TPSQ-W-1土壤墒情自动监测站：原位剖面感知与智慧灌溉技术解析

一、产品概述

托普云农TPSQ-W-1土壤墒情自动监测站是一款面向农田根区水热过程观测的物联网原位监测装备。系统由立杆式采集主机、分层土壤传感阵列、苗情成像单元及数字农业云平台组成，可同步获取多层土壤体积含水率（VWC）、土壤温度与地表作物长势影像，并通过4G（Cat.1，兼容2G，可扩展5G）回传数据。

设备采用15W单晶硅太阳能板与220V市电双电源切换，内置大容量锂电，无光照条件下可独立运行15天以上；主机防护等级IP65，土壤探头IP68，支持北斗/GPS双模定位、防位移报警与断网续传，适用于大田、果园、茶园及长期野外观测试验。

二、工作原理

系统基于频域反射（FDR）介电测量原理构建土壤剖面感知：

介电反演：干燥矿物土壤介电常数较低，液态水介电常数显著更高。分层探头预埋于原状土中，向周向土壤发射高频电磁波，通过谐振频率偏移获取表观介电常数，再经Topp方程及按土壤质地、容重修正的本地化模型反演各层体积含水率；

分层同步：在0–20、20–40、40–60、60–100 cm等典型根系层布置独立测点，同步采集水热剖面，反映入渗、再分布、蒸散与深层渗漏过程；

数据闭环：RS-485接口汇聚传感器信号，嵌入式系统（FreeRTOS）完成时间对齐、边缘缓存与无线封装，平台侧结合气象数据计算相对含水量（RWC）、墒情等级与参考蒸散量（ET₀）；

辅助校验：可选扩展电导率（EC）、水势等参数，对盐渍化、基质偏差进行校正。

三、核心检测指标

1. 基础墒情参数

土壤体积含水率（VWC）：多层同步，典型4层可定制深度

土壤温度：分层同步，分辨率0.1℃，支持地温场与冻融过程观测

扩展参数：电导率（EC）、pH、土壤水势（按配置接入）

2. 伴随感知与设备功能

苗情图像：200万像素CMOS，360°云台，定时抓拍冠层物候

定位与状态：北斗/GPS坐标、海拔、位移偏离报警、电量与通信诊断

存储与传输：本地可存40万条以上记录，4G/5G上传，断网续传

远程管理：OTA固件升级、故障在线诊断、阈值预警与Web/App双端查看

3. 平台衍生指标

墒情等级判定（过湿/适宜/不足/干旱/重度干旱）

根系层水分盈亏、灌溉赤字估算

旱涝预警、苗情—墒情耦合趋势分析

四、功能特点

主机及传输部分：

1、系统供电：土壤墒情自动监测站采用15W单晶硅太阳能板进行供电，可支持220v市电和太阳能双电源供电，可按实际应用进行切换；

2、长效续航：内置大容量锂电池，可独立工作15天以上。外接太阳能电池板，可实现连续工作；

3、一体化数据采集：设备具有数据采集及上传功能，通过标准485接口集成土壤墒情传感器数据采集，包括土壤温度、土壤水分、作物苗情图像等参数，并通过无线通讯方式上传至管理云平台；

4、上传方式：数据可以上传到自己的电脑也可以上传到总服务器，可切换，无影响；

5、海拔及防盗定位功能：可测海拔高度，自动获取海拔参数和内置北斗、GPS、伽利略等多种定位系统，采用位移偏离算法判断设备位置移动，防盗防位移；

6、苗情图像采集：自带摄像头，CMOS1/2.7英寸图像传感器，200W（1280*1080）像素，手动360°云台调节，支持定时拍照功能、通过远程设定拍照时间和拍照张数，可将现场图片上传到管理云平台方便观察植物实际生长情况，动态播放苗情变化趋势；

7、嵌入式系统设计： 土壤墒情自动监测系统采用FREERTOS操作系统，提升了系统运行的可靠性、多数据采集任务的实时性、系统模块化、CPU的高效化应用；

8、内存容量： 土壤墒情自动监测系统支持TF卡配置，最少可以存储40万条传感器数据，可以确保5年传感器数据存储；

9、网络通讯：土壤墒情自动监测系统支持三网通4G CAT1（可选配5G）网络与服务器通讯，网络向下兼容联通移动的2G，可随时随地联网管理，支持手机App与Web端远程查看设备信息及远程管理操作；

10、故障排查：设备支持远程故障在线诊断，当设备发生故障，可通过远程在线故障诊断功能进行故障排查；

11、远程升级：设备具有OTA远程固件在线升级功能，可通过平台或者app，直接远程对硬件设备进行固件升级；

12、低功耗设计：低功耗设计加太阳能互补方式，内置大容量锂电池，放置在野外无太阳能充电的情况下，可以连续工作15日以上，有太阳能充电的情况下，可持续工作；

13、防水设计：土壤墒情自动监测系统整机采用一体式设计，防湿防潮设计，防护等级：IP65，土壤传感器防水等级IP68；

14、结构简约设计：2米不锈钢喷塑支架；金属喷漆两节式支架结构，钢质材料设计，牢靠稳固，外观美观；

管理云平台功能：

1、土壤墒情自动监测站带数字农业云管理平台包含B/S架构，可将所有便携式设备及在线设备数据进行汇总分析，数据不丢失，查看操作方式包括网页端及手机端（安卓及苹果系统均可用）；

2、平台支持设备数据云端存储，提供足够容量可长期保存；

3、平台为设备数据提供曲线与表格等报表形式，平台内数据、图表均可下载，进行数据对比分析及打印且数据报表可导出；

4、数字农业云管理平台支持传感器实时数据及预警状态可视化，可显示每种参数过程曲线趋势，最大值、最小值、平均值显示查看，放大、缩小功能，

5、用户可为作物配置传感器报警条件，预置若干常用的农作物的报警配置。

6、数据评价：可以设置高低超限值，可自动进行数据预警分析。

7、苗情监测：可在管理平台上查看作物生长苗情图片，支持动态播放苗情生长过程；

8、降水预测：依据GPS准确定位，对设备所在地区预测降水情况，包括48h预测和15d预测，帮助用及时了解降水信息；系统支持土壤容重和田间持水；

9、量会自动计算相对含水量，用户可根据实际种植作物设定相应墒情等级，快速掌握墒情实时信息；

10、根系分析：系统支持根据传感器数据，采用数据模型算法，对土壤各层水分消耗占比情况分析，自动判断作物根系生长深度；

11、墒情趋势分析：系统支持利用经典PM公式对作物参考蒸发蒸腾量ETo进行统计、分析和预测（7天），有助于用于及时了解土壤水分散失情况；用；

12、用户可以自定义时间查看土壤水分最值变化和当前水分所处区间，支持动态播放土壤水分变化趋势线。

13、管理平台可对设备基础设置管理与远程控制；

14、管理平台软件支持在线升级；

五、适用应用场景

高标准农田与精准灌溉：依据根系层含水量动态制定滴灌、喷灌制度，减少深层渗漏与表墒误判；

旱情与防汛监测：水利与农技部门布设网格化站点，跟踪土壤剖面干湿演变，支撑抗旱调度与渍涝预警；

果园与茶园管理：监测深层根区水分变化，辅助越冬水、返青水与控水促花措施决策；

盐碱地改良：EC与墒情协同观测，追踪盐分随水分运移规律，评估排盐洗盐效果；

育种与栽培科研：长期获取连续剖面水热数据，校验作物耗水模型、土壤水文参数与生长模拟系统；

设施农业水肥一体化：联动施肥设备，在土壤水分适宜窗口期实现“以水带肥"的变量管理。

六、科研价值与系统意义

TPSQ-W-1的价值在于把“土壤—植物—大气连续体（SPAC）"中难以直接观测的根层水分过程，转化为时间对齐、空间可定位、可复现的数字序列：

替代烘干法离散取土的时间断层，提供分钟级连续剖面真值；

支撑灌溉决策从“经验周期"转向“根区阈值驱动"；

为作物需水模型、旱情评估、碳水平衡与数字孪生农田提供底层感知数据；

在智慧农业体系中，作为田间数字底座的感知节点，衔接气象站、虫情监测、表型平台与农事管理系统，形成“感知—诊断—决策—执行"的闭环。

对科研机构与农技推广体系而言，该类监测站不仅是数据采集终端，更是水土资源精细管理与农业模型迭代的基础设施。

总结

托普云农TPSQ-W-1土壤墒情自动监测站以分层原位感知、低功耗物联架构与平台化数据能力，构建了根区水热过程的连续观测基座。其技术意义不在于单一湿度读数，而在于把土壤水分的时空异质性转化为可量化、可追溯、可预测的农学参数，为节水灌溉、耕地质量保护与智慧农业系统提供扎实的数据支撑。

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