基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)噴灌節(jié)水監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的灌溉方式導(dǎo)致淡水資源利用率較低的問題，給出了基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)噴灌節(jié)水監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)由上位機(jī)程序、中轉(zhuǎn)服務(wù)器、子控設(shè)備三部分組成。子控設(shè)備用于獲取農(nóng)田監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境信息以及提供灌溉操作的控制接口。中轉(zhuǎn)服務(wù)器則負(fù)責(zé)管理各子控設(shè)備、完成上位機(jī)程序和子控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。上位機(jī)程序?qū)崟r的監(jiān)控子控設(shè)備，用戶通過上位機(jī)程序可以十分容易的獲取農(nóng)田的狀態(tài)以及控制灌溉操作。當(dāng)上位機(jī)程序向子控設(shè)備發(fā)送灌溉命令時，子控設(shè)備根據(jù)農(nóng)田的土壤濕度及上位機(jī)程序的給定濕度，智能的決定實(shí)際灌溉量，從而大幅度的降低水資源的浪費(fèi)，提高了水資源的利用率，對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展將會產(chǎn)生巨大的作用。

關(guān)鍵詞：智能農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；精準(zhǔn)噴灌；節(jié)水監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：S27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

Based on the Internet of things Precise Irrigation Water Saving Monitory System

LIU Yi-zhen，WU Jun-ou，WEI Jia-yu，HE Hao-rong

（University of Electronic Science And Technology of China，Zhongshan Institute Computer Institute，Guangdong 528402，China）

Abstract：In view of the fact that traditional agricultural irrigation methods leads to low utilization rate of water resources，propose a precise irrigation water saving monitory system based on the internet of things .This system is composed of three parts，which are sub control device，transit server，upper monitor.The sub control device is used to obtain the environmental information（liked soil humidity） of monitoring site and provide irrigation operation.Finally，the transit server will pass it to the upper monitor.The transit server has responsibility to manage the sub control device and complete the data exchange between sub control device and upper monitor.The upper monitor will get the farmland environmental information in real time.Users can control the irrigating operation and obtain the farmland environmental information easily from that.On sending the irrigating command，the sub control device will control the actual irrigation volume smartly according to the current soil humidity and user desired ground humidity，which is greatly reducing the waste of the water resources and improve the utilization rate of that，it will play a great role in developing for a modern agriculture.

Key words： intelligent agriculture；internet of things；precise irrigation；water saving monitory system

0 前言

我國是人口大國，農(nóng)業(yè)大國，同時也是貧水大國，雖然我國的淡水資源總量較大但人均占有量低，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。由于大量工業(yè)廢水污染了部分河流、地表的淺層水資源，并且有逐年加重的趨勢，進(jìn)一步加劇了水資源緊缺的矛盾。農(nóng)業(yè)作為國家的經(jīng)濟(jì)命脈和“用水大戶”，由于人們長期以來對水資源的不重視，對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的投資和技術(shù)都比較少，這就導(dǎo)致我國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平不高。為了克服我國農(nóng)業(yè)方面的水資源利用率不高的問題，綜合實(shí)際情況，利用嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)出一套用于農(nóng)業(yè)灌溉方面的節(jié)水系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取農(nóng)田信息，并且根據(jù)農(nóng)田的條件設(shè)定灌溉量，大幅度地提高水資源的利用率，節(jié)省大量人力，達(dá)到智能灌溉節(jié)水的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

噴灌系統(tǒng)主要由上位機(jī)程序、中轉(zhuǎn)服務(wù)器、子控設(shè)備三部分組成。

子控設(shè)備主要用于獲取農(nóng)田監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境信息（如土壤濕度、光照強(qiáng)度）以及控制該監(jiān)測點(diǎn)的水量灌溉（即控制灌溉操作）。

上位機(jī)程序本質(zhì)是一個對話框程序，用戶通過該對話框程序可以十分簡單的獲取農(nóng)田監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境信息、控制監(jiān)測點(diǎn)的水量灌溉操作（上位機(jī)程序發(fā)送對應(yīng)的命令到子控設(shè)備，由子控設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的操作）。

中轉(zhuǎn)服務(wù)器用于管理各子控設(shè)備，并且實(shí)現(xiàn)上位機(jī)程序和子控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。當(dāng)上位機(jī)程序發(fā)送“獲取環(huán)境信息”命令到中轉(zhuǎn)服務(wù)器時，由中轉(zhuǎn)服務(wù)器將該控制命令發(fā)送給對應(yīng)的子控設(shè)備。最后由子控設(shè)備將監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境信息發(fā)送到中轉(zhuǎn)服務(wù)器，由中轉(zhuǎn)服務(wù)器反饋給上位機(jī)程序。

在上位機(jī)程序和子控設(shè)備的通信（即數(shù)據(jù)傳遞）之間引入中轉(zhuǎn)服務(wù)器的根本原因是，農(nóng)田監(jiān)測點(diǎn)與中轉(zhuǎn)服務(wù)器之間的距離較遠(yuǎn)，不宜用WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，故采用NRF905模塊實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)服務(wù)器與子控設(shè)備間的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳遞。一般來說，中轉(zhuǎn)服務(wù)器和電腦放在室內(nèi)，因此上位機(jī)程序和中轉(zhuǎn)服務(wù)器之間的通信可以借助于WIFI。對于噴灌系統(tǒng)的各模塊之間的聯(lián)系如圖1所示。

圖1噴灌系統(tǒng)總體設(shè)計方案圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 子控設(shè)備板硬件設(shè)計

子控設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)灌溉量的控制、獲取農(nóng)田監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境信息等兩個基本功能。硬件上主要包括ATmega16的最小系統(tǒng)、電機(jī)和電磁閥驅(qū)動電路、光照強(qiáng)度和土壤濕度檢測電路，這里主要介紹環(huán)境檢測電路硬件設(shè)計。對于農(nóng)田環(huán)境的監(jiān)測，可以通過傳感器獲得。這里采用光敏電阻和濕敏電阻分別測量光照強(qiáng)度和土壤濕度，這些電阻在受到特定信號的刺激時，會使自身的阻值發(fā)生變化，通過DS18B20溫度芯片可以十分容易的獲取農(nóng)田的溫度信息，通過HC-SR501人體紅外模塊監(jiān)測子控設(shè)備附近是否有人。最后為了計算出閥門是否堵塞，需要使用霍爾傳感器對水流量進(jìn)行統(tǒng)計，其接口如圖2所示。

圖2 環(huán)境檢測接口電路圖

2.2中轉(zhuǎn)服務(wù)器硬件設(shè)計

中轉(zhuǎn)服務(wù)器的硬件電路主要分為lpc2138最小系統(tǒng)、TFT液晶接口、無線模塊接口、EPROM應(yīng)

用電路，這里主要介紹無線模塊接口電路。

NRF905無線模塊具有SPI接口，通過ATmegea16的SPI接口，能夠方便的操作該模塊。由于單片機(jī)通過SPI接口下載程序，為防止NRF905對SPI總線占用而導(dǎo)致無法下載程序的的現(xiàn)象，需在MISO、MOSI、SCK引腳處添加阻值為10千歐

的隔離電阻，其接口電路如圖3所示。

圖3無線模塊接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1上位機(jī)程序軟件設(shè)計

上位機(jī)程序?qū)⒂脩裘畎l(fā)送到中轉(zhuǎn)服務(wù)器，由中轉(zhuǎn)服務(wù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。測試前中轉(zhuǎn)服務(wù)器先上電，并配置PC端的無線網(wǎng)卡連接到“SERVER”網(wǎng)絡(luò)，然后打開上位機(jī)程序并單擊菜單項中的連接按鈕，這時上位機(jī)程序會不斷的發(fā)送輪包給子控設(shè)備，只要子控設(shè)備收到輪詢包則必定給上位機(jī)發(fā)送應(yīng)答，且通過應(yīng)答包的data域反饋農(nóng)田環(huán)境信息。通過上位機(jī)程序中的設(shè)備圖標(biāo)便可知道子控設(shè)備是否在線且閥門是否阻塞。如圖4中的設(shè)備1的圖標(biāo)顏色為紅色，表示閥門阻塞，其余設(shè)備的圖標(biāo)為灰色，表示設(shè)備沒有在線。

圖4 上位機(jī)程序軟件界面圖

3.2中轉(zhuǎn)服務(wù)器軟件設(shè)計

中轉(zhuǎn)服務(wù)器的大體框架比較簡單，首先是調(diào)用DeviceInit函數(shù)初始化各硬件部分，然后程序進(jìn)入死循環(huán)。每隔5ms檢測標(biāo)志位，如果標(biāo)志位被置位則表示可能有數(shù)據(jù)包到達(dá)，這時調(diào)用解碼函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。若解碼成功，表示收到上位機(jī)的控制包，這時根據(jù)Package結(jié)構(gòu)的msg域可知消息內(nèi)容，根據(jù)不同的消息的進(jìn)行相應(yīng)的操作。若解碼失敗，說明上位機(jī)沒有發(fā)送數(shù)據(jù)，這時服務(wù)器會自動發(fā)送注冊包給不在線的設(shè)備，進(jìn)行輪詢注冊。其流程如圖5所示。

圖5中轉(zhuǎn)服務(wù)器的框架流程圖

3.3子控設(shè)備板軟件設(shè)計

控設(shè)備在復(fù)位后，調(diào)用個模塊的初始化函數(shù)，完成各模塊的初始化。每3ms輪詢NRF905無線模塊，檢測其是否收到數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)則判斷該包是否發(fā)給本機(jī)。如果該數(shù)據(jù)包發(fā)給本機(jī)，則根據(jù)數(shù)據(jù)包中的消息類型判定其工作內(nèi)容并進(jìn)行響應(yīng)，最后向中轉(zhuǎn)服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答包，其框架流程如圖6所示。

圖6子控設(shè)備程序流程圖

4 結(jié)束語

本文提出一個基于物聯(lián)網(wǎng)智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的精準(zhǔn)噴灌節(jié)水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法，本設(shè)計以WIFI無線技術(shù)為核心，結(jié)合嵌入式技術(shù)和節(jié)水灌溉技術(shù)，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了通過子控設(shè)備節(jié)點(diǎn)實(shí)時采集田間土壤水分、溫濕度等各種數(shù)據(jù)，由WIFI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，通過開發(fā)節(jié)水灌溉上位機(jī)軟件計算，灌溉流量監(jiān)測和電磁閥門堵塞的監(jiān)測，輸出指令，自動控制灌溉的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。本系統(tǒng)的先進(jìn)性及創(chuàng)新點(diǎn)在于節(jié)能與智能化結(jié)合，基于單片機(jī)控制的智能節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)制造成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單合理，而且只需在原供水裝置上增設(shè)自動控制電路即可實(shí)現(xiàn)，操作方便，運(yùn)行可靠。此系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)際情況相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)林智能化節(jié)能化噴灌，有一定的實(shí)用價值和推廣前景。在實(shí)際應(yīng)用中，還有不完善的地方，還需要做進(jìn)一步的改善和提高。

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