一、系統(tǒng)定義與應(yīng)用定位

托普云農(nóng)無線土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，是基于頻域反射（FDR/FDR-TDR）傳感原理與低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）/蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（4G/5G/NB-IoT）通信技術(shù)的分布式原位監(jiān)測解決方案。系統(tǒng)通過對多層土壤水分、溫度及電導率的連續(xù)自動采集，服務(wù)于農(nóng)業(yè)抗旱減災(zāi)、精細化灌溉調(diào)度、高標準農(nóng)田建設(shè)及水文生態(tài)研究，實現(xiàn)從單點數(shù)據(jù)采集到區(qū)域墑情態(tài)勢感知的業(yè)務(wù)閉環(huán)。

二、系統(tǒng)組成架構(gòu)

感知層：由多深度土壤墑情傳感器（含水率、溫度、EC）、氣象環(huán)境傳感器（雨量、空氣溫濕度、光照、蒸發(fā)量等）及智能遙測終端（RTU）組成。

傳輸層：依托運營商基站網(wǎng)絡(luò)（4G/5G/NB-IoT）或LoRa無線組網(wǎng)，完成野外無人值守環(huán)境下的數(shù)據(jù)實時回傳，無需現(xiàn)場布線。

平臺層：對接托普云農(nóng)智慧農(nóng)業(yè)云平臺，負責設(shè)備接入管理、數(shù)據(jù)清洗存儲、空間可視化分析及業(yè)務(wù)應(yīng)用接口調(diào)用。

應(yīng)用層：面向政府監(jiān)管部門、農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體及科研機構(gòu)，提供Web端與移動端應(yīng)用服務(wù)。

三、核心技術(shù)特征

多層剖面監(jiān)測：支持垂直剖面多點布設(shè)，真實反映土壤水分縱向運移規(guī)律，避免單點測量代表性不足的問題。

高頻原位采樣：傳感器采用FDR原理，具備長期穩(wěn)定性與抗極化干擾能力，適應(yīng)不同質(zhì)地土壤的原位埋設(shè)與連續(xù)工作。

低功耗無人值守設(shè)計：采集終端采用工業(yè)級低功耗芯片與太陽能供電方案，結(jié)合休眠喚醒機制，保障野外長期連續(xù)運行。

四、核心功能

主機及傳輸部分：

1、系統(tǒng)供電：無線土壤墑情監(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(yīng)用進行切換；

2、長效續(xù)航：內(nèi)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(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，通過標準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)，并通過無線通訊方式上傳至管理云平臺；

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(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360°云臺調(diào)節(jié)，支持定時拍照功能、通過遠程設(shè)定拍照時間和拍照張數(shù)，可將現(xiàn)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(shè)計： 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(shù)據(jù)采集任務(wù)的實時性、系統(tǒng)模塊化、CPU的高效化應(yīng)用；

8、內(nèi)存容量： 無線土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)支持TF卡配置，最少可以存儲40萬條傳感器數(shù)據(jù)，可以確保5年傳感器數(shù)據(jù)存儲；

9、網(wǎng)絡(luò)通訊：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)通移動的2G，可隨時隨地聯(lián)網(wǎng)管理，支持手機App與Web端遠程查看設(shè)備信息及遠程管理操作；

10、故障排查：設(shè)備支持遠程故障在線診斷，當設(shè)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(shè)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(shè)備進行固件升級；

12、低功耗設(shè)計：低功耗設(shè)計加太陽能互補方式，內(nèi)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(shè)計：系統(tǒng)整機采用一體式設(shè)計，防濕防潮設(shè)計，防護等級：IP65，土壤傳感器防水等級IP68；

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

管理云平臺功能：

1、土壤墑情監(jiān)測站帶數(shù)字農(nóng)業(yè)云管理平臺包含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)進行匯總分析，數(shù)據(jù)不丟失，查看操作方式包括網(wǎng)頁端及手機端（安卓及蘋果系統(tǒng)均可用）；

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

3、平臺為設(shè)備數(shù)據(jù)提供曲線與表格等報表形式，平臺內(nèi)數(shù)據(jù)、圖表均可下載，進行數(shù)據(jù)對比分析及打印且數(shù)據(jù)報表可導出；

4、數(shù)字農(nóng)業(yè)云管理平臺支持傳感器實時數(shù)據(jù)及預(yù)警狀態(tài)可視化，可顯示每種參數(shù)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(yù)置若干常用的農(nóng)作物的報警配置。

6、數(shù)據(jù)評價：可以設(shè)置高低超限值，可自動進行數(shù)據(jù)預(yù)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(yù)測：依據(jù)GPS準確定位，對設(shè)備所在地區(qū)預(yù)測降水情況，包括48h預(yù)測和15d預(yù)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(jù)實際種植作物設(shè)定相應(yīng)墑情等級，快速掌握墑情實時信息；

10、根系分析：支持根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)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：支持利用經(jīng)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(yù)測（7天），有助于用于及時了解土壤水分散失情況；

12、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(shè)備基礎(chǔ)設(shè)置管理與遠程控制；

14、管理平臺軟件支持在線升級；

五、典型應(yīng)用場景

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門：縣域或市級墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，支撐抗旱應(yīng)急預(yù)案制定與糧食安全宏觀決策。

高標準農(nóng)田：集成至數(shù)字農(nóng)田綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)灌溉自動化聯(lián)動控制。

科研教學：長期定位觀測站、農(nóng)田水文試驗及全球變化生態(tài)學研究的野外數(shù)據(jù)獲取。

設(shè)施園藝與林果業(yè)：經(jīng)濟作物根系層水分動態(tài)監(jiān)測，指導水肥一體化精準管理。

六、部署與運維優(yōu)勢

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，支持根據(jù)監(jiān)測精度與覆蓋范圍靈活增減節(jié)點；設(shè)備安裝簡便，維護周期長，顯著降低傳統(tǒng)人工取土烘干法的人力成本與時間滯后性，實現(xiàn)墑情監(jiān)測的數(shù)字化與標準化。

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