基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李興華+宋鵬宇+王想實(shí)+周薇

摘要：隨著當(dāng)前農(nóng)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，傳統(tǒng)的以人為主的粗放型灌溉方式已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)的信息化需求，該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能灌溉系統(tǒng)，以ARM平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用ZigBee 技術(shù)，將終端傳感器采集的農(nóng)植環(huán)境數(shù)據(jù)信息，同步上傳到服務(wù)器端進(jìn)行決策分析后反饋到客戶端，遠(yuǎn)程客戶端可以實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)植的生長(zhǎng)情況，進(jìn)行相應(yīng)的灌溉控制。系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制和可視化功能，功耗低，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，具有較好的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：灌溉；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）08-0169-02

1 背景

目前農(nóng)植的非自動(dòng)機(jī)械式的灌溉需要消耗大量的水資源和人力，尤其是在溫室生長(zhǎng)環(huán)境中，植物處于一個(gè)半封閉的非自然體系，溫室的環(huán)境復(fù)雜，濕度相對(duì)變化緩慢，風(fēng)速較低，各個(gè)環(huán)境因素呈現(xiàn)一種獨(dú)特的復(fù)雜性。同時(shí)，針對(duì)不同的植物種類、生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)需水量等存在較大的差異，如何綜合考慮各類因素，進(jìn)行智能灌概，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)信息化的重要內(nèi)容之一。尤其是溫室內(nèi)植物灌灌不能按照自然大田灌概要求，需要充分利用有限的水資源進(jìn)行智能化灌溉，一般的解決方案是在構(gòu)建植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，采用科學(xué)管理、智能決策；根據(jù)溫室內(nèi)的生長(zhǎng)條件，進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，在保持植物正常生長(zhǎng)所需的用水量情況下，實(shí)現(xiàn)智能灌概，以最小的用水量獲得最大的收益。

目前國(guó)內(nèi)在開(kāi)發(fā)灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)方面還僅處于研制試用階段，能實(shí)際投入應(yīng)用且應(yīng)用較廣的灌溉控制器還不多見(jiàn)；主要是從理論上解決了灌溉的時(shí)間問(wèn)題，而關(guān)于適宜的灌溉量問(wèn)題，依舊缺乏比較中肯的解決策略。這其中的大部分因素是目前的智能灌溉體系僅僅憑借自動(dòng)控制完成，一是并沒(méi)有考慮到農(nóng)植物生長(zhǎng)過(guò)程中的復(fù)雜因素，終端采集數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)；二是當(dāng)前的灌溉系統(tǒng)的基本應(yīng)用的有線規(guī)劃策略，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本比較高。本文應(yīng)用遠(yuǎn)程通信技術(shù)WIFI，基于ZigBee通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能灌溉控制系統(tǒng)，移動(dòng)終端可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控灌溉操作；同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)受限的換進(jìn)下，也可以通過(guò)GSM方式來(lái)進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前大鵬澆灌的全面智能化，精準(zhǔn)進(jìn)行大鵬環(huán)境信息的采集，將信息通過(guò)有線或無(wú)線方式傳輸給控制終端，實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)控下的自動(dòng)灌溉。

2 灌溉系統(tǒng)基本工作原理

農(nóng)植傳統(tǒng)的灌溉方式主要采用半自動(dòng)的機(jī)械操作方式，這主要源于對(duì)整個(gè)農(nóng)植環(huán)境信息如溫濕度、的采集主要通過(guò)人工肉眼的觀察方式，信息的收集不夠全面和精準(zhǔn)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。目前，人們開(kāi)始研究農(nóng)業(yè)設(shè)施遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了無(wú)人作業(yè)的智能灌溉模式。當(dāng)前智能灌溉的模式一般采取三層架構(gòu)的方式，如圖1所示：

在本系統(tǒng)中采用CC2530芯片作為數(shù)據(jù)采集端，與 Internet 數(shù)據(jù)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信即移動(dòng)/聯(lián)通基站進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的數(shù)據(jù)交互，這樣就可以避免遠(yuǎn)程有線網(wǎng)絡(luò)布線及維護(hù)成本高。同時(shí)，采集端的傳感器端可以適應(yīng)多重采集環(huán)境，不僅可以采集土壤等的常規(guī)信息，也可以采集復(fù)雜種植環(huán)境如樹(shù)皮、植被腐蝕等種植環(huán)境的信息，具有較大的適應(yīng)范圍?？蛻舳丝梢岳眠h(yuǎn)程通信技術(shù)WIFI，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控操作；同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)受限的換進(jìn)下，也可以通過(guò)收發(fā)短信的方式來(lái)進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)的服務(wù)器端主要采用以FriendlyARM H43為 可移植Linux平臺(tái)，開(kāi)發(fā)智能灌概網(wǎng)關(guān)與Web服務(wù)。FriendlyARM開(kāi)發(fā)板是一款高性能，低功耗的一體化平臺(tái)，Linux內(nèi)核是一個(gè)開(kāi)源的、采用虛擬技術(shù)，可跨平臺(tái)移植的嵌入式操作系統(tǒng)，具有完善的圖形用戶界面。服務(wù)器端系統(tǒng)環(huán)境創(chuàng)建的主要任務(wù)為編譯UBOOT和Linux內(nèi)核，將編譯完成后的內(nèi)核燒寫(xiě)到開(kāi)發(fā)板。

客戶端系統(tǒng)在AndroidEclipse環(huán)境下開(kāi)發(fā)，采用開(kāi)放源代碼的、基于Java的可擴(kuò)展開(kāi)發(fā)Eclipse平臺(tái)，這里需要安裝Android專屬的軟件開(kāi)發(fā)工具包 SDK ，包含Java Development Kit和Java Development Kit。

數(shù)據(jù)采集端主要使用ZigBee實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信，遵循IEEE 802.0.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，低功耗的 ZigBee 技術(shù)適合作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種標(biāo)準(zhǔn)，適合承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，特別適合采集農(nóng)植生長(zhǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)信息以及快速傳輸工作，配合路由器，可以方便擴(kuò)充采集面積的范圍。

4 系統(tǒng)功能模塊實(shí)現(xiàn)

智能灌溉系統(tǒng)使用范圍廣泛，自動(dòng)控制系統(tǒng)的規(guī)模大且集成度高，逐步實(shí)現(xiàn)了比較健全的澆水灌溉機(jī)制。因此，本系統(tǒng)提出利用傳感器采集濕度、溫度和光照強(qiáng)度，從多種環(huán)境因素考慮農(nóng)植的生長(zhǎng)情況，進(jìn)而通過(guò)遠(yuǎn)程終端即手持終端控制來(lái)達(dá)到智能灌溉的目的。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）實(shí)時(shí)的檢測(cè)土壤的濕度值、空氣的溫度值和大氣的光照強(qiáng)度，利用 ZigBee 的無(wú)線通信技術(shù)上傳給服務(wù)器。

（2）終端傳感器采集端點(diǎn)模塊依據(jù)服務(wù)器端反饋的信息，實(shí)時(shí)控制繼電器的開(kāi)啟和關(guān)閉，進(jìn)行智能灌溉。

（3）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與 服務(wù)器機(jī)相連，將采集到的信息轉(zhuǎn)化成可以顯示的數(shù)據(jù)界面，便于客戶端及時(shí)觀察農(nóng)植的生長(zhǎng)環(huán)境信息。

（4）整個(gè)系統(tǒng)都采用無(wú)線控制技術(shù)，徹底解決了過(guò)多布線帶來(lái)的不便，降低安裝和維護(hù)成本。系統(tǒng)功能的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)主要分為三個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)采集端、客戶端和服務(wù)器端，在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集端通過(guò)串口連接，而客戶端與服務(wù)器同過(guò)Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，服務(wù)器端分別對(duì)據(jù)采集端和客戶進(jìn)行交互控制。在同一局域網(wǎng)的情況下，客戶可以在登錄客戶端連接服務(wù)器的情況下執(zhí)行操作，服務(wù)器接收客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的命令并解析再進(jìn)一步控制底層。如果在較遠(yuǎn)的地方或者外地，客戶無(wú)法連接服務(wù)器，則可以通過(guò)發(fā)送短信的方式來(lái)進(jìn)行控制，服務(wù)器連接的GSM MODEM模塊接收客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的短信，服務(wù)器進(jìn)行解析并發(fā)送命令達(dá)到控制目標(biāo)。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)基地是無(wú)錫錫山區(qū)生態(tài)實(shí)驗(yàn)基地調(diào)試完成，分別對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的ZigBee子節(jié)點(diǎn)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、客戶端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信、客戶端與服務(wù)端通信以及系統(tǒng)整體穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)不斷的調(diào)試與完善，實(shí)驗(yàn)證明整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，通信及時(shí)，可在多種環(huán)境下使用，尤其是當(dāng)前封閉環(huán)境下的大鵬農(nóng)作物種植、長(zhǎng)期無(wú)人看管的花園，草坪等灌溉頻率比較高的環(huán)境下，需要耗費(fèi)大量的人力進(jìn)行的管理，這在當(dāng)前信息技術(shù)日益發(fā)達(dá)的情況下，已經(jīng)無(wú)法滿足區(qū)域化的灌溉需求，本新型的前端采集可以精準(zhǔn)采集各類復(fù)雜種植環(huán)境的信息。將信息上傳到客戶端，靈敏控制碰頭的開(kāi)閉時(shí)間。同時(shí)，采用Zigbee技術(shù)，支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，擴(kuò)展性強(qiáng)，低功耗，安全可靠。其次，具備移動(dòng)端遠(yuǎn)程控制設(shè)備（無(wú)網(wǎng)絡(luò)可支持GSM），可實(shí)時(shí)通過(guò)攝像頭傳回的視頻觀看當(dāng)前植物狀態(tài)，整個(gè)裝置具有方便易用，自動(dòng)遠(yuǎn)程控制，安裝維護(hù)成本低廉的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李彬，王朝陽(yáng)，卜濤，等.基于 MSP430F149 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 應(yīng)用天地， 2009， 28（12）： 75-76.

[2] 張磊.智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[D]. 大連理工大學(xué)， 2009.

[3] 孫利民，李建中，陳渝，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2005.

[4] 黃剛，劉佳林，李曉東，李光林.基于GSM的微型遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)研制[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2013（10） ：17-20.

[5] 岳立松，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水分智能控制系統(tǒng)[D].吉林：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2012.

[6] 劉輝，趙麗芬，孫番典，等.基于 CC2530 的 ZigBee 射頻收發(fā)模塊設(shè)計(jì)[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012 （6）： 452-456.

[7] 王鳳花，張淑娟.精細(xì)農(nóng)業(yè)田間信息采集關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（5）：112-121.

[8 ] 劉卉，汪懋華，王躍宣，等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 38（3）：604-608.

[9] 程文鋒，楊祥龍，王立人，等.PLC和觸摸屏在自動(dòng)噴灌控制器中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2009，31（ 5）：128-131.