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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（典型如TPFS?WS系列土壤墑情監(jiān)測(cè)站/自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀），是一套集頻域反射或時(shí)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(cè)節(jié)點(diǎn)。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(shí)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(wú)人值守、分層同步監(jiān)測(cè)，是開(kāi)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(zhǔn)灌溉決策的基礎(chǔ)觀測(cè)設(shè)施。

二、測(cè)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(cè)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(yàn)或標(biāo)定函數(shù)關(guān)系反演VWC；TDR則通過(guò)測(cè)量電磁波沿傳輸線在介質(zhì)中的傳播時(shí)差計(jì)算ε。二者均為原位非破壞式測(cè)定，可反映原位狀態(tài)下根系層水分真實(shí)動(dòng)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(shí)現(xiàn)同一測(cè)點(diǎn)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(yùn)移、潛水蒸發(fā)及晝夜溫度場(chǎng)變化。

可選電導(dǎo)率補(bǔ)償：部分型號(hào)集成四電極法測(cè)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(shì)監(jiān)測(cè)。

邊緣預(yù)處理：采集終端對(duì)原始信號(hào)做滑動(dòng)平均濾波、異常值剔除及溫度補(bǔ)償，減小探頭老化、土壤質(zhì)地差異及短期電磁干擾帶來(lái)的隨機(jī)誤差。

主機(jī)及傳輸部分：

1、系統(tǒng)供電：土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用15W單晶硅太陽(yáng)能板進(jìn)行供電，可支持220v市電和太陽(yáng)能雙電源供電，可按實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行切換；

2、長(zhǎng)效續(xù)航：內(nèi)置大容量鋰電池，可獨(dú)立工作15天以上。外接太陽(yáng)能電池板，可實(shí)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(guò)無(wú)線通訊方式上傳至管理云平臺(tái)；

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(wú)影響；

5、海拔及防盜定位功能：可測(cè)海拔高度，自動(dòng)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(dòng)360°云臺(tái)調(diào)節(jié)，支持定時(shí)拍照功能、通過(guò)遠(yuǎn)程設(shè)定拍照時(shí)間和拍照張數(shù)，可將現(xiàn)場(chǎng)圖片上傳到管理云平臺(tái)方便觀察植物實(shí)際生長(zhǎng)情況，動(dòng)態(tài)播放苗情變化趨勢(shì)；

7、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用FREERTOS操作系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、多數(shù)據(jù)采集任務(wù)的實(shí)時(shí)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(chǔ)40萬(wàn)條傳感器數(shù)據(jù)，可以確保5年傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；

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(dòng)的2G，可隨時(shí)隨地聯(lián)網(wǎng)管理，支持手機(jī)App與Web端遠(yuǎn)程查看設(shè)備信息及遠(yuǎn)程管理操作；

10、故障排查：設(shè)備支持遠(yuǎn)程故障在線診斷，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障，可通過(guò)遠(yuǎn)程在線故障診斷功能進(jìn)行故障排查；

11、遠(yuǎn)程升級(jí)：設(shè)備具有OTA遠(yuǎn)程固件在線升級(jí)功能，可通過(guò)平臺(tái)或者app，直接遠(yuǎn)程對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行固件升級(jí)；

12、低功耗設(shè)計(jì)：低功耗設(shè)計(jì)加太陽(yáng)能互補(bǔ)方式，內(nèi)置大容量鋰電池，放置在野外無(wú)太陽(yáng)能充電的情況下，可以連續(xù)工作15日以上，有太陽(yáng)能充電的情況下，可持續(xù)工作；

13、防水設(shè)計(jì)：土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整機(jī)采用一體式設(shè)計(jì)，防濕防潮設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)：IP65，土壤傳感器防水等級(jí)IP68；

14、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約設(shè)計(jì)：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(jì)，牢靠穩(wěn)固，外觀美觀；

管理云平臺(tái)功能：

1、帶數(shù)字農(nóng)業(yè)云管理平臺(tái)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(jìn)行匯總分析，數(shù)據(jù)不丟失，查看操作方式包括網(wǎng)頁(yè)端及手機(jī)端（安卓及蘋(píng)果系統(tǒng)均可用）；

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

3、平臺(tái)為設(shè)備數(shù)據(jù)提供曲線與表格等報(bào)表形式，平臺(tái)內(nèi)數(shù)據(jù)、圖表均可下載，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析及打印且數(shù)據(jù)報(bào)表可導(dǎo)出；

4、數(shù)字農(nóng)業(yè)云管理平臺(tái)支持傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及預(yù)警狀態(tài)可視化，可顯示每種參數(shù)過(guò)程曲線趨勢(shì)，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(bào)警條件，預(yù)置若干常用的農(nóng)作物的報(bào)警配置。

6、數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)：可以設(shè)置高低超限值，可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)警分析。

7、苗情監(jiān)測(cè)：可在管理平臺(tái)上查看作物生長(zhǎng)苗情圖片，支持動(dòng)態(tài)播放苗情生長(zhǎng)過(guò)程；

8、降水預(yù)測(cè)：依據(jù)GPS準(zhǔn)確定位，對(duì)設(shè)備所在地區(qū)預(yù)測(cè)降水情況，包括48h預(yù)測(cè)和15d預(yù)測(cè)，幫助用及時(shí)了解降水信息；系統(tǒng)支持土壤容重和田間持水；

9、量會(huì)自動(dòng)計(jì)算相對(duì)含水量，用戶可根據(jù)實(shí)際種植作物設(shè)定相應(yīng)墑情等級(jí)，快速掌握墑情實(shí)時(shí)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(duì)土壤各層水分消耗占比情況分析，自動(dòng)判斷作物根系生長(zhǎng)深度；

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

12、用戶可以自定義時(shí)間查看土壤水分最值變化和當(dāng)前水分所處區(qū)間，支持動(dòng)態(tài)播放土壤水分變化趨勢(shì)線。

13、管理平臺(tái)可對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)置管理與遠(yuǎn)程控制；

14、管理平臺(tái)軟件支持在線升級(jí)；

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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集，用于構(gòu)建土壤水分消退曲線、計(jì)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(guò)程。

精準(zhǔn)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(kāi)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(cè)與預(yù)警網(wǎng)絡(luò)：作為縣級(jí)/省級(jí)墑情站網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)開(kāi)展農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)評(píng)定與旱情趨勢(shì)發(fā)布。

生態(tài)恢復(fù)與水土保持：監(jiān)測(cè)造林、退耕還林還草、礦山復(fù)墾區(qū)土壤水分恢復(fù)進(jìn)程，評(píng)估植被重建對(duì)土壤水庫(kù)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(dòng)化原位監(jiān)測(cè)原理演示及長(zhǎng)期定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)出。

五、學(xué)術(shù)使用要點(diǎn)

傳感器埋設(shè)時(shí)應(yīng)開(kāi)挖剖面將探頭置入預(yù)定深度后用原狀土回填搗實(shí)，消除探頭周?chē)罂紫都翱諝庀秾?dǎo)致的測(cè)量偏高。正式使用前建議針對(duì)當(dāng)?shù)刂饕寥蕾|(zhì)地（砂土/壤土/黏土）做現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定或選用出廠中已內(nèi)置多質(zhì)地修正系數(shù)的型號(hào)，以減小土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量及鹽分對(duì)介電讀數(shù)的系統(tǒng)偏差。FDR法在強(qiáng)鹽漬化（高EC）或高黏土含量下可能出現(xiàn)交叉敏感，必要時(shí)應(yīng)以烘干法做定期比對(duì)抗差校正。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)需定期清理探頭表面附著物并檢查太陽(yáng)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(duì)有效水含量，而非僅用絕對(duì)百分比做跨質(zhì)地比較。

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