土壤墒情自动测报系统设计与实现

刘代勇，彭亚兰

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

1 系统开发背景

随着经济社会的快速发展、城市化进程加快和社会主义新农村建设，人民生活水平不断的提高，对水资源的需求也在不断增加；同时，由于全球气候变暖导致极端气候事件发生几率增加，干旱灾害的发生会愈加频繁，旱灾造成的影响和损失更加严重。科学有效防旱抗旱，实现由单一抗旱向全面抗旱转变，已成为防汛抗旱各级部门最主要的任务之一，全面、准确、及时地掌握旱情的发生、发展过程，是各级防汛抗旱指挥部门业务工作的重点[1-2]。

目前，我国抗旱减灾工作仍存在着旱情信息来源少、监测技术手段落后、自动化程度低等问题，土壤墒情信息大部分是通过人工统计的信息获取的，抗旱工作仍面临着前所未有的挑战和压力[3-5]。面对新时期抗旱业务工作的需求，急需建立一套高效、快速、准确的土壤墒情自动测报系统。

随着自动测报技术的发展，目前大部分测站均以遥测站的形式进行建设，为保证土壤墒情能进行长期固定的连续观测和采集信息的实时传输，本文设计了一套以太阳能进行长期供电、遥测终端机进行数据采集、GPRS网络进行数据传输的系统，通过开展区域土壤墒情固定监测站的建设，可以实现区域土壤墒情连续、实时监测，为抗旱防旱决策提供准确、及时的技术资料。

2 系统设计

2.1 功能设计

系统采用测、报、控一体化的结构设计，以土壤水分传感器和数据采集器为核心设备、太阳能为电源模块、GPRS网络为传输通道，实现墒情信息的自动采集、固态存储、实时传输以及查询应答、可编程等测控功能；同时，也支持远程修改系统参数，能在雷电、暴雨、冰冻等较恶劣的条件下正常工作。

2.2 主要设备技术性能

系统主要设备包括土壤水分传感器、数据采集器、通讯设备和供电设备等部分组成，其设备构成见图1。

图1 系统主要设备构成

(1)土壤水分传感器。土壤水分传感器是本系统的核心设备之一，应选取技术成熟、性能可靠的设备。经过严格设备筛选，本系统采用频域发射原理的AZS-2传感器，该设备是一种可以长期和无损伤原样测量体积含水量的智能化高精度传感器，可以安装或固定在地下，安装方式多样(垂直和水平)。同时，AZS-2传感器参加了水利部水文局组织的两期土壤水分监测仪器对比测试研究，能在0～+50 ℃条件下正常工作，相应时间<5 s。

(2)数据采集器。本系统采用中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司自主研发的ZNY.HDJ-1型墒/旱情自动化系统设备进行土壤墒情采集，该设备采用超低功耗微控制器作为系统主控MCU，具备严密的防雷击防强感应电流措施，能在雷电、暴雨、停电的恶劣条件下正常工作。支持1个全双工RS232接口、2个可切换RS232接口、1个常规RS485接口、1个全隔离RS485接口、1个一线制总线(最多可支持64个传感器接入)，能在-20～+50 ℃的环境内无故障工作25 000 h。通过配置容量匹配的蓄电池与太阳能光板，该设备能够在连续无日照的情况下正常工作45 d以上。

(3)通讯设备。本系统通讯设备主要采用高性能嵌入式处理器，提供高速、稳定可靠、数据终端永远在线、多种协议转换的虚拟专用网络。支持电话、短信、数据触发上线以及超时自动断线的功能，同时支持双数据中心备份，以及多数据中心同步传输等功能。

(4)供电设备。由于本系统均采用较低功耗的设备，配置12 W太阳能板和17 Ah蓄电池即可保证系统正常工作。太阳能光板的开路电压为18 V，工作电压为10～14 V，短路电流1.1 A，工作电流0.6～1 A。蓄电池供电电压12V，能在-35～+45 ℃环境内正常工作，使用寿命长达8～10 a，深放电恢复性能好，侧倒90°仍能使用。

2.3 附属设备设计

附属设备主要包括托举支架、避雷设施等，其中托举支架包括双杆支架式、单杆支架式和直立矮桩式，直流电源供电设备避雷则采用直接安装避雷针的方式。

(1)双杆支架式设计。太阳能光板固定在一根单杆上，在另一根单杆支架顶端安装避雷针，数据采集遥测终端、供电系统和通信模块等主体设备放置在遥测机箱内，机箱固定在两根单杆之间的钢支架平台上，平台周围设置围栏，保证仪器箱及检查人员的安全；土壤水分传感器埋入土壤中，数据线通过PVC管贯穿接入机箱中，其立面设计见图2。该结构稳定性好，在北方尤其是极寒地区应用较多。

图2 双杆支架式墒情站立面示意

(2)单杆支架式设计。数据采集遥测终端、供电系统和通信模块等主体设备放置在遥测机箱内，机箱通过设备箱支架固定在单杆上，土壤水分传感器埋入土壤中，数据线通过PVC管贯穿线孔接入机箱中，太阳能光板通过光板支架固定在仪器箱顶部，其立面设计见图3。该结构简单，在南方应用较多。

图3 单杆支架式墒情站立面示意

(3)直立矮桩式设计。采用单管圆钢架托举仪器箱的设计方式，数据采集遥测终端、供电系统和通信模块等主体设备放置在遥测机箱内；机箱通过设备箱支架固定在单杆上，土壤水分传感器埋入观测场土壤中，数据线通过PVC管贯穿线孔接入机箱中；太阳能光板通过光板支架固定在仪器箱顶部，其立面设计见图4。该结构防盗效果较差，适用于有人值守的试验站内。

图4 直立矮桩式墒情站立面示意

3 依托工程应用情况

研究成果分别在“旱情自动监测技术研究” “基于土壤含水量实时监测的水文预报模型应用研究”两个科技开发项目中得到了应用。其中，前者以湖南省衡邵干旱走廊为典型研究区域，采用单杆支架设计方式，在衡阳、邵阳、娄底3个地市建设了23个站点；后者以湖南省浏阳市宝盖洞流域为试验区域，采用直立矮桩设计方式，建设了7个站点。所有站点均在2015年度完成了建设并投入运行，系统运行稳定、数据准确可靠、应用情况良好，为2个科技开发项目的顺利验收提供了重要的数据支撑。

4 总 结

土壤墒情自动测报系统的建成，解决了监测技术手段落后、自动化程度低等问题，实现土壤墒情自动监测与传输的功能，将测验人员从繁琐的人工取样、实验室检测工作中解放出来，极大地促进了传统水文技术的进步和水利信息化的发展，使资源得到合理配置，达到优化管理模式、降低劳动强度、提高工作效率的目的。同时，依据获得的各类旱情信息数据，可快速确定受旱范围、面积以及旱情发生的具体行政地区。结合水雨情、地下水及水利工程蓄水情况，可判定旱情发生区域的干旱等级；结合未来天气发展趋势和河道水情信息，可以预测未来旱情发展的趋势和旱灾风险，为区域科学防旱抗旱提供决策依据，并有力的促进了水利信息化建设。