結(jié)合《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)"互聯(lián)網(wǎng)+"行動(dòng)的指導(dǎo)意見》和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的精神，要求進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)，以重慶實(shí)際狀況為切合點(diǎn)，設(shè)計(jì)了山地分區(qū)土壤墑情及酸堿度監(jiān)測(cè)APP。針對(duì)重慶丘陵地區(qū)存在山地坡度不同和高差不同的特點(diǎn)，對(duì)山地進(jìn)行區(qū)域劃分。同時(shí)，優(yōu)化了丘陵地區(qū)農(nóng)田土壤信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)山地農(nóng)田各區(qū)域進(jìn)行土壤酸堿度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解決了傳統(tǒng)種植和作業(yè)過程中浪費(fèi)人力資源、水資源及能源耗費(fèi)大的問題，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物種植的最優(yōu)選擇，提高農(nóng)作物種植存活概率，增加農(nóng)業(yè)收成。為此，研究開發(fā)了一款農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息與智能手機(jī)相結(jié)合的APP，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)灌溉的目的，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)終端控制的不足，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及智能農(nóng)業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。 

引言

土壤酸堿度作為農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要環(huán)境條件，既是制約土壤生產(chǎn)力和土壤肥力的主要原因之一，又與土壤養(yǎng)分有著密切的關(guān)系。近年來，關(guān)于土壤酸堿度的監(jiān)測(cè)研究主要集中在土壤酸堿度監(jiān)測(cè)儀器精確程度、便利程度及智能程度等3個(gè)方面，而對(duì)土壤酸堿度影響農(nóng)作物種植種類選擇(如柑橘種植最適pH值為5.5～6.5)及農(nóng)作物收獲時(shí)間兩個(gè)方面的研究較少。

未來丘陵復(fù)雜山地農(nóng)業(yè)灌溉將面臨干旱風(fēng)險(xiǎn)加劇的狀況，當(dāng)遭遇到伏旱時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響到農(nóng)作物的收成，也將影響西南地區(qū)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。因此，對(duì)西南丘陵地區(qū)復(fù)雜山地進(jìn)行分區(qū)土壤墑情監(jiān)測(cè)研究及山地分區(qū)灌溉研究很有必要。

針對(duì)復(fù)雜山地因坡度和高差不同引起區(qū)域土壤墑情和酸堿度不同的問題，結(jié)合數(shù)字農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，以水利分析、智能控制及計(jì)算機(jī)應(yīng)用為理論基礎(chǔ)，研發(fā)一款針對(duì)復(fù)雜山地各區(qū)域土壤墑情監(jiān)測(cè)、各區(qū)域土壤酸堿度監(jiān)測(cè)等多參數(shù)融合的智能手機(jī)APP很有必要，可達(dá)到移動(dòng)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各區(qū)域土壤墑情及酸堿度的目的，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物實(shí)時(shí)灌溉，提高抗旱監(jiān)測(cè)能力，優(yōu)化農(nóng)作物種植種類選擇方案，增加農(nóng)作物產(chǎn)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的丘陵地區(qū)農(nóng)田土壤信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備以下功能：

1)通過研究山地不同坡度和高差的區(qū)別，對(duì)山地進(jìn)行區(qū)域劃分，實(shí)現(xiàn)分區(qū)精準(zhǔn)作業(yè)；

2)優(yōu)化土壤墑情及酸堿度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度及智能效果，對(duì)山地各區(qū)域進(jìn)行土壤酸堿度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物種植的最優(yōu)選擇，提高農(nóng)作物種植存活概率；

3)研究開發(fā)一款農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息與智能手機(jī)相結(jié)合的APP，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)灌溉的目的，彌補(bǔ)傳統(tǒng)終端控制的不足，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及智能農(nóng)業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。

研究主要針對(duì)山地分區(qū)模塊、土壤墑情監(jiān)測(cè)模塊、土壤酸堿度監(jiān)測(cè)模塊、太陽(yáng)能電源模塊及APP模塊。山地分區(qū)模塊以水利分析為理論基礎(chǔ)，由于西南地區(qū)復(fù)雜地域中山地各個(gè)坡面的土壤墑情及土壤酸堿度不同，因此引起山地各個(gè)坡面的農(nóng)作物生長(zhǎng)情況及農(nóng)作操作不同。因此，針對(duì)山地坡面的坡度及高差參數(shù)不同，對(duì)山地進(jìn)行區(qū)域劃分，對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行不同的農(nóng)作操作(如作物灌溉操作)。利用土壤墑情監(jiān)測(cè)模塊及土壤酸堿度監(jiān)測(cè)模塊對(duì)山地各個(gè)區(qū)域的墑情及酸堿度進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理及控制，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)于手機(jī)APP；APP人為實(shí)時(shí)操作反饋至數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)而實(shí)時(shí)控制農(nóng)作物操作，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。土壤墑情監(jiān)測(cè)、土壤酸堿度監(jiān)測(cè)及農(nóng)作物操作均由太陽(yáng)能電源模塊給予電能支撐。

1.1 山地分區(qū)模塊

對(duì)復(fù)雜山地進(jìn)行區(qū)域劃分是設(shè)計(jì)復(fù)雜山地土壤分區(qū)墑情及酸堿度APP監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。山地坡面的坡度及高差不同，可能引起農(nóng)作物施肥及灌溉參數(shù)不同、區(qū)域劃分不同、設(shè)備選型不同、施工方式不同。選擇的試驗(yàn)基地位于西南大學(xué)，該試驗(yàn)基地幾乎每年都會(huì)遭遇伏旱，溫度會(huì)持續(xù)在40℃以上，大概有30天最高溫度達(dá)到48.1℃，給基地的植物帶來極大的影響。試驗(yàn)基地地形復(fù)雜，東西南北坡度不一，山腳到山頂?shù)母叨冉?9m，面積近3.3hm2。其中，北坡在43°～47°之間，南坡大多在26°～33°之間，西坡在34°～39°之間。因此，根據(jù)山地坡度及高差不同，將試驗(yàn)基地分為4個(gè)坡面，分別為東坡、南坡、西坡以及北坡。

1.2 土壤墑情監(jiān)測(cè)模塊

為了獲取精確的土壤濕度參數(shù)，模塊主要由濕度傳感器、控制中心及無線傳輸?shù)?部分構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)合復(fù)雜山地多區(qū)域劃分，在各個(gè)區(qū)域采用多傳感器節(jié)點(diǎn)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)法采集土壤數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的控制處理過程充分利用均值濾波法，實(shí)現(xiàn)同一傳感器工作過程中在不同時(shí)刻數(shù)據(jù)的變化和同區(qū)域的其他傳感器數(shù)據(jù)的變化兼顧采集，將控制處理之后的數(shù)據(jù)信息通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到用戶APP，從而實(shí)現(xiàn)土壤墑情監(jiān)測(cè)的目的。系統(tǒng)土壤墑情監(jiān)測(cè)模塊框架如圖1所示。

1.3 土壤酸堿度監(jiān)測(cè)模塊

土壤酸堿度是影響土壤微生物活動(dòng)和作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素。文中土壤酸堿度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采用電極法，將測(cè)量?jī)x器直接插入待測(cè)土壤中加以測(cè)量。該方法對(duì)測(cè)量電極的要求較高，故采用玻璃電極，具有靈敏度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。通過玻璃電極對(duì)土壤酸堿度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并利用控制中心對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制處理，進(jìn)而將處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶APP，用戶可根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的農(nóng)業(yè)操作，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤酸堿度的效果。系統(tǒng)土壤酸堿度檢測(cè)模塊框架圖數(shù)據(jù)分3個(gè)處理層面，類似于土壤墑情監(jiān)測(cè)模塊框架圖。

1.4 太陽(yáng)能電源模塊

系統(tǒng)電源采用鋰電池作為整個(gè)研究的電能供應(yīng)平臺(tái)，鋰電池的蓄電方式主要有太陽(yáng)能電池板充電和市電充電兩種方式。當(dāng)太陽(yáng)能充足時(shí)，可通過太陽(yáng)能電池板對(duì)鋰電池進(jìn)行電能補(bǔ)充；當(dāng)太陽(yáng)能不足以滿足蓄電池充電要求時(shí)，則通過市電作為蓄電池電能補(bǔ)充源為系統(tǒng)提供電能。太陽(yáng)能充放電管理子系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、鋰電池、逆變器、變換器及太陽(yáng)能控制器等構(gòu)成。

1.5 APP模塊
系統(tǒng)研究的智能手機(jī)APP設(shè)計(jì)采用UI設(shè)計(jì)及程序編譯法，主要包括屏幕適配、信息架構(gòu)及APP控件等模塊。通過無線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)接收和實(shí)時(shí)反饋操作，控制灌溉電磁閥進(jìn)行灌溉。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能電源模塊
采用太陽(yáng)能逆控一體機(jī)作為鋰電池充放電主要控制器件，從而保證鋰電池有穩(wěn)定的輸出電壓。太陽(yáng)能電池板選用兆天有限公司研發(fā)的多晶太陽(yáng)能電池板(額定電壓9V，電流0.34A)，利用金屬桿樹立高于種植物30cm處為準(zhǔn)；鋰電池選用的是新能源有限公司研發(fā)的鋰電池(電壓：3.7V，容量：3.5A·h)。系統(tǒng)的各個(gè)模塊對(duì)電壓的需求并不是完全一致，因此對(duì)系統(tǒng)電源的電壓值進(jìn)行按需設(shè)計(jì)。系統(tǒng)電源升壓電路和電源降壓電路如圖2、圖3所示。

2.2 土壤墑情監(jiān)測(cè)模塊

土壤墑情監(jiān)測(cè)模塊采用水分傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。土壤水分傳感器是利用駐波測(cè)量法研發(fā)而成，主要由監(jiān)測(cè)探頭、高頻信號(hào)發(fā)生器、傳輸網(wǎng)絡(luò)等3個(gè)部分構(gòu)成。監(jiān)測(cè)模塊通過高頻信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)，途徑傳輸網(wǎng)絡(luò)后在監(jiān)測(cè)探頭出進(jìn)行反射，產(chǎn)生反射波；反射波與入射波之間疊加構(gòu)成駐波，處理傳輸網(wǎng)絡(luò)兩端輸出的電壓值，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析即可得到對(duì)應(yīng)的土壤含水量。

2.3 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊

無線傳感網(wǎng)絡(luò)由分布在單個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)利用無線通信的方式構(gòu)成一個(gè)自形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送主要通過CC2530處理器進(jìn)行控制和處理。射頻部分則由CC2530處理器及相關(guān)外圍電路構(gòu)成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸。

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