一、系統(tǒng)定義與學(xué)科定位

托普云農(nóng)（浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司）土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)（典型如TPFS?WS系列土壤墑情監(jiān)測站/自動土壤水分觀測儀），是一套集頻域反射或時域反射原位傳感、多深度剖面布設(shè)、低功耗數(shù)據(jù)采集傳輸與云端智能分析于一體的農(nóng)業(yè)水文物聯(lián)網(wǎng)（IoT）監(jiān)測節(jié)點。該系統(tǒng)用以替代傳統(tǒng)的烘干法、酒精燃燒法等破壞性間斷取樣，實現(xiàn)農(nóng)田、林地、草地根區(qū)剖面上土壤體積含水量、土壤溫度及可選的電導(dǎo)率（EC，表征鹽分）等參數(shù)的連續(xù)、無人值守、分層同步監(jiān)測，是開展土壤—植物—大氣連續(xù)體（SPAC）水分傳輸研究、旱情預(yù)警及精準灌溉決策的基礎(chǔ)觀測設(shè)施。

二、測量原理

FDR/TDR介電常數(shù)反演法：土壤介電常數(shù)（ε）隨含水率顯著變化（水的ε≈80，干燥礦物土壤ε≈3～5）。FDR傳感器向土壤中發(fā)射高頻電磁波，測量由土壤介電特性決定的電路諧振頻率或阻抗變化，建立ε與體積含水率的經(jīng)驗或標定函數(shù)關(guān)系反演VWC；TDR則通過測量電磁波沿傳輸線在介質(zhì)中的傳播時差計算ε。二者均為原位非破壞式測定，可反映原位狀態(tài)下根系層水分真實動態(tài)。

分層剖面布設(shè)：傳感器探針或一體化管式探頭按作物主要根系分布深度（通常分設(shè)若干典型土層）垂直埋設(shè)或打入，實現(xiàn)同一測點不同深度水分—溫度梯度的同步捕獲，用于分析降雨/灌溉入滲鋒面運移、潛水蒸發(fā)及晝夜溫度場變化。

可選電導(dǎo)率補償：部分型號集成四電極法測定土壤溶液電導(dǎo)率，用于鹽漬化區(qū)的水分讀數(shù)鹽度校正及次生鹽漬化趨勢監(jiān)測。

邊緣預(yù)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，減小探頭老化、土壤質(zhì)地差異及短期電磁干擾帶來的隨機誤差。

主機及傳輸部分：

1、系統(tǒng)供電：土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)采用15W單晶硅太陽能板進行供電，可支持220v市電和太陽能雙電源供電，可按實際應(yīng)用進行切換；

2、長效續(xù)航：內(nèi)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(xiàn)連續(xù)工作；

3、一體化數(shù)據(jù)采集：設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集及上傳功能，通過標準485接口集成土壤墑情傳感器數(shù)據(jù)采集，包括土壤溫度、土壤水分、作物苗情圖像等參數(shù)，并通過無線通訊方式上傳至管理云平臺；

4、上傳方式：數(shù)據(jù)可以上傳到自己的電腦也可以上傳到總服務(wù)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(shù)和內(nèi)置北斗、GPS、伽利略等多種定位系統(tǒng)；

6、苗情圖像采集：自帶攝像頭，CMOS1/2.7英寸圖像傳感器，200W（1280*1080）像素，手動360°云臺調(diào)節(jié)，支持定時拍照功能、通過遠程設(shè)定拍照時間和拍照張數(shù)，可將現(xiàn)場圖片上傳到管理云平臺方便觀察植物實際生長情況，動態(tài)播放苗情變化趨勢；

7、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計： 土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)采用FREERTOS操作系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)運行的可靠性、多數(shù)據(jù)采集任務(wù)的實時性、系統(tǒng)模塊化、CPU的高效化應(yīng)用；

8、內(nèi)存容量： 系統(tǒng)支持TF卡配置，最少可以存儲40萬條傳感器數(shù)據(jù)，可以確保5年傳感器數(shù)據(jù)存儲；

9、網(wǎng)絡(luò)通訊：系統(tǒng)支持三網(wǎng)通4G CAT1（可選配5G）網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器通訊，網(wǎng)絡(luò)向下兼容聯(lián)通移動的2G，可隨時隨地聯(lián)網(wǎng)管理，支持手機App與Web端遠程查看設(shè)備信息及遠程管理操作；

10、故障排查：設(shè)備支持遠程故障在線診斷，當設(shè)備發(fā)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(shè)備具有OTA遠程固件在線升級功能，可通過平臺或者app，直接遠程對硬件設(shè)備進行固件升級；

12、低功耗設(shè)計：低功耗設(shè)計加太陽能互補方式，內(nèi)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(xù)工作15日以上，有太陽能充電的情況下，可持續(xù)工作；

13、防水設(shè)計：土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)整機采用一體式設(shè)計，防濕防潮設(shè)計，防護等級：IP65，土壤傳感器防水等級IP68；

14、結(jié)構(gòu)簡約設(shè)計：2米不銹鋼噴塑支架；金屬噴漆兩節(jié)式支架結(jié)構(gòu)，鋼質(zhì)材料設(shè)計，牢靠穩(wěn)固，外觀美觀；

管理云平臺功能：

1、帶數(shù)字農(nóng)業(yè)云管理平臺包含B/S架構(gòu)，可將所有便攜式設(shè)備及在線設(shè)備數(shù)據(jù)進行匯總分析，數(shù)據(jù)不丟失，查看操作方式包括網(wǎng)頁端及手機端（安卓及蘋果系統(tǒng)均可用）；

2、平臺支持設(shè)備數(shù)據(jù)云端存儲，提供足夠容量可長期保存；

3、平臺為設(shè)備數(shù)據(jù)提供曲線與表格等報表形式，平臺內(nèi)數(shù)據(jù)、圖表均可下載，進行數(shù)據(jù)對比分析及打印且數(shù)據(jù)報表可導(dǎo)出；

4、數(shù)字農(nóng)業(yè)云管理平臺支持傳感器實時數(shù)據(jù)及預(yù)警狀態(tài)可視化，可顯示每種參數(shù)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、用戶可為作物配置傳感器報警條件，預(yù)置若干常用的農(nóng)作物的報警配置。

6、數(shù)據(jù)評價：可以設(shè)置高低超限值，可自動進行數(shù)據(jù)預(yù)警分析。

7、苗情監(jiān)測：可在管理平臺上查看作物生長苗情圖片，支持動態(tài)播放苗情生長過程；

8、降水預(yù)測：依據(jù)GPS準確定位，對設(shè)備所在地區(qū)預(yù)測降水情況，包括48h預(yù)測和15d預(yù)測，幫助用及時了解降水信息；系統(tǒng)支持土壤容重和田間持水；

9、量會自動計算相對含水量，用戶可根據(jù)實際種植作物設(shè)定相應(yīng)墑情等級，快速掌握墑情實時信息；

10、根系分析：系統(tǒng)支持根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)模型算法，對土壤各層水分消耗占比情況分析，自動判斷作物根系生長深度；

11、墑情趨勢分析：系統(tǒng)支持利用經(jīng)典PM公式對作物參考蒸發(fā)蒸騰量ETo進行統(tǒng)計、分析和預(yù)測（7天），有助于用于及時了解土壤水分散失情況；用；

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

13、管理平臺可對設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)置管理與遠程控制；

14、管理平臺軟件支持在線升級；

四、典型應(yīng)用領(lǐng)域

農(nóng)業(yè)水文與土壤物理研究：獲取高頻次、多層位連續(xù)水分動態(tài)數(shù)據(jù)集，用于構(gòu)建土壤水分消退曲線、計算作物潛在與參考蒸散量（ETo）、分析降雨入滲與土壤水再分配過程。

精準灌溉與智慧農(nóng)業(yè)：依據(jù)根區(qū)水分閾值觸發(fā)灌溉開關(guān)或推送預(yù)警，支撐調(diào)虧灌溉（RDI）、虧缺灌溉制度制定，提高水分利用效率（WUE）。

區(qū)域旱情監(jiān)測與預(yù)警網(wǎng)絡(luò)：作為縣級/省級墑情站網(wǎng)節(jié)點，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)開展農(nóng)業(yè)干旱等級評定與旱情趨勢發(fā)布。

生態(tài)恢復(fù)與水土保持：監(jiān)測造林、退耕還林還草、礦山復(fù)墾區(qū)土壤水分恢復(fù)進程，評估植被重建對土壤水庫功能的改善效果。

科研教學(xué)示范：土壤物理學(xué)、農(nóng)田水利工程課程中自動化原位監(jiān)測原理演示及長期定位試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)出。

五、學(xué)術(shù)使用要點

傳感器埋設(shè)時應(yīng)開挖剖面將探頭置入預(yù)定深度后用原狀土回填搗實，消除探頭周圍大孔隙及空氣隙導(dǎo)致的測量偏高。正式使用前建議針對當?shù)刂饕寥蕾|(zhì)地（砂土/壤土/黏土）做現(xiàn)場標定或選用出廠中已內(nèi)置多質(zhì)地修正系數(shù)的型號，以減小土壤容重、有機質(zhì)含量及鹽分對介電讀數(shù)的系統(tǒng)偏差。FDR法在強鹽漬化（高EC）或高黏土含量下可能出現(xiàn)交叉敏感，必要時應(yīng)以烘干法做定期比對抗差校正。長期監(jiān)測需定期清理探頭表面附著物并檢查太陽能供電與通信鏈路狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)序列的完整性與連續(xù)性。數(shù)據(jù)分析中應(yīng)注意將體積含水率與田間持水量（FC）、凋萎系數(shù)（PWP）做歸一化處理以表征相對有效水含量，而非僅用絕對百分比做跨質(zhì)地比較。

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