2026土壤墒情监测站：根区水热动态的无线原位感知节点

一、产品概述

托普云农TPSQ-W-1无线土壤墒情监测站是一套面向农田根区水热过程观测的物联网原位监测装备。系统以立杆主机+分层土壤传感阵列+苗情相机为核心，可同步获取多层土壤体积含水率（VWC）、土壤温度及地表作物长势影像，并通过4G（Cat.1，兼容2G，可扩展5G）回传至数字农业云平台。

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IP65防护、土壤探头IP68防护，支持北斗/GPS双模定位、防位移报警与断网续传。其定位不是单点湿度速测笔，而是替代烘干法离散取土、打通SPAC（土壤—植物—大气连续体）中根系层水分运移时间断层的田间真值节点。

二、工作原理

系统基于频域反射（FDR，可选TDR校验）介电测量原理。干燥矿物土壤介电常数较低，液态水介电常数显著更高，土壤湿润程度直接改变高频电磁场响应特征。

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。同步集成的铂电阻（Pt100/Pt1000级）测定各层土温，对介电常数做温度补偿，削弱冻融与季节热漂移偏差。

边缘主机（FreeRTOS架构）按分钟级周期轮询多通道，执行滑动平均、3σ野值剔除与介电—温度交叉补偿，本地TF卡可存约40万条数据（≥5年）。平台侧按统一时标对齐，计算相对含水量（RWC）、墒情等级（过湿/适宜/不足/干旱/重度干旱），并结合FAO-56 Penman-Monteith模型估算ET₀，输出灌溉赤字与旱涝预警。

三、核心检测指标

基础墒情参数

土壤体积含水率（VWC）：典型4层（0–20/20–40/40–60/60–100cm），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

可选扩展：电导率（EC，盐渍化校正）、pH、土壤水势

伴随感知

苗情图像：200万像素CMOS，360°云台，定时抓拍冠层，动态播放物候

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

四、功能特点

主机及传输部分：

1、系统供电：无线土壤墒情监测系统采用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： 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： 无线土壤墒情监测系统支持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：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：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：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；

12、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

大田精准灌溉：稻麦玉米全生育期按20–60cm根区含水率动态启灌，避免“表土湿而根区旱"误判。

高标准农田与灌区：网格化布站，量化降雨入渗补给与退水排盐过程，支撑水资源定额管理。

旱作与半干旱区：监测土壤水库消长、集雨补灌效益与抗旱保苗临界窗口。

设施农业：温室基质与裸土分层墒情联动滴灌，降低渍涝与养分淋失。

盐碱地改良：EC与VWC同图观测，评价压盐洗盐效率与脱盐深度。

科研长期定位：为作物模型（WOFOST/DSSAT）、HYDRUS土壤水动力学、G×E表型分析提供连续环境协变量。

生态与灾害辅助：草原干层监测、湿地饱和过程、坡面浅层含水率异动参考。

六、科研价值与系统意义

在科研层面，TPSQ-W-1消除烘干法破坏原状结构、手持笔缺乏垂向代表性的方法学偏差。其连续（深度—时间—坐标）序列可追踪降雨入渗锋面、根系层吸水剖面与蒸散拆分过程，支撑土壤水分特征曲线校验、抗旱性量化与数字育种环境建模。

在产业层面，系统把“按日历灌水"转为“按根区数据灌水"：ET₀与分层VWC相减得实时缺水缺口，干旱/渍涝双向预警抢出48–72小时响应窗口，水盐同图降低次生盐渍化风险。作为天空地一体化感知网的地下节点，它与气象站、虫情灯、多光谱无人机协同，构成“水—土—气—苗"可溯源决策底座。

总结

TPSQ-W-1土壤墒情监测站以介电反演与低功耗物联网为内核，将根系层水热状态转化为带深度、时间与坐标属性的连续数据。它不替代农学判断，而是把“土壤渴不渴"翻译成可计量、可回溯、可执行的参数集，在科研水文建模与规模农业生产中同时承担“根区听诊器"与“灌溉调度基座"的角色。

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