土壤墒情气象监测系统解决方案

土壤墒情气象监测系统解决方案

第--章项目概述

1.1项目背景

随着时代的发展，更多的人认识到农业环境监测的重要性，有关部门也印发各类通知，以保障农业环境生产需要。2019年，农业农村部印发《关于做好农业生态环境监测工作的通知》，强调做好土壤环境监测、农田氮磷流失监测、农田病虫害/外来入侵物种的监测。其中，《通知》指出，开展农业生态环境监测，对于准确判断我国当前农业生态环境形势，实施农业农村污染治理攻坚战行动计划，不断改善农业生态环境质量，保障农产品质量安全具有重要意义。

土壤墒情、气象环境监测作为生态监测的重要领域，也是我国国民经济持续、健康和稳定发展的重要基础和保障,所有作物的生长，都离不开土壤和气候这两大条件。优质的土壤墒情气象环境才能种植出优质的农作物，于是监测土壤墒情气象环境就成了一项很重要的工作。在过去，需要工作人员亲力亲为到田间地头采集样本进行监测，而随着农业现代化的发展，土壤墒情气象环境监测也变得科技化，带有高科技传感器的智能土壤墒情气象监测系统被越来越多的应用到农业种植上，工作人员通过互联网后台就能实时获取信息，不仅为其工作提供了极大便利，还能在节省人力物力的同时及时发现潜在的问题，减少损失。

1.2建设目标

土壤墒情气象监测系统的总目标是打造智慧型农业土壤墒情气象监测体系，通过各种土壤、气象监测设备，实时监测农业土壤、气象环境变化情况，并通过4G网络上传至云平台，以便管理人员及时知悉相关状况作出相应处理。

具体目标包括：

在监测区域适宜位置安装各种土壤、气象监测传感器设备，实时监测该区域内土壤、气象状况；

农业气象监控主机实时显示传感器所监测到的土壤、气象信息，并通过4G网络上传至环境监控云平台；

云平台对收集到的信息进行智能化分析处理，并具有备份功能，方便管理人员随时查看相关数据。

1.3设计原则

在研发设计土壤墒情气象监测系统的时候，我们总结前人开发的经验，结合自控和软硬件技术，以智慧农业为目标，建设以信息化为基础，无缝隙、化、智慧型的现代农业土壤墒情气象监测预警体系。具体目标如下：

■系统的标准化

系统建设应坚持标准化，遵循和行业相关业务、管理和技术规范标准。

■技术的先进性

系统应采用成熟、先进的技术，建设符合信息技术发展潮流的基础架构，确保系统技术的先进性和前瞻性，保证投资的有效性和延续性。

■软件的适用性

系统的建设应切实满足用户的实际业务需求，具有较高的适用性。

■软件的实用性

系统建设应充分考虑使用人员的能力和素质、专业结构、部门业务需求情况，做到易学易用、操作简单、尊重使用人员工作习惯；并具有一定的数据自动校验功能。

■系统的稳定性

系统的建设规划要充分考虑系统投入运行后即作为生产系统，保证7×24小时服务：一是要求应用系统首先是成熟可靠的；二是要求具有备份功能和措施；三是要求具有高的容错及故障恢复能力，在出现意外时能够隔离故障区，保护重要数据，通知管理人员做人工干预，避免灾难性后果发生。

■系统可维护性

系统应能通过集中控制台方便地配置、监视、控制、诊断整个系统，并且能够监视和控制用户情况、提高效率、消除隐患。运行环境根据需要发生变化时，包括新的硬件和软件（含系统软件和数据库）投入使用后，应保证该系统的正常运行。

■系统可扩展性

系统的建设必须考虑到与已有系统、其它单位系统以及将来待开发系统之间的互联，因此在满足目前需求的前提下，设计时还要分析并预测未来的发展。应保证设计的应用系统具有良好的二次开发功能，以利于今后的扩展。对于未来的发展，要立足在现有的基础上升级改造，保护现有投资。

■系统可管理性

系统的部署、使用及管理以简便、易于操作、方便实用为准则，采用基于Web方式管理系统，降低系统管理、维护成本，提高系统的可管理性。

■系统的安全性

系统建设应充分考虑用户、应用、网络方面的安全性要求，防止来自外部非法的访问。应具有用户的身份认证和权限管理，对应不同的应用层次。既能保证不同用户高效、快速地访问控制授权范围内的系统资源，也能有效地阻止用户之间的非法侵入、非授权访问。对关键的设备和系统还有完善的安全性保护方案。

1.4设计依据

《数字农业农村发展规划（2019-2025年）》

《地面气象观测规范标准》

国务院《关于积极推进“互联网＋”行动的指导意见》

农业部《关于推进农业农村大数据发展的实施意见》

《农业科技园区发展规划(2018-2025年)》

《综合气象观测系统发展指导意见》

《综合气象观测系统发展规划（2010-2015）》

第二章项目介绍

2.1土壤墒情气象监测系统介绍

土壤墒情气象监测系统将物联网数据采集技术、无线通讯技术、大数据管理与分析与农业生产相结合，致力于实现能耗的降低，科学的种植，系统化、规模化的精细管理。通过实时掌握植物的生长环境信息，建立种植过程中的大数据库。通过实时采集农业生产过程中的土壤墒情环境、气象变化等基础数据，达到针对不同农作物、不同生长周期内所需各种良好条件制定科学有效措施的目的。从而保证在小资源使用的情况下，对作物所需水分及环境进行科学的自动化反馈；在限度内提高作物产量，改善农产品的品质，节约不必要的人力，杜绝安全隐患。

系统框架：

2.2土壤墒情气象监测系统优势

■专注所以专业

我司多年来一直专注于环境监测这个行业，力争为客户提供的、性价比的环境监测产品和解决方案，是环境监测行业的知名厂商。具有完备的产品和解决方案，供应地区300+、服务全球110k+客户。

■质量把控，多次荣获行业奖项

公司农业四情监测系统曾在由山东省工业和信息化厅主办的2021年度“山东省企业创新成果”中获得“创新成果一等奖”；其研发的“智慧农业一体化监控系统”，被评为“2022年山东省企业创新品牌成果”，同时获得“山东省机械工业科学技术奖”等奖项。本方案中所使用监测系统均通过“农机具质量监督检验中心”检验，力求严格把控质量。

■专业传感器，监测

土壤墒情气象监测系统均采用高精度传感器，测量范围广，准确度高，确保产品优异的可靠性、高精度和互换性。

■一统多能，灵活度高

土壤墒情气象监测系统集土壤墒情监测、气象监测多种农业环境监测要素于一体，全面解决农业生产中所存在的问题，并具有灵活开放性，可以根据不同用户的农业生产需求，可以接入多种传感器及控制设备，支持多种传输方式。

■提供免费云平台，功能强大

平台采用B/S架构，维护和升级方式简单，少支持1000个采集设备的监控和管理，采用专业的数据库，稳定可靠、易于扩展，支持软、硬件分层，支持多级用户管理权限。具备多级别告警方式，支持语音、短信、邮件和现场声光报警方式。平台自动采集农业各环节设备上传的监测数据，并通过GPS地图、列表、图标、曲线的方式在平台页面端显示，满足用户对实时监测信息的多维度、多层面查看数据。

■布线简洁，容易维护

整个系统集软硬件一体化设计，高度集成，使用寿命长。本系统施工部署非常简便，细节考虑周到，扩容方便。

■跨区域统一管理

通过设立统一监控管理站，对分布在不同区域的多个设备和信息进行全数字化集中监控管理，满足现代化农业各个环节监测站点统一监管需要。

■基于标准的IP网络，组网方便

组网方式基于标准的IP网络，组网方便，只要能上网的地方就可以实现农业生产中各个环节的集中监控，基于TCP/IP网络通信协议，对监控节点分布广、数量大的多站点集中智能监控提供了有效的监控手段，使用基于IP网络的监控系统为网络运营维护的统一管理提供了可能。

■多种管理方式

系统支持Web端、移动端多种管控方式。部分设备还配置专属NFC配置软件，该软件采用近场通信NFC技术，由非接触式射频识别（RFID）及互连互通技术整合演变，通过在单一芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通信的功能，可以在彼此靠近的情况下进行数据交换。

■具有丰富的自动告警方式

系统支持电话、短信、邮件等告警方式，并具有多种告警方式可以选择，满足绝大多数用户的需求。并且可灵活设置报告数据的间隔，减少系统正常时发送的普通数据，而在异常发生时可以及时将报警事件通知到监控中心。从而保证了系统报警的实时性和可靠性。

■软硬件产品集成度高

土壤墒情气象监测系统软硬件产品根据行业发展的需要，与时俱进，不断更新换代对应的产品，剔除过时及冗余的功能，不断集成有效地新功能，使产品具备越来越高的集成度，给客户提供更高性价比的产品。

■切合客户需求的独有功能

土壤墒情气象监测系统结合客户需求，集成了很多比较实用的功能，也可根据客户需求，支持定制。从客户使用的角度出发，使应用和维护尽可能方便省心。

第三章项目方案设计

3.1土壤墒情气象监测系统方案设计

土壤墒情气象监测系统由土壤墒情监测、气象监测、以及视频监控三个子系统组成，通过4G无线信号将数据上传至综合环境监控云平台，管理人员可远程实时查看各环境参数数据及趋势，节省人力，并根据数据反馈作出相应调整，以保证农作物良好的生长态势。

3.2土壤墒情气象监测系统拓扑图

3.3土壤墒情气象监测系统子系统方案设计

本系统主要由土壤墒情监测系统、农林气象监测系统以及视频监控系统三个子系统构成。

3.3.1土壤墒情监测系统

监测意义：高质量产出离不开健康和肥沃的土壤，做好土壤墒情监测，是防止干旱洪涝的重要手段之一，也是实现智慧农业的关键环节和建设现代农业的基础支撑。土壤墒情监测系统通过各专业的土壤传感器设备对土壤做出及时的监测分析，对于科学种植，高效生产，提高土地产量，更好地实现农业可持续发展具有重要意义。

监测要素：土壤温度、土壤水分等。

监测内容：各传感器信号集中采集、测点状态监测、超限告警、报警记录、历史数据查询、远程控制等。

监测效果：土壤墒情监测系统利用太阳能电池板进行供电的方式，通过在农业大田安装的土壤传感器实时监测土壤的水分、温度等介电参数，并通过气象监控主机将数据自动上传至综合环境监控云平台，用户终可以通过多终端查看数据。当任一土壤参数超过设置的上下阈值时，系统自动触发短信、语音、邮件告警，通知管理人员紧急处理。

【土壤墒情监测系统示意图】

3.3.2农林气象监测系统

监测意义：在农业中，适宜的气象条件是农作物生长发育不可或缺的因素。气象监测主要是监测当地农林小气候环境的变化。准确的气象监测数据有助于管理人员掌握当地气候变化，合理管理农作物，及时调整农作物的种植活动。山东仁科农林气象监测系统集风速、风向、空气温湿度、大气压力、光照强度、降水量等多个气象监测设备于一体，可实现对农田气象环境的24小时实时监测，为合理配置农业生产、确定耕作制度和栽培方式提供的数据支持，提前采取措施预防气象灾害，在人为的干预下趋利避害，达到高产丰收的目的。

监测要素：温度、湿度、大气压力、风速、风向、雨量、二氧化碳、光照等。

监测内容：各传感器信号集中采集、测点状态监测、超限告警、报警记录、历史数据查询、远程控制等。

监测效果：农林气象监测系统的核心在于农业气象站，其具有1路ModBus-RTU主站接口，可通过此接口连接我司485变送器；可监测温度、湿度、大气压力、风速、风向、雨量、二氧化碳、光照等气象条件；同时该气象站还可以根据用户自己的需求搭配任一485变送器（不限于默认的485设备）；还具有2路继电器输出，可关联到任何一路信号采集上做报警或自动控制使用；电控箱内可接网络视频字符叠加器和4G路由器，可扩接摄像头设备，同时还可扩接七寸触摸屏进行现场显示。该系统可通过4G方式将数据自动上传至综合环境监控云平台，用户终可以通过多终端查看数据。当任一气象参数超过设置的上下阈值时，系统自动触发短信、语音、邮件告警，通知管理人员紧急处理。

【气象监测系统示意图】

3.3.3视频监控系统

监测意义：农业是我国的重要的产业之一，目前，农业视频监控在全国各地都有应用，能够直观地反映农作物生产的实时状态。智慧农业视频监控系统，通过在现场安装摄像头及传感器，将监测到的数据通过视频字符叠加器叠加在监控画面上，对整个农种过程中的耕种、施肥、采摘、包装等各个环节进行视频监控，实时远程动态查看农业田间动态影像及田间农作物的生长状态，即可直观反映一些作物的生长状态，也可以实时观测影响作物生长的各项环境因素的变化情况，以此从整体上给农户提供更加科学的种植决策理论依据。

监测要素：作物生长状况、环境变化情况等。

监测内容：通过摄像头远程监测区域范围内作物生长情况，监测数据查询、数据异常告警、联动设备控制、平台控制等。

监测效果：农业视频监控系统是我司自主研发土壤墒情气象监测系统的一部分，在现场监测区域内安装若干个视频监控摄像头，运用无线通信技术和视频图像信息处理技术，对农田、农业园区的作物进行24小时全天候实时图像监控。此外，监测到的各项数据通过视频字符叠加器可叠加显示在监控画面上，视频字符叠加器不仅支持单台摄像机的字符信息处理，还可同时支持多台摄像机叠加使用，用户也可根据实际需求将此产品连接我司485设备，简单配置叠加器后，高清网络摄像机视频画面上会叠加显示相应字符信息。如此，信息实现管理人员不仅可通过视频监控画面远程查看作物的生长状态，还可直接查看各项参数监测数据。不仅保障了种植现场的安全生产，还提高了管理人员工作效率以及种植生产科学管理水平。

【视频监控系统示意图】

第四章综合环境监控云平台

4.1概述

综合环境监控云平台以先进的信息采集系统、物联网、云平台、大数据以及互联网等信息技术为基础，各级用户通过PC端WEB、APP客户端、微信端等多种渠道访问平台数据，实现远程系统管理功能。用户可实时对项目上每个重要参数进行实时监测、管理，同时实现基于平台的远程手动控制。

4.2功能介绍

4.2.1数据实时监控

平台支持实时查看所测环境的土壤墒情气象环境数据。数据可以通过图形化界面、列表等方式反映，图形化界面的优势在于让用户直观看到数据和传感器相对位置，列表则更利于用户对数据进行对比。

【首页数据展示】

【列表展示】

4.2.2超限告警

当任一要素超过预置报警值、设备处于离线状态时，系统能提供平台界面告警、短信告警、电话告警、邮件告警等报警方式，并进行事件记录，供调用和分析。

支持所有监测因子报警上限、下限，预警上限、下限设置，支持因子数据异常字体变色，因子告警数据颜色用户可自定义。

针对短信、振铃、微信、邮件告警方式有专门的告警联系人管理列表，便于当报警联系人变动时快速查询、添加、删除。

4.2.3视频监控

全面性的监管，实现气象站周边环境画面联网呈现，支持在现场安装摄像头及传感器，传感器监测到的数据通过视频字符叠加器可叠加在监控画面上，其界面显示全部信息，避免反复切换，实现远程监控。

4.2.4历史数据查询、导出

可通过系统查询每个监测点的设备信息，对设备监测数据、历史数据进行查询。并生成数据曲线图，具有单个或多个因子数据存储/查询/导出数据功能，支持PDF、excel等多种数据格式导出，导出内容标题、使用单位名称用户可自定义，同时可导出数据查询的时间段、查询数据账号、保存数据间隔、离线判断间隔等重要信息。

4.2.5继电器控制

支持电脑端、APP端远程手动控制现场设备继电器，且继电器名称可自定义编辑，相应继电器控制功能是否启用客户可自行编辑。

4.2.6移动端APP

为方便移动端用户监测数据，推出“云控通”手机APP，方便用户24小时实时监测。可以通过账号密码登录云平台，一键控制上万个设备。支持视频查看，设备故障/异常报警，支持离线告警功能，支持实时数据查看，历史数据曲线查看，还可连接蓝牙打印机进行数据打印。

4.2.7系统管理

平台具有完善的权限分级和管辖分区等等功能，无限级权限设定，根据要求自由组合权限。用户操作具有完善的日志记录，方便查看操作记录。

4.2.8账号分级

支持账号分级管理，针对项目实际需求增设子账号，并分配不同管理权限，做到项目管理分工明确，用户可定义不同的用户角色，并赋予角色的不同权限管理。

4.2.9设备管理

可对设备进行节点、报警、储存进行设置。

4.2.10流量卡预警功能

实时获取现场4G型物联网设备的卡号，自动分析卡号剩余流量，自动分析，到期时间预警提醒，让项目管理人员及时充值，防止流量卡到期运营商销号造成项目停滞。

4.2.11大屏可视化

可投屏显示，自动刷新，滚动播放所有设备信息，数据清晰、直观，便于管理员进行系统查看。

4.2.12二次开发

提供的云平台完全免费，界面完全中性，并支持用户二次开发。

4.2.13千人千面

针对小规模应用的用户，云平台提供可配置的“千人千面”界面与私有域名解析的服务，客户只需要投入几十元购买一个域名，备案成功后就能拥有自己的私有登录链接，且登录界面平台名称可根据用户要求更改。

第五章实际案例

5.1土壤墒情监测系统

5.2农林气象监测系统