一、系統(tǒng)定義與學科定位

托普云農（浙江托普云農科技股份有限公司）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、低功耗數據采集傳輸與云端智能分析于一體的農業(yè)水文物聯(lián)網（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，實現農田、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率（EC，表征鹽分）等參數的連續(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、旱情預警及精準灌溉決策的基礎觀測設施。

二、測量原理

FDR/TDR介電常數反演法：土壤介電常數（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與體積含水率的經驗或標定函數關系反演VWC；TDR則通過測量電磁波沿傳輸線在介質中的傳播時差計算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：傳感器探針或一體化管式探頭按作物主要根系分布深度（通常分設若干典型土層）垂直埋設或打入，實現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。

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

邊緣預處理：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，可按實際應用進行切換；

2、長效續(xù)航：內置大容量鋰電池，可獨立工作15天以上。外接太陽能電池板，可實現連續(xù)工作；

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

4、上傳方式：數據可以上傳到自己的電腦也可以上傳到總服務器，可切換，無影響；

5、海拔及防盜定位功能：可測海拔高度，自動獲取海拔參數和內置北斗、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°云臺調節(jié)，支持定時拍照功能、通過遠程設定拍照時間和拍照張數，可將現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、多數據采集任務的實時性、系統(tǒng)模塊化、CPU的高效化應用；

8、內存容量： 系統(tǒng)支持TF卡配置，最少可以存儲40萬條傳感器數據，可以確保5年傳感器數據存儲；

9、網絡通訊：系統(tǒng)支持三網通4G CAT1（可選配5G）網絡與服務器通訊，網絡向下兼容聯(lián)通移動的2G，可隨時隨地聯(lián)網管理，支持手機App與Web端遠程查看設備信息及遠程管理操作；

10、故障排查：設備支持遠程故障在線診斷，當設備發(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，直接遠程對硬件設備進行固件升級；

12、低功耗設計：低功耗設計加太陽能互補方式，內置大容量鋰電池，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、防水設計：土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)整機采用一體式設計，防濕防潮設計，防護等級：IP65，土壤傳感器防水等級IP68；

14、結構簡約設計：2米不銹鋼噴塑支架；金屬噴漆兩節(jié)式支架結構，鋼質材料設計，牢靠穩(wěn)固，外觀美觀；

管理云平臺功能：

1、帶數字農業(yè)云管理平臺包含B/S架構，可將所有便攜式設備及在線設備數據進行匯總分析，數據不丟失，查看操作方式包括網頁端及手機端（安卓及蘋果系統(tǒng)均可用）；

2、平臺支持設備數據云端存儲，提供足夠容量可長期保存；

3、平臺為設備數據提供曲線與表格等報表形式，平臺內數據、圖表均可下載，進行數據對比分析及打印且數據報表可導出；

4、數字農業(yè)云管理平臺支持傳感器實時數據及預警狀態(tài)可視化，可顯示每種參數過程曲線趨勢，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，預置若干常用的農作物的報警配置。

6、數據評價：可以設置高低超限值，可自動進行數據預警分析。

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、降水預測：依據GPS準確定位，對設備所在地區(qū)預測降水情況，包括48h預測和15d預測，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，用戶可根據實際種植作物設定相應墑情等級，快速掌握墑情實時信息；

10、根系分析：系統(tǒng)支持根據傳感器數據，采用數據模型算法，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、管理平臺可對設備基礎設置管理與遠程控制；

14、管理平臺軟件支持在線升級；

四、典型應用領域

農業(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)數據集，用于構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。

精準灌溉與智慧農業(yè)：依據根區(qū)水分閾值觸發(fā)灌溉開關或推送預警，支撐調虧灌溉（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)測與預警網絡：作為縣級/省級墑情站網節(jié)點，結合氣象數據開展農業(yè)干旱等級評定與旱情趨勢發(fā)布。

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

科研教學示范：土壤物理學、農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據產出。

五、學術使用要點

傳感器埋設時應開挖剖面將探頭置入預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致的測量偏高。正式使用前建議針對當地主要土壤質地（砂土/壤土/黏土）做現場標定或選用出廠中已內置多質地修正系數的型號，以減小土壤容重、有機質含量及鹽分對介電讀數的系統(tǒng)偏差。FDR法在強鹽漬化（高EC）或高黏土含量下可能出現交叉敏感，必要時應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)，確保數據序列的完整性與連續(xù)性。數據分析中應注意將體積含水率與田間持水量（FC）、凋萎系數（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地比較。

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