基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉管理技術(shù)研究

沙 玥 李佳婧 李冰如 盛子涵 趙 瑞 楊小令

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225100)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉管理技術(shù)研究

沙 玥 李佳婧 李冰如 盛子涵 趙 瑞 楊小令

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225100)

本作品是基于基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉管理技術(shù)的研究，主要是用于檢測水稻的缺水情況，采用線陣CCD莖直徑微變傳感器及安裝技術(shù)、GPRS數(shù)據(jù)采集通訊模塊及軟件、服務(wù)器VB軟件、手機(jī)APP客戶端軟件。利用200倍的電子顯微鏡的放大技術(shù)來檢測水稻莖直徑缺水變化的數(shù)據(jù)和氣象儀所測得的數(shù)據(jù)，然后采用JAVA算法編制的APP將數(shù)據(jù)顯示出來，其中數(shù)據(jù)包含了土壤水分、空氣濕度、溫度、天氣等八項(xiàng)，然后根據(jù)這些情況來計(jì)算出水稻的缺水情況。

線陣CCD莖直徑微變傳感器；手機(jī)智能APP；GPRS數(shù)據(jù)采集通訊模塊；服務(wù)器、氣象儀

一、研究背景

傳感器是實(shí)現(xiàn)精良灌溉的重要途徑，現(xiàn)代社會的開展就是信息科技社會的發(fā)展。目前，傳感器產(chǎn)業(yè)已被國內(nèi)外公認(rèn)為具備發(fā)展出路的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，它以經(jīng)濟(jì)效益高、市場前景廣、滲透力強(qiáng)、技術(shù)含量高等特點(diǎn)為世人所注目。物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化將成為攻克物聯(lián)網(wǎng)最高點(diǎn)關(guān)鍵之一。

二、設(shè)計(jì)

本作品包括wifi圖像顯微鏡、氣象站及安卓手機(jī)APP。

1)根據(jù)指導(dǎo)老師講述的項(xiàng)目方案內(nèi)容，了解到本作品主要有三部分組成，分別是WiFi圖像顯微鏡、氣象站以及安卓手機(jī)APP。

2)我們小組成員在暑假期間利用閑暇時間來對Java語言進(jìn)行零基礎(chǔ)的入門學(xué)習(xí)，并在小組成員都基本掌握了Java程序語言原理并且實(shí)踐操作編寫簡單程序后，組內(nèi)成員進(jìn)行線上討論學(xué)習(xí)，討論進(jìn)一步的Java學(xué)習(xí)目標(biāo)，包括安卓手機(jī)APP需求及手機(jī)界面設(shè)計(jì)的方案討論。

3)根據(jù)采購計(jì)劃采購200倍WiFi顯微鏡無線電子數(shù)碼顯微鏡。在組內(nèi)五個成員交流討論并上網(wǎng)查閱了資料以后，我們成功地拍攝了直徑偏細(xì)的物品，操作成功后，我們一同去學(xué)校附近的水稻田里選擇了一株直徑適當(dāng)?shù)乃静⑴臄z了其直徑面的半視圖。

4)根據(jù)采購計(jì)劃采購高精度家用電子溫度計(jì)室內(nèi)溫濕度計(jì)無線室外測溫計(jì)氣象站。我們小組成員一起對氣象站使用說明進(jìn)行研讀。我們在熟悉了氣象站的使用方法后，利用已學(xué)的APP設(shè)計(jì)知識將這八種數(shù)據(jù)類型反映到安卓手機(jī)APP界面上，并操作成功。

三、設(shè)計(jì)原理

(一)傳感器。就我們研究的水稻莖直徑傳感器來說,經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,水稻葉水勢是以黎明最高(負(fù)值最小),早上較高,上午降低幅度較大,中午緩慢下降,下午13～14時降至最低,隨后在傍晚逐漸回升至晚上,黎明和早上又出現(xiàn)最高值。葉水勢的日變更與外界環(huán)境條件,如空氣相對濕度,土壤濕度,溫度和光照等關(guān)系非常緊密。根據(jù)其水勢的早晚變化及其影響因素,通過傳感器，反映電信號,并由物聯(lián)網(wǎng)傳輸至服務(wù)器,經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換,最終使數(shù)據(jù)在手機(jī)APP上顯示。

1.新型莖直徑微變傳感器的原理。CCD的工作過程分為電荷儲存、光電轉(zhuǎn)換、電荷檢測、電荷轉(zhuǎn)移。

光電轉(zhuǎn)換即把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，CCD內(nèi)部由許多光敏像素構(gòu)成，每個像素就是一個光敏二極管，檢測像素上產(chǎn)生的電荷，入射光的強(qiáng)度和曝光時間與產(chǎn)生的信號電荷的數(shù)量成正比例。

2.WIFI圖像顯微鏡。WIFI顯微鏡，是采用CCD圖像傳感器，機(jī)身輕便，因此它利于隨身攜帶和操作，有線網(wǎng)絡(luò)在操作上的不便被無線WIFI與手機(jī)對接而取代，拓寬了顯微鏡的使用范圍。

(二)氣象儀。本作品主要有雨量計(jì)、溫濕度記錄儀、GPRS無線傳輸模塊等。氣象儀與太陽能電池板公用一個支架，太陽能電池板在其上方，但要保證太陽能電池板不會影響其正常工作，特別是不能遮擋住雨量計(jì)。

(三)手機(jī)APP。首先，第一步是形成APP的想法。針對我們的課題，我們的想法是將服務(wù)器端用Vb程序計(jì)算好的數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)app，并能通過手機(jī)app反饋給用戶。同時，我們的數(shù)據(jù)做到實(shí)時更新。

再者，我們根據(jù)這些想法來設(shè)計(jì)APP的主要功能和構(gòu)思APP界面。

接著，我們編寫了大功能模塊代碼和界面模塊。

而后，把大致的界面和功能聯(lián)系后，app的雛形就產(chǎn)生了。這樣我們就有了基本的界面。

最后，我們對各個界面進(jìn)行完善和功能的實(shí)現(xiàn)，并對其中的bug測試和修復(fù)。

四、創(chuàng)新特色

根據(jù)現(xiàn)有莖直徑微變傳感器的已有知識儲備，考慮到國內(nèi)的傳感器技術(shù)相對落后，中國市場上的中高端傳感器進(jìn)口占比達(dá)80%，我們將著手研究一種新型莖直徑微變傳感器，采用國外研制的日趨成熟的CCD圖像傳感器技術(shù)，致力于研發(fā)出一種可以根據(jù)CCD傳感器所收集的圖像信息來實(shí)時監(jiān)控植物需水情況，從而及時改變灌溉水量的新型灌溉處理系統(tǒng)。

(1)將線陣CCD技術(shù)應(yīng)用于測量作物莖直徑微變，簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，縮短了獲取圖像的時間，提高了測量效率。

(2)支撐桿、抱莖環(huán)組成的傳感器固定方式不影響作物生長。

(3)利用GPRS數(shù)據(jù)采集通訊模塊、服務(wù)器及VB軟件、手機(jī)客戶端APP軟件構(gòu)造基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉管理系統(tǒng)，使農(nóng)民可以及時獲取作物缺水程度以及需灌溉量的信息。

五、應(yīng)用前景

目前世界水資源總量面臨的形勢是，雖然總水量很大，但是實(shí)際能利用的淡水資源總量稀缺，在此基礎(chǔ)上，雖然我國的淡水資源總量較多，但是人均淡水資源量極少，其他大多發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家人均淡水資源占有量較多，但是淡水資源用途甚廣，淡水資源消耗速度不斷增大，淡水資源剩余量日漸減少，水資源形勢日趨嚴(yán)峻。

本作品是針對世界水資源總量稀缺現(xiàn)狀而研發(fā)出的以莖直徑傳感器為基礎(chǔ)的智能灌溉技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在節(jié)水灌溉的同時，又能在灌溉水量對植物莖水勢的影響有更為深入的研究發(fā)現(xiàn)，為日后植物水勢及相關(guān)研究理論的進(jìn)一步發(fā)展奠定了較好的前期實(shí)踐基礎(chǔ)。本作品既順應(yīng)了國家發(fā)展節(jié)水灌溉的政策，又能切實(shí)解決人民生產(chǎn)生活問題，是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)必不可少的裝置，應(yīng)用前景十分廣闊。

六、結(jié)語

傳統(tǒng)的看天氣灌溉方法需水量太大，在現(xiàn)有的灌溉排水體系下很容易造成水資源未能充分利用的浪費(fèi)現(xiàn)象，對我國現(xiàn)今的水資源匱乏的形勢產(chǎn)生了更加不利的影響。

本作品是針對現(xiàn)代化的智能灌溉技術(shù)設(shè)計(jì)的新型智能莖直徑傳感器，根據(jù)現(xiàn)有莖直徑微變傳感器的已有知識儲備，我們將著手研究一種新型莖直徑微變傳感器，采用國外研制并已投入使用的、日趨成熟的CCD圖像傳感器技術(shù)，致力于研發(fā)出一種可以根據(jù)CCD傳感器所收集的圖像信息來實(shí)時監(jiān)控植物需水情況，從而及時改變灌溉水量的新型灌溉處理系統(tǒng)。從而很好地減少了農(nóng)田灌溉的用水量。

本作品若開發(fā)成功，短期之內(nèi)可能只適用于科技知識較為普及的農(nóng)村和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，對于知識普及率較低的農(nóng)民可能不會有很好的推廣預(yù)期。

最大的潛在市場是我國大量的農(nóng)田地，但也不僅僅限制于農(nóng)村，現(xiàn)代化城市較高的城市里，綠化面積多的區(qū)域也會更好的市場推廣潛力，但目前我們首要的市場推廣預(yù)期對象是農(nóng)村的農(nóng)田灌溉技術(shù)改進(jìn)。

推廣前期，理想狀況是先從有大學(xué)生下鄉(xiāng)的鄉(xiāng)村入手，先提高一部分農(nóng)村的智能灌溉技術(shù)普及率，再致力于推廣受眾面的范圍，我們會針對智能灌溉的好處和優(yōu)勢向農(nóng)民宣講，爭取打響推廣智能灌溉技術(shù)的一炮。

若我們的作品能夠預(yù)期完成，并在一定的時間里取得了極好的效果，帶來的經(jīng)濟(jì)效益將會是巨大的，此外，我國的智能灌溉技術(shù)也將在世界灌溉技術(shù)上排在前列。

[1]劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2010

[2]戴守勤.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化應(yīng)用實(shí)例[C].浙江現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2012

沙玥(1996-)，女，江蘇淮安人，本科，研究方向：智能灌溉。