動監測係統（典型如TPFS‑WS係列土壤墒情監測站/自動土壤水分觀測儀(yi) ），是一套集頻域反射或時域反射原位傳(chuan) 感、多深度剖麵布設、低功耗數據采集傳(chuan) 輸與(yu) 雲(yun) 端智能分析於(yu) 一體(ti) 的農(nong) 業(ye) 水文物聯網（IoT）監測節點。該係統用以替代傳(chuan) 統的烘幹法、酒精燃燒法等破壞性間斷取樣，實現農(nong) 田、林地、草地根區剖麵上土壤體(ti) 積含水量、土壤溫度及可選的電導率（EC，表征鹽分）等參數的連續、無人值守、分層同步監測，是開展土壤—植物—大氣連續體(ti) （SPAC）水分傳(chuan) 輸研究、旱情預警及精準灌溉決(jue) 策的基礎觀測設施。

二、測量原理

FDR/TDR介電常數反演法：土壤介電常數（ε）隨含水率顯著變化（水的ε≈80，幹燥礦物土壤ε≈3～5）。FDR傳(chuan) 感器向土壤中發射高頻電磁波，測量由土壤介電特性決(jue) 定的電路諧振頻率或阻抗變化，建立ε與(yu) 體(ti) 積含水率的經驗或標定函數關(guan) 係反演VWC；TDR則通過測量電磁波沿傳(chuan) 輸線在介質中的傳(chuan) 播時差計算ε。二者均為(wei) 原位非破壞式測定，可反映原位狀態下根係層水分真實動態。

分層剖麵布設：傳(chuan) 感器探針或一體(ti) 化管式探頭按作物主要根係分布深度（通常分設若幹典型土層）垂直埋設或打入，實現同一測點不同深度水分—溫度梯度的同步捕獲，用於(yu) 分析降雨/灌溉入滲鋒麵運移、潛水蒸發及晝夜溫度場變化。

可選電導率補償(chang) ：部分型號集成四電極法測定土壤溶液電導率，用於(yu) 鹽漬化區的水分讀數鹽度校正及次生鹽漬化趨勢監測。

邊緣預處理：采集終端對原始信號做滑動平均濾波、異常值剔除及溫度補償(chang) ，減小探頭老化、土壤質地差異及短期電磁幹擾帶來的隨機誤差。

主機及傳(chuan) 輸部分：

1、係統供電：土壤墒情自動監測係統采用15W單晶矽太陽能板進行供電，可支持220v市電和太陽能雙電源供電，可按實際應用進行切換；

2、長效續航：內(nei) 置大容量鋰電池，可獨立工作15天以上。外接太陽能電池板，可實現連續工作；

3、一體(ti) 化數據采集：設備具有數據采集及上傳(chuan) 功能，通過標準485接口集成土壤墒情傳(chuan) 感器數據采集，包括土壤溫度、土壤水分、作物苗情圖像等參數，並通過無線通訊方式上傳(chuan) 至管理雲(yun) 平台；

4、上傳(chuan) 方式：數據可以上傳(chuan) 到自己的電腦也可以上傳(chuan) 到總服務器，可切換，無影響；

5、海拔及防盜定位功能：可測海拔高度，自動獲取海拔參數和內(nei) 置北鬥、GPS、伽利略等多種定位係統；

6、苗情圖像采集：自帶攝像頭，CMOS1/2.7英寸圖像傳(chuan) 感器，200W（1280*1080）像素，手動360°雲(yun) 台調節，支持定時拍照功能、通過遠程設定拍照時間和拍照張數，可將現場圖片上傳(chuan) 到管理雲(yun) 平台方便觀察植物實際生長情況，動態播放苗情變化趨勢；

7、嵌入式係統設計： 土壤墒情自動監測係統采用FREERTOS操作係統，提升了係統運行的可靠性、多數據采集任務的實時性、係統模塊化、CPU的高效化應用；

8、內(nei) 存容量： 係統支持TF卡配置，最少可以存儲(chu) 40萬(wan) 條傳(chuan) 感器數據，可以確保5年傳(chuan) 感器數據存儲(chu) ；

9、網絡通訊：係統支持三網通4G CAT1（可選配5G）網絡與(yu) 服務器通訊，網絡向下兼容聯通移動的2G，可隨時隨地聯網管理，支持手機App與(yu) Web端遠程查看設備信息及遠程管理操作；

10、故障排查：設備支持遠程故障在線診斷，當設備發生故障，可通過遠程在線故障診斷功能進行故障排查；

11、遠程升級：設備具有OTA遠程固件在線升級功能，可通過平台或者app，直接遠程對硬件設備進行固件升級；

12、低功耗設計：低功耗設計加太陽能互補方式，內(nei) 置大容量鋰電池，放置在野外無太陽能充電的情況下，可以連續工作15日以上，有太陽能充電的情況下，可持續工作；

13、防水設計：土壤墒情自動監測係統整機采用一體(ti) 式設計，防濕防潮設計，防護等級：IP65，土壤傳(chuan) 感器防水等級IP68；

14、結構簡約設計：2米不鏽鋼噴塑支架；金屬噴漆兩(liang) 節式支架結構，鋼質材料設計，牢靠穩固，外觀美觀；

管理雲(yun) 平台功能：

1、帶數字農(nong) 業(ye) 雲(yun) 管理平台包含B/S架構，可將所有便攜式設備及在線設備數據進行匯總分析，數據不丟(diu) 失，查看操作方式包括網頁端及手機端（安卓及蘋果係統均可用）；

2、平台支持設備數據雲(yun) 端存儲(chu) ，提供足夠容量可長期保存；

3、平台為(wei) 設備數據提供曲線與(yu) 表格等報表形式，平台內(nei) 數據、圖表均可下載，進行數據對比分析及打印且數據報表可導出；

4、數字農(nong) 業(ye) 雲(yun) 管理平台支持傳(chuan) 感器實時數據及預警狀態可視化，可顯示每種參數過程曲線趨勢，最大值、最小值、平均值顯示查看，放大、縮小功能，

5、用戶可為(wei) 作物配置傳(chuan) 感器報警條件，預置若幹常用的農(nong) 作物的報警配置。

6、數據評價(jia) ：可以設置高低超限值，可自動進行數據預警分析。

7、苗情監測：可在管理平台上查看作物生長苗情圖片，支持動態播放苗情生長過程；

8、降水預測：依據GPS準確定位，對設備所在地區預測降水情況，包括48h預測和15d預測，幫助用及時了解降水信息；係統支持土壤容重和田間持水；

9、量會(hui) 自動計算相對含水量，用戶可根據實際種植作物設定相應墒情等級，快速掌握墒情實時信息；

10、根係分析：係統支持根據傳(chuan) 感器數據，采用數據模型算法，對土壤各層水分消耗占比情況分析，自動判斷作物根係生長深度；

11、墒情趨勢分析：係統支持利用經典PM公式對作物參考蒸發蒸騰量ETo進行統計、分析和預測（7天），有助於(yu) 用於(yu) 及時了解土壤水分散失情況；用；

12、用戶可以自定義(yi) 時間查看土壤水分最值變化和當前水分所處區間，支持動態播放土壤水分變化趨勢線。

13、管理平台可對設備基礎設置管理與(yu) 遠程控製；

14、管理平台軟件支持在線升級；

四、典型應用領域

農(nong) 業(ye) 水文與(yu) 土壤物理研究：獲取高頻次、多層位連續水分動態數據集，用於(yu) 構建土壤水分消退曲線、計算作物潛在與(yu) 參考蒸散量（ETo）、分析降雨入滲與(yu) 土壤水再分配過程。

精準灌溉與(yu) 智慧農(nong) 業(ye) ：依據根區水分閾值觸發灌溉開關(guan) 或推送預警，支撐調虧(kui) 灌溉（RDI）、虧(kui) 缺灌溉製度製定，提高水分利用效率（WUE）。

區域旱情監測與(yu) 預警網絡：作為(wei) 縣級/省級墒情站網節點，結合氣象數據開展農(nong) 業(ye) 幹旱等級評定與(yu) 旱情趨勢發布。

生態恢複與(yu) 水土保持：監測造林、退耕還林還草、礦山複墾區土壤水分恢複進程，評估植被重建對土壤水庫功能的改善效果。

科研教學示範：土壤物理學、農(nong) 田水利工程課程中自動化原位監測原理演示及長期定位試驗數據產(chan) 出。

五、學術使用要點

傳(chuan) 感器埋設時應開挖剖麵將探頭置入預定深度後用原狀土回填搗實，消除探頭周圍大孔隙及空氣隙導致的測量偏高。正式使用前建議針對當地主要土壤質地（砂土/壤土/黏土）做現場標定或選用出廠中已內(nei) 置多質地修正係數的型號，以減小土壤容重、有機質含量及鹽分對介電讀數的係統偏差。FDR法在強鹽漬化（高EC）或高黏土含量下可能出現交叉敏感，必要時應以烘幹法做定期比對抗差校正。長期監測需定期清理探頭表麵附著物並檢查太陽能供電與(yu) 通信鏈路狀態，確保數據序列的完整性與(yu) 連續性。數據分析中應注意將體(ti) 積含水率與(yu) 田間持水量（FC）、凋萎係數（PWP）做歸一化處理以表征相對有效水含量，而非僅(jin) 用絕對百分比做跨質地比較。

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