結合《國務院關於積極推進"互聯網+"行動的丘陵指導意見》和精準農業的精神，要求進一步實現數字農業、地区的研智慧農業、农田智能農業，土壤以重慶實際狀況為切合點，信息系统設計了山地分區土壤墒情及酸堿度監測APP。监测究針對重慶丘陵地區存在山地坡度不同和高差不同的丘陵特點，對山地進行區域劃分。地区的研同時，农田優化了丘陵地區農田土壤信息監測係統，土壤對山地農田各區域進行土壤酸堿度實時監測，信息系统解決了傳統種植和作業過程中浪費人力資源、监测究水資源及能源耗費大的丘陵問題，實現了農作物種植的地区的研最優選擇，提高農作物種植存活概率，农田增加農業收成。為此，研究開發了一款農業數據信息與智能手機相結合的APP，達到實時監測及實時灌溉的目的，彌補了傳統終端控製的不足，為進一步實現數字農業、精準農業及智能農業提供科學依據。 

引言

土壤酸堿度作為農作物生長的重要環境條件，既是製約土壤生產力和土壤肥力的主要原因之一，又與土壤養分有著密切的關係。近年來，關於土壤酸堿度的監測研究主要集中在土壤酸堿度監測儀器精確程度、便利程度及智能程度等3個方麵，而對土壤酸堿度影響農作物種植種類選擇(如柑橘種植最適pH值為5.5～6.5)及農作物收獲時間兩個方麵的研究較少。

未來丘陵複雜山地農業灌溉將麵臨幹旱風險加劇的狀況，當遭遇到伏旱時會嚴重影響到農作物的收成，也將影響西南地區農業的快速發展。因此，對西南丘陵地區複雜山地進行分區土壤墒情監測研究及山地分區灌溉研究很有必要。

針對複雜山地因坡度和高差不同引起區域土壤墒情和酸堿度不同的問題，結合數字農業和精準農業的發展趨勢，以水利分析、智能控製及計算機應用為理論基礎，研發一款針對複雜山地各區域土壤墒情監測、各區域土壤酸堿度監測等多參數融合的智能手機APP很有必要，可達到移動終端實時監測各區域土壤墒情及酸堿度的目的，從而實現農作物實時灌溉，提高抗旱監測能力，優化農作物種植種類選擇方案，增加農作物產量。

1 係統總體設計

所設計的丘陵地區農田土壤信息監測係統具備以下功能：

1)通過研究山地不同坡度和高差的區別，對山地進行區域劃分，實現分區精準作業；

2)優化土壤墒情及酸堿度監測係統，提高監測係統精度及智能效果，對山地各區域進行土壤酸堿度進行實時監測，實現農作物種植的最優選擇，提高農作物種植存活概率；

3)研究開發一款農業數據信息與智能手機相結合的APP，達到實時監測及實時灌溉的目的，彌補傳統終端控製的不足，為進一步實現數字農業、精準農業及智能農業提供科學依據。

研究主要針對山地分區模塊、土壤墒情監測模塊、土壤酸堿度監測模塊、太陽能電源模塊及APP模塊。山地分區模塊以水利分析為理論基礎，由於西南地區複雜地域中山地各個坡麵的土壤墒情及土壤酸堿度不同，因此引起山地各個坡麵的農作物生長情況及農作操作不同。因此，針對山地坡麵的坡度及高差參數不同，對山地進行區域劃分，對不同區域進行不同的農作操作(如作物灌溉操作)。利用土壤墒情監測模塊及土壤酸堿度監測模塊對山地各個區域的墒情及酸堿度進行有效監測，監測的實時數據由數據處理模塊進行處理及控製，進而通過數據處理模塊將數據信息呈現於手機APP；APP人為實時操作反饋至數據處理模塊，進而實時控製農作物操作，實現移動實時監測。土壤墒情監測、土壤酸堿度監測及農作物操作均由太陽能電源模塊給予電能支撐。

1.1 山地分區模塊

對複雜山地進行區域劃分是設計複雜山地土壤分區墒情及酸堿度APP監測係統的重要基礎。山地坡麵的坡度及高差不同，可能引起農作物施肥及灌溉參數不同、區域劃分不同、設備選型不同、施工方式不同。選擇的試驗基地位於西南大學，該試驗基地幾乎每年都會遭遇伏旱，溫度會持續在40℃以上，大概有30天最高溫度達到48.1℃，給基地的植物帶來極大的影響。試驗基地地形複雜，東西南北坡度不一，山腳到山頂的高度近29m，麵積近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，根據山地坡度及高差不同，將試驗基地分為4個坡麵，分別為東坡、南坡、西坡以及北坡。

1.2 土壤墒情監測模塊

為了獲取精確的土壤濕度參數，模塊主要由濕度傳感器、控製中心及無線傳輸等3部分構成。係統結合複雜山地多區域劃分，在各個區域采用多傳感器節點ZigBee無線傳感網絡法采集土壤數據，數據的控製處理過程充分利用均值濾波法，實現同一傳感器工作過程中在不同時刻數據的變化和同區域的其他傳感器數據的變化兼顧采集，將控製處理之後的數據信息通過無線傳輸的方式發送到用戶APP，從而實現土壤墒情監測的目的。係統土壤墒情監測模塊框架如圖1所示。

1.3 土壤酸堿度監測模塊

土壤酸堿度是影響土壤微生物活動和作物生長發育的重要因素。文中土壤酸堿度實時監測采用電極法，將測量儀器直接插入待測土壤中加以測量。該方法對測量電極的要求較高，故采用玻璃電極，具有靈敏度高、價格便宜等優點。通過玻璃電極對土壤酸堿度進行數據采集，並利用控製中心對采集得到的數據進行控製處理，進而將處理的數據發送到用戶APP，用戶可根據獲取的數據進行相應的農業操作，達到實時監測土壤酸堿度的效果。係統土壤酸堿度檢測模塊框架圖數據分3個處理層麵，類似於土壤墒情監測模塊框架圖。

1.4 太陽能電源模塊

係統電源采用鋰電池作為整個研究的電能供應平台，鋰電池的蓄電方式主要有太陽能電池板充電和市電充電兩種方式。當太陽能充足時，可通過太陽能電池板對鋰電池進行電能補充；當太陽能不足以滿足蓄電池充電要求時，則通過市電作為蓄電池電能補充源為係統提供電能。太陽能充放電管理子係統主要由太陽能電池板、鋰電池、逆變器、變換器及太陽能控製器等構成。

1.5 APP模塊
係統研究的智能手機APP設計采用UI設計及程序編譯法，主要包括屏幕適配、信息架構及APP控件等模塊。通過無線通信，實現數據信息實時接收和實時反饋操作，控製灌溉電磁閥進行灌溉。

2 硬件結構設計

2.1 太陽能電源模塊
采用太陽能逆控一體機作為鋰電池充放電主要控製器件，從而保證鋰電池有穩定的輸出電壓。太陽能電池板選用兆天有限公司研發的多晶太陽能電池板(額定電壓9V，電流0.34A)，利用金屬杆樹立高於種植物30cm處為準；鋰電池選用的是新能源有限公司研發的鋰電池(電壓：3.7V，容量：3.5A·h)。係統的各個模塊對電壓的需求並不是完全一致，因此對係統電源的電壓值進行按需設計。係統電源升壓電路和電源降壓電路如圖2、圖3所示。

2.2 土壤墒情監測模塊

土壤墒情監測模塊采用水分傳感器進行數據采樣。土壤水分傳感器是利用駐波測量法研發而成，主要由監測探頭、高頻信號發生器、傳輸網絡等3個部分構成。監測模塊通過高頻信號發生器發出信號，途徑傳輸網絡後在監測探頭出進行反射，產生反射波；反射波與入射波之間疊加構成駐波，處理傳輸網絡兩端輸出的電壓值，進行數據分析即可得到對應的土壤含水量。

2.3 ZigBee無線傳感網絡模塊

無線傳感網絡由分布在單個區域內的傳感器節點利用無線通信的方式構成一個自形成的網絡係統，其數據的接收和發送主要通過CC2530處理器進行控製和處理。射頻部分則由CC2530處理器及相關外圍電路構成，進而實現對傳感器采集的節點數據進行無線傳輸。

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