无线土壤墒情监测站产品介绍

一、设备定义与水文学定位

托普云农无线土壤墒情自动监测站（TPFS系列，含TPFS-WS无线墒情站及配套云平台）是由浙江托普云农科技股份有限公司研制的农田水文参数原位自动观测装备。该设备以频域反射或可选时域反射（TDR）介电常数测量原理为基础，通过在作物根系活跃层垂向布设多深度探头，连续、同步获取土壤体积含水量（VWC）、土壤温度及可选的电导率（EC）/pH值，替代传统烘干法、中子仪等离散破坏性采样，为农业水文循环中入渗—蒸发—蒸腾过程的量化研究、灌溉制度制定及旱涝灾害预警提供高密度时空数据支撑。

二、监测原理——介电常数反演土壤含水率

干燥的矿物质土壤介电常数约为3～5，而液态水介电常数约为80（1 GHz下）。FDR传感器向土壤中发射高频电磁波（典型100 MHz量级），测量平行探针间LC振荡电路的谐振频率或复阻抗变化，计算得到土壤表观介电常数ε，再通过Topp经验公式或其修正版（考虑土壤质地、容重、盐分干扰校正）反演土壤体积含水率。同步埋设的Pt100/Pt1000铂电阻温度传感器测定各层土壤热状况，二者结合可分析冻融过程、地温对水分运移的影响及作物根系吸水深度推断。

三、核心功能

主机及传输部分：

1、系统供电：土壤墒情实时监测系统采用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；

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： 土壤墒情实时监测系统采用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： 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：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：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、土壤墒情监测系统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；

四、工作流程与数据链路

原位采集：按预设间隔（可分钟级设定）唤醒传感器，读取各层介电常数与温度原始值。

边缘处理：采集器依内置土壤质地修正模型计算体积含水率与温度，滤除野值后暂存本地。

无线传输：经4G/NB-IoT/LoRa链路加密上传至B/S架构"土壤墒情监测云平台"。

墒情评价与预警：平台对照田间持水量（FC）、凋萎系数（PWP）及用户设定阈值进行墒情等级划分（适宜/不足/过多），触发短信/APP/Web端多级报警；可结合Penman–Monteith方程计算参考蒸散量（ETo）与作物需水量辅助灌溉决策。

可视化与追溯：生成多深度墒情时程曲线、剖面热力图、旱涝预警专题图，支持历史数据回溯、批量导出及与省级耕地质量/农情平台API对接。

五、智能分析与农学应用逻辑

精准灌溉决策：依据实时根区剖面含水量与作物系数（Kc）推算实际蒸散量（ETc），当监测值低于作物适宜下提示开启滴灌/喷灌，高于田间持水量时提示停止，避免过度灌溉导致的养分淋失与板结。

旱涝灾害预警：设定不同深度含水率上下限阈值，持续低于下限触发干旱预警，持续饱和触发渍涝预警，结合短期降水预报可提前数小时至数日发出防范提示。

盐渍化辅助监测（选配EC探头）：长期跟踪根区土壤电导率变化，识别因过量施肥或地下水返盐引起的次生盐渍化趋势，指导洗盐与改良剂施用。

根系活动推断：对比各层水分消耗速率差异，间接判断活跃根系集中深度与吸水高峰时段，服务于深松、追肥等农事操作时机选择。

六、适用场景与学科意义

广泛适用于高标准农田建设项目的墒情监测网点、大田粮食作物（小麦—玉米轮作、水稻、棉花等）节水灌溉试验区、果园茶园根区水分管理、设施农业基质含水量监控、草原与荒漠生态恢复水分监测站及水土保持试验流域。该系统克服人工取土法频次低、扰动大、无法捕捉瞬时降雨—入渗动态的缺陷，将土壤水文学观测下沉至田块尺度连续原位监测，是推进农业水文学向数字化、网格化及精准灌溉管理转型的基础观测设施。