土壤水分是土壤肥力的重要組成部分，是植物生長發(fā)育的重要影響因素，土壤水分也是研究農(nóng)業(yè)干旱及作物干旱的重要參數(shù)，是節(jié)水農(nóng)業(yè)中的重要指標(biāo)。土壤水分是研究土壤—植物—大氣所構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)中能量與物質(zhì)交換時(shí)十分重要的指標(biāo)，也是直接影響土壤發(fā)育演變和農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。

土壤水分是農(nóng)田灌溉管理、區(qū)域水文條件研究和流域水分平衡計(jì)算的重要參量。研究土壤水分含量及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律是農(nóng)業(yè)科學(xué)和環(huán)境科學(xué)工作中極為重要的組成部分。

土壤是由礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水、空氣和生物組成的復(fù)雜共生體，土壤、大氣環(huán)境、水與植物也構(gòu)成了一個(gè)非常復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，各種因素交互作用、交叉影響導(dǎo)致了土壤水分的變化具有一定的不確定性，使得土壤水分的測量增加了難度。

目前國內(nèi)市場上土壤水分測量傳感器多以單深度針式傳感器為主，也稱為第1代傳感器（如圖1所示），這種傳感器穩(wěn)定性和重復(fù)性都比較差，且精度普遍與標(biāo)稱值不符。傳感器大多是RS485/RS232接口，傳感器需要長電纜,功耗大且信號(hào)衰耗嚴(yán)重，性能不穩(wěn)定。第一代傳感器一般僅能實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的獲取，需要配置數(shù)字采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及通訊，如果把測量數(shù)據(jù)存入PC機(jī)，還需要上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集儀相連。由于連接電纜的束縛，導(dǎo)致應(yīng)用受限且設(shè)備復(fù)雜。

多個(gè)深度的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)需要多個(gè)獨(dú)立的RS485/RS232接口的針式傳感器與數(shù)字接收集成為一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)組成復(fù)雜。多個(gè)獨(dú)立傳感器集成對設(shè)備輸出一致性要求很高。此外系統(tǒng)龐大也造成野外監(jiān)測站的施工安裝復(fù)雜，安裝成本高。如果接入物聯(lián)網(wǎng)還需另外增加物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，甚至經(jīng)常因?yàn)榻涌诩皡f(xié)議不統(tǒng)一為組網(wǎng)增加了困難。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，大規(guī)模集成電路的發(fā)展，將數(shù)字儀表、無線發(fā)送設(shè)備與傳感器一體化設(shè)計(jì)，成為我國土壤水分測量傳感器第二代技術(shù)的標(biāo)志（如圖3所示）。第2代傳感器實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、在線、原位測量，而且“一管到底”，多個(gè)深度同時(shí)監(jiān)測，數(shù)據(jù)直接通過無線GSM/GPRS芯片發(fā)送至云服務(wù)器，用戶可借助任何終端（手機(jī)、PC機(jī)）隨時(shí)隨地查看數(shù)據(jù)。

第2代傳感器由于將多個(gè)設(shè)備集成設(shè)計(jì)，去除了影響系統(tǒng)性能的冗余器件，如電纜、接插件，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本，也能高效、實(shí)時(shí)地為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)提高源源不斷的數(shù)據(jù)源。

由于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器大多是插在田間地頭，不僅對精準(zhǔn)度要求高，還對可靠性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等有很高要求。此外，傳感器長期插在野外，太陽能板與管子一體化設(shè)計(jì)，如何能保證功耗進(jìn)一步降低，在南方雨季來臨沒有陽光照射時(shí)也確保電力充足？如何滿足日益增長的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的需求？

由筆者帶領(lǐng)的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院傳感器團(tuán)隊(duì)對目前我國傳感器市場及用戶需求做了大量調(diào)研，發(fā)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度與穩(wěn)定性不高是一些物聯(lián)網(wǎng)無法閉環(huán)控制的主要原因。團(tuán)隊(duì)總結(jié)了我國目前市場上傳感器的問題后，在航天恒星科技有限公司的資助下研發(fā)了我國第2.5代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專用傳感器（如圖4所示），系統(tǒng)框圖如圖5所示。

2.5代傳感器與第2代產(chǎn)品相比在多個(gè)深度的檢測電路一致性指標(biāo)上有很大改進(jìn)，確保了一根管子集成的多個(gè)傳感器輸出的一致性，此外功耗也大大降低，由原來的120mA降為僅為40mA（數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)）,實(shí)現(xiàn)了太陽能光伏板與管子一體化設(shè)計(jì)。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)傳感器團(tuán)隊(duì)再接再厲，為了解決多路檢測電路產(chǎn)生的工作點(diǎn)不一致且互相干擾而造成的誤差，以及誤差引發(fā)的不同深度濕度結(jié)果倒置造成的判斷錯(cuò)誤，進(jìn)一步優(yōu)化電路，研發(fā)了我國第3代“端云一體的多深度土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)”（系統(tǒng)功能如圖6所示），完全實(shí)現(xiàn)了模擬感知、數(shù)據(jù)采集、無線通信、云服務(wù)器及用戶終端一體化、小型化及系統(tǒng)化設(shè)計(jì)（產(chǎn)品外觀如圖7所示），系統(tǒng)可以對同一點(diǎn)四個(gè)土壤剖面的水分、溫度、空氣的溫度、濕度、大氣壓等參數(shù)同時(shí)測量。采用太陽能電池為系統(tǒng)供電，定時(shí)（1小時(shí)）采集、并檢測土壤體積含水率，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS方式無線傳送至云服務(wù)器平臺(tái)，用戶通過微信掃碼來登錄服務(wù)器查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件平臺(tái)內(nèi)置了多路土壤水分/溫度檢測電路、MCU、無線GSM/GPRS、藍(lán)牙及GPS模塊，將土壤水分/溫度信息、定位經(jīng)度/緯度/高度、測量參考時(shí)間以及狀態(tài)監(jiān)測信息組包，通過GSM/GPRS發(fā)送給云服務(wù)器；同時(shí)硬件平臺(tái)接收并響應(yīng)云服務(wù)器發(fā)送的召測指令。系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離、低功耗、低運(yùn)行維修成本等特點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了大區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)的低成本覆蓋。

系統(tǒng)還提供了基于擴(kuò)頻的超遠(yuǎn)距離NB-IoT技術(shù)方案以支持海量用戶。系統(tǒng)采用混合開發(fā)的App（HybridApp）技術(shù)，即在一個(gè)App中內(nèi)嵌一個(gè)輕量級(jí)的瀏覽器，部分功能采用HTML5來開發(fā)，不僅能夠在不升級(jí)App的情況下動(dòng)態(tài)更新，而且可以在Android或iOS的App上同時(shí)運(yùn)行，既可以節(jié)省開發(fā)的資源又可以使用戶有卓越的體驗(yàn)。此外，系統(tǒng)內(nèi)置加速度檢測芯片，具有防盜拔聲光警報(bào)功能；云平臺(tái)檢測到加速度異常值后，可以迅速追蹤傳感器位置。此外，系統(tǒng)采用太陽能還可以保障系統(tǒng)野外連續(xù)工作無人值守。

采用智能算法，在不增加傳感器成本及測量節(jié)點(diǎn)的情況下，對其它點(diǎn)精準(zhǔn)預(yù)估，實(shí)現(xiàn)了對傳感器四個(gè)有感知環(huán)的深度精準(zhǔn)測量精準(zhǔn)度≤2%，其它點(diǎn)任意測，預(yù)估誤差≤4%，綜合幾項(xiàng)國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)使該產(chǎn)品處于國際領(lǐng)先水平，為我國智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

第3代傳感器是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的整體解決方案，用戶購買了傳感器后無需另外自組網(wǎng)，直接與云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)連接，實(shí)現(xiàn)海量用戶和傳感器互聯(lián)互通，用戶可以借助任何移動(dòng)終端隨時(shí)隨地查詢傳感器的測量數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)折線圖、散點(diǎn)圖等，同時(shí)還能查詢?nèi)珖秶鷥?nèi)由傳感器監(jiān)測到的土壤墑情地圖。

隨著黨的十九大關(guān)于“加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國”，“實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村必須堅(jiān)持綠色發(fā)展的理念，意味著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須依靠科學(xué)的現(xiàn)代化手段，對農(nóng)田、水資源實(shí)施全面、高效、穩(wěn)定、長期的監(jiān)測；依靠精準(zhǔn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立土壤物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)平臺(tái)，對農(nóng)田實(shí)施必要的治理和監(jiān)管。這給智慧農(nóng)業(yè)帶來機(jī)遇同時(shí)也帶來挑戰(zhàn)，如何將人工智能、深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)，以解決對土壤多參數(shù)精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、在線、快速和有效監(jiān)測，研究和探索新的土壤參數(shù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測感知機(jī)理和方法迫在眉睫。