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為科學灌溉提供決策支持

目前,農(nóng)業(yè)用水已占到全球淡水資源消耗的92%。在中國,農(nóng)業(yè)灌溉用水的全國平均利用率僅為45%（參閱百度百科“灌溉水利用系數(shù)”）,55%的水以過量灌溉后大量滲漏滲透到植物根部以下、地表徑流流失、輸水渠道滲漏等方式被浪費。在45%被保存在土壤的水中,又因盲目灌溉、非按需灌溉、水肥一體化不到位等原因,很多的水未能被作物有效利用。

使用土壤水分傳感器能動態(tài)跟蹤掌握農(nóng)作物根系在土層中的具體深度位置、作物根系的動態(tài)吸收消耗水分情況；使用土壤水分傳感器所記錄生成的土壤水分曲線圖,能夠以直觀、量化的方式展現(xiàn)出土壤中不同土層的水分含量隨著時間的變化情況,進而做出農(nóng)田灌溉中的灌溉深度、灌溉量、灌溉開始時間、灌溉持續(xù)時間、灌溉量上限、土壤水分含量下限等關鍵因素。

科學的灌溉決策,使農(nóng)作物生活在一個農(nóng)作物真正感到舒服的土壤環(huán)境中,對提高農(nóng)作物的產(chǎn)量大有裨益。

另一方面,人們也不總是希望控制農(nóng)作物生存在舒服的環(huán)境當中以提高產(chǎn)量,人們也會考慮農(nóng)產(chǎn)品的質量因素。比如,合適的土壤濕度會使葡萄的產(chǎn)量很高,但葡萄就會不一定很甜。在法國、西班牙、美國等優(yōu)質的葡萄酒產(chǎn)區(qū),在葡萄生育的后期,人們使用土壤水分傳感器的目的卻是監(jiān)測土壤水分含量,使土壤水分含量保持相對偏低的狀態(tài)。

為政府部門提供數(shù)據(jù)支持、政策依據(jù)

由土壤水分傳感器監(jiān)測到的土壤水分、土壤溫度數(shù)據(jù),是農(nóng)業(yè)、水利、氣象和國土等政府部門進行相關政府活動、制定和執(zhí)行相關政策的依據(jù),也是政府為百姓提供的基礎公共服務之一。比如近些年來,各地方政府踴躍推出的政府惠農(nóng)信息服務平臺,為當?shù)乩习傩仗峁┝舜罅康耐寥缐勄閿?shù)據(jù)、春種秋收指南,土壤水分傳感器是這些數(shù)據(jù)的基礎來源之一。

在國家抗旱防汛體系中,有大量安裝在全國各地的旱情、墑情監(jiān)測站,水文站,土壤水分傳感器是這些站點最重要、最基礎的儀器。

為山體滑坡等自然災害提供預警

2013年,中國共發(fā)生地質災害15403起,其中滑坡9849起,造成不可估量的人員傷亡及財產(chǎn)損失。大量的山體滑坡是由降雨等因素使山體含水量增加、山坡重量增大,山坡重力超過下層土壤見摩擦力進而山體滑坡。土壤水分傳感器是山體滑坡監(jiān)測預警系統(tǒng)中最重要、最基礎的儀器。

為土壤、植物、環(huán)境等科研提供數(shù)據(jù)

土壤水分傳感器被廣泛的應用于土壤學、植物生長于水的關系研究、垃圾填埋場的滲漏監(jiān)測、肥料利用率優(yōu)化、全球變暖的影響研究等領域。

TDR（TimeDomainReflectometry）法水分傳感器

TDR法是上世紀80年代發(fā)展起來的一種土壤水分測定方法,中文為時域反射儀。這種方法在國外應用相當普遍,國內(nèi)才剛開始引進,各部門都相當重視。TDR是一個類似于雷達系統(tǒng)的系統(tǒng),有較強的獨立性,其結果與土壤類型、密度、溫度基本無關。而且還有很重要的一點就是,TDR能在結冰下測定土壤水分,這是其他方法無法比擬的。另外,TDR能同時監(jiān)測土壤水鹽含量,且前后兩次測量的結果幾乎沒有差別。這種測定方法的精確度可見一斑。

FDR和FD法水分傳感器

因為TDR法設備昂貴,在80年代后期,許多公司(如AquaSPY, Sentek. Delta-T, Decagon)開始用比TDR更為簡單的方法來測量土壤的介電常數(shù),FDR和FD法不僅比TDR便宜,而且測量時間更短,在經(jīng)過特定的土壤校準之后,測量精度高,而且探頭的形狀不受限制,可以多深度同時測量,數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)較容易。

電阻法水分傳感器

電阻法利用石膏、尼龍、玻璃纖維等的電阻和它們的含水量有關。當把這些中間物加上電極放置在潮濕的土壤中,然后一段時間后,這些東西的含水量達到平衡。由于電阻和含水量間的關系,我們先前標定電阻和百分數(shù)間一定的對應關系,然后就可以通過這些組件,得到1~15大氣壓吸力范圍內(nèi)的水分讀數(shù)。

中子散射(neutronscattering)法水分傳感器

中子法適合測定野外土壤水分。它根據(jù)氫在急劇減低快中子的速度并把它們散射開的原則,現(xiàn)在市面上已經(jīng)有1測定土壤水分的中子水分計。中子水分計有很多方面的優(yōu)點,但是對有機質土壤有相當?shù)南拗?而且它不適宜測定0-15cm的土壤水分含量。

γ射線法水分傳感器

與中子儀類似,γ射線透射法利用放射源137Cs放射出γ線,用探頭接收γ射線透過土體后的能量,與土壤水分含量換算得到。

水分數(shù)據(jù)盡可能與土壤特征無關

這樣,產(chǎn)生的經(jīng)驗知識便于比較、傳播和推廣。目前所有的技術都是計算體積或重量含水量,由于缺乏現(xiàn)場實時獲得田間持水量的技術,所以很難獲得真正準確的相對含水量數(shù)據(jù),導致土壤含水量測量無法直接用于對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的指導。

大數(shù)據(jù)量和歷史數(shù)據(jù)的長期獲取

科學實驗研究一味追求檢測數(shù)據(jù)的單點精度,但在對實際生產(chǎn)的指導方面意義不大,原因是目標土壤體積的尺度相對于測試點來說大很多,而水分在土壤中也絕不是高度均勻的。只有獲得輸出穩(wěn)定、歷史數(shù)據(jù)可比較性強、足夠大體積平均的數(shù)據(jù)才是可用的。

安裝方便,操作簡單,便于現(xiàn)場部署

在安裝和校準儀器設備方面,科學研究所需要的精度和操作規(guī)程在實際生產(chǎn)操作過程中是無法保證的,導致相關設備應用到生產(chǎn)上無法保證得到可用可靠的數(shù)據(jù)。提供簡單方便免現(xiàn)場校準設備是這類現(xiàn)場安裝設備必須具備的特點。

有效消除實際應用過程中環(huán)境的影響

在傳感設備的運行過程中,很多因素對測量精度和可靠性影響較大,例如：戶外溫度變化對電池能量轉換效能的影響,最終影響設備輸出可靠性；土壤溫度和鹽分變化對水分測量精度的影響；由于田間農(nóng)業(yè)設備作業(yè)等因素引發(fā)的土壤震動對測量可靠性的影響；安裝方式導致的土壤擾動對測量精度的影響；目標土壤有變化（耕作等）,但是由于傳感器未移動并且周邊土壤未變化,導致目標被測土壤和實際測量土壤產(chǎn)生差別引起的誤差；傳感器件長期和土壤接觸產(chǎn)生的相互作用對精度的影響。

土壤水分信息需要關聯(lián)其他信息

在生產(chǎn)實踐中,土壤水分傳感器往往和其它外部系統(tǒng)或參數(shù)關聯(lián)使用,例如土壤水分突然增加,可能是灌溉系統(tǒng)開始工作、也可能是降雨、又可能是地下水向地表運動導致,所以往往需要增加不同位置和不同深度的水分傳感器數(shù)量、關聯(lián)地面氣象站或者氣象局數(shù)據(jù)、連通灌溉控制系統(tǒng)來確定數(shù)據(jù)的意義。這其實是對更大規(guī)模的土壤水分數(shù)據(jù)應用和處理提出的要求,但是目前市場上的產(chǎn)品對此需求的響應者寥寥。

插針式土壤水分傳感器

插針式土壤水分傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構成,可長期埋設于土壤和堤壩內(nèi)使用,對表層和深層土壤進行墑情的定點監(jiān)測和在線測量。與數(shù)據(jù)采集器配合使用,可作為水分定點監(jiān)測或移動測量的工具。

優(yōu)點：

結構小巧、簡單、價格便宜,單個傳感器價格相對便宜。

缺點：

A. 所測量土壤水分的土樣代表性不夠高

感應的土壤范圍是直徑125毫米、高為200毫米的圓柱體,土壤水分代表性不足夠高,當插針位置土質不均勻,影響數(shù)據(jù)準確性。

B. 破壞土層結構,造成土壤擾動

當監(jiān)測不同土層深度土壤含水量時,需要挖開土壤剖面,在土壤中插入針式水分儀后,再回填土壤。這種不得已的做法實際上已經(jīng)破壞了土壤的結構,因為回填土壤的容重、土壤顆粒間的結合方式已經(jīng)被改變。

C. 安裝現(xiàn)場組成復雜,易受到外界信號干擾

插針式是半數(shù)字化的,從傳感探針到數(shù)模轉換模塊之間傳輸?shù)氖鞘�分微弱的模擬量,這一段就十分容易受到外界信號干擾,影響分辨率、可靠性和準確性。

插針式要成組多點應用的時候就涉及復雜的連線,實施時需要在土壤中挖一個深坑掩埋,安裝時如此維護時也需要同樣的工作。由此產(chǎn)生的是設備的不可靠、安裝和維護時對被測對象的徹底干擾,工作量和人員因素影響大。

D. 使用壽命有限

外露的鋼針,鋼針長期使用會變形、表面會有腐蝕或者污染。

E. 能耗高,安裝現(xiàn)場工作量大,后期設備殘留。

插針式組成的系統(tǒng)往往結構復雜、大量的連線及連結裝置、耗能較高（電源一般采用鉛酸電池）。特別是大規(guī)模野外實施時,一旦需要回收,插針式系統(tǒng)即使地面上的電池以及太陽能板和無線發(fā)射單元拆卸收回,人們往往不會再將其地下部件挖出,勢必會有大量傳感器探頭、金屬連線留在土壤中造成長期重金屬、塑料等污染。

F.多深度監(jiān)測時,綜合安裝、施工成本較高

G.當監(jiān)測不同土層深度土壤含水量時,需要挖開土壤剖面,在土壤中插入針式水分儀后,再回填土壤。目前中國大部分農(nóng)村為留守老人和兒童,當野外安裝部署水分監(jiān)測儀時,尋找人工顯得極為困難。[1]

插針式土壤水分速測儀

當插針式水分傳感器與數(shù)據(jù)采集器配合使用,就是插針式土壤水分速測儀。優(yōu)缺點同上插針式土壤水分傳感器。

導管式水分儀

優(yōu)點

導管式土壤水分儀設計精巧、安裝要求高、精度和穩(wěn)定性能夠達到長期科學研究的要求。在國內(nèi)僅在氣象系統(tǒng)有規(guī)模性應用。

缺點

安裝復雜,耗時耗力

為了追求最小的土壤擾動,導管式采取釘管、管中掏土、內(nèi)壁清理、現(xiàn)場校準、現(xiàn)場密封的操作流程�；�本上屬于現(xiàn)場組裝類產(chǎn)品。在我國幅員遼闊、受訓技術人員不足、農(nóng)村和野外勞動力缺乏、自然環(huán)境復雜等情況下,大規(guī)模應用導管式的可能性是沒有的。

沒有溫度校準

根據(jù)測水原理可知,土壤含水率的檢測本質上是檢測土壤和水混合物的介電常數(shù),其中水在80左右,土壤在3-5之間。水的介電常數(shù)其實是隨溫度變化的,這個變化經(jīng)過一些實驗,可以測到每10攝氏度的變化,會導致土壤0.6%的含水率變化。所以理論上說,要在戶外環(huán)境中,測準土壤含水率就必須對溫度進行校準。

“中國管”土壤水分、溫度監(jiān)測儀

在重新審視土壤水分的應用要求和社會環(huán)境基礎上,借助互聯(lián)網(wǎng)的顛覆性創(chuàng)新理念,結合現(xiàn)代工業(yè)設計中用戶體驗的分析技術,以及大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的平臺,重新設計的產(chǎn)品,它繼承了導管式和插針式的各項優(yōu)勢,又彌補了他們的不足,開發(fā)了面向大規(guī)模、更廣泛的應用場景的號稱“中國管”的新一代土壤含水率測量設備。它擁有自主知識產(chǎn)權的土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)（具有受發(fā)明專利保護的水分儀,自主版權的軟件系統(tǒng)）；它具有土壤水分數(shù)據(jù)的處理、分析能力,可以為客戶提供灌溉咨詢指導。此產(chǎn)品在最近公布的水利部《第一批土壤水分監(jiān)測儀器檢測合格產(chǎn)品目錄》上輕松奪冠,排在第一位。(水利部政府網(wǎng)址：http://fxkh.mwr.gov.cn/tzgg/201402/t20140221_548660.html)

第一代“中國管”的產(chǎn)品已經(jīng)具備如下特性：

① 低能耗、集成一體化

即物聯(lián)網(wǎng)通訊終端、數(shù)據(jù)存儲和處理單元、多深度水分及溫度傳感器、高性能電池在一個管中集成；低能耗,可用太陽能電池供電,無外部供電工作時間超過30天；

③ 精度和穩(wěn)定性

精度達到正負2%以下,含同位溫度校準；穩(wěn)定性達到0.05%；

④ 安裝及實施

15分鐘現(xiàn)場操作,無土壤擾動,無需現(xiàn)場校準,智能啟停,極大降低人力需求；

⑤ 環(huán)境保護

工作期間對環(huán)境無污染；設備撤場后對環(huán)境無殘留污染；

⑥ 大數(shù)據(jù)支持

產(chǎn)品生命期數(shù)據(jù)完整記錄及備份,支持大數(shù)據(jù)分析及移動設備訪問；

⑦ 知識產(chǎn)權

跟國外產(chǎn)品在知識產(chǎn)權上無現(xiàn)實的和潛在的沖突,能夠對核心特性的知識產(chǎn)權進行保護。

典型的插針式傳感器感應的土壤范圍是直徑125毫米、高為200毫米的圓柱體,而“中國管”的感應范圍是外徑637.5毫米、壁厚250毫米、高為250毫米的管柱體。導管式感應范圍是插針式的31倍,表性就提高了30倍。再考慮到土壤水分的不一致性,導管式的測量方式顯得“靠譜”多了。

最低的土壤擾動

插針式的特征是外露的鋼針,導管式是指傳感器全封閉于一個管中的墑情儀。鋼針長期使用會變形、表面會有腐蝕或者污染,而且當插針式要成組多點應用的時候就涉及復雜的連線,實施時需要在土壤中挖一個深坑掩埋,安裝時如此維護時也需要同樣的工作。由此產(chǎn)生的是設備的不可靠、安裝和維護時對被測對象的徹底干擾,工作量和人員因素影響大。而導管式水分儀,打一個洞在地上,插入設備,無論單點還是多組,程序都是一樣的,土壤擾動降到最低,設備長期使用中傳感器件不會受到腐蝕或者污染,基本無人員因素干擾。

數(shù)據(jù)的精度及穩(wěn)定性

插針式是半數(shù)字化的,導管式是全數(shù)字化設計的。插針式從傳感探針到數(shù)模轉換模塊之間傳輸?shù)氖鞘�分微弱的模擬量,這一段就十分容易受到外界信號干擾,影響分辨率、可靠性和準確性。而對于導管式的水分傳感器,傳感器出來的頻率信號直接轉數(shù)字化,這使得受干擾的機會就沒有了,所以導管式既能保證高分辨率又能保證高可靠性和100%傳輸準確性。因而導管式可以徹底消除困擾插針式用戶多年的“數(shù)據(jù)突跳”及“變濕不變數(shù)”問題。

"中國管"數(shù)據(jù)的準確性及穩(wěn)定性案例

下表為河北保定冉莊水文試驗站在2013年底用烘干法做的與傳感器對比數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)對比了20厘米,50厘米和80厘米三個土層的結果顯示,傳感器的輸出數(shù)值在穩(wěn)定的有規(guī)律的變化,而烘干法數(shù)值則由于實驗誤差引起毫無規(guī)律的波動。

"中國管"的使用壽命

“中國管”土壤水分、溫度檢測儀采用全封閉結構,整體設備在插入土壤部分滿足IP68防護級別,地上部分滿足IP67防護級別。傳感器的電子元器件內(nèi)置于高強度的防護材料之中,與土壤不發(fā)生直接接觸。內(nèi)置可反復充電的磷酸鐵鋰電池,電池具有獨特的電池防護設計。

在防雷方面,由于傳統(tǒng)的RTU支架高出于地面數(shù)米,且大部分金屬構件直接暴露在空氣中,有眾多被雷擊的案例。

"中國管"數(shù)據(jù)的防盜

當把土壤水分儀長期固定安裝在田間后,在沒有圍欄、農(nóng)場保安等外部保護的情況下,在有被盜的潛在風險時,“中國管”主要從以下幾個方面考慮防盜問題。

靠一個人的力量并不能將“中國管”土壤水分、溫度檢測儀從地面拔出來。尤其是在土壤濕度較大、壤土、粘性土的情況下。只有在兩個或以上的人數(shù),通過使用繩子,抬杠,垂直往上的用力,才能將“中國管”從土壤中拔出來。

在有農(nóng)作物正常生長的地塊,當農(nóng)作物高于18厘米時,農(nóng)作物都會把水分儀遮蓋,植物長得茂密時,傳感器更不容易被發(fā)現(xiàn)。

無開關的設計模式,實時的智能數(shù)據(jù)監(jiān)控,當設備由土壤中拔出地面后,設備仍然正常發(fā)送數(shù)據(jù),但采集到的含水量數(shù)據(jù)均為0。當設備數(shù)據(jù)采集間隔為1小時時,可以在一小時以內(nèi)發(fā)現(xiàn)設備被盜。

另外,可以采用偽裝,保護色的方式將設備地上部分涂刷成與環(huán)境一致的顏色進行防盜。但這種做法需要留心記住傳感器所在的位置,避免發(fā)生傳感器的主人也找不到傳感器的情況發(fā)生。

"中國管"的人性化設計

① 現(xiàn)場安裝時間小于15分鐘

現(xiàn)場部署安裝時間小于15分鐘,極大降低人力需求�！爸袊�管”的安裝現(xiàn)場,客戶僅需要做兩件事情：使用“中國管”配套的取土鉆鉆孔取土；將“中國管”插入土壤中。

② 多樣化數(shù)據(jù)通訊方式

“中國管”土壤水分、溫度監(jiān)測儀有以下3大類通訊方式可供選擇：

A. 全網(wǎng)支持移動、聯(lián)通、電信GPRS 無線通訊； B. RS232通訊,通訊距離：5米； C. CAN通訊,通訊距離：大于500米⑧ 可持續(xù)性

③ 免現(xiàn)場校準模式

“中國管”土壤水分、溫度監(jiān)測儀都過出廠校準的模式,使各支傳感器的性能參數(shù)保持高度的一致性,進而在客戶提出做土壤參數(shù)率定需求時,Insentek 通過使用其他通規(guī)格的傳感器就能完成土壤參數(shù)率定工作。

④ 無開關設計

無開關的產(chǎn)品設計,把現(xiàn)場安裝人員的操作環(huán)節(jié)及對人員的素質需求降到了最低,通過遠程模式智能控制“中國管”土壤水分、溫度監(jiān)測儀的工作和停止。

⑤ 智能檢測燈

“中國管”土壤水分、溫度監(jiān)測儀上安裝有一智能按鈕檢測燈,當現(xiàn)場安裝人員按按鈕檢測燈時,如果燈亮,說明設備狀態(tài)正常,同時進行一次數(shù)據(jù)測量發(fā)送工作。

⑥ 內(nèi)外結合的供電方式

磷酸鐵鋰電池內(nèi)部供電（+3.3VDC）（GPRS通訊模式）或外部+12VDC供電（串口通訊）。