基于物聯(lián)網(wǎng)的田園節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王希娟

(陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院 信息與工程學(xué)院， 西安 712046)

?

基于物聯(lián)網(wǎng)的田園節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王希娟

(陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院 信息與工程學(xué)院， 西安 712046)

在保證灌溉需求的情況下，為最大限度的節(jié)水灌溉，對(duì)田園節(jié)水灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)對(duì)灌溉設(shè)備、灌溉控制方法進(jìn)行了研究。灌溉設(shè)備采用了霧化噴灌的方式，具有灌溉覆蓋面大和灌溉用水均勻的優(yōu)勢(shì)。灌溉控制方法則改進(jìn)了局部土壤達(dá)到缺水臨界值時(shí)立即澆水的傳統(tǒng)做法，基于改造的K近鄰算法思想，同時(shí)對(duì)多塊土地的土壤濕度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，再按照計(jì)算結(jié)果判定是否灌溉。系統(tǒng)運(yùn)行情況充分體現(xiàn)了該系統(tǒng)的智能化、低成本和有效節(jié)水等特點(diǎn)。

物聯(lián)網(wǎng)； 節(jié)水； 灌溉

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的鼓勵(lì)與支持，以及近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)智能化灌溉系統(tǒng)的研究也日益增多。文獻(xiàn)[1]采用了RS-485總線通信的方式設(shè)計(jì)了一種按需灌溉的分布式智能系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]采用AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種可以紅外遙控的定時(shí)定量家庭智能澆花器。文獻(xiàn)[3]依據(jù)模糊控制原理設(shè)計(jì)了一種基于查表方式控制澆水量的灌溉系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]基于ZigBee技術(shù)研制了一套物聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)土壤墑情監(jiān)測(cè)和控制灌溉。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種ZigBee無(wú)線通信的綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)，主要對(duì)協(xié)調(diào)器、無(wú)線傳感器和無(wú)線控制器進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6]基于ZigBee和GPRS技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種溫室番茄遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控和適時(shí)適量灌溉。文獻(xiàn)[7]采用Arduino單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款帶有傳感器自動(dòng)檢測(cè)水位功能的家庭智能灌溉系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]基于Arduino單片機(jī)開(kāi)發(fā)了一種可以遠(yuǎn)程控制的蔬菜大棚智能灌溉系統(tǒng)。

我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉雖然已引進(jìn)了微灌、滴灌方式，但大多數(shù)地區(qū)仍存在著灌溉基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、灌溉方式粗放等問(wèn)題。另外，國(guó)內(nèi)研究的微灌系統(tǒng)主要采用紅外、藍(lán)牙和ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，終端控制器采用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)的居多。然而，近年來(lái)迅速發(fā)展的WiFi無(wú)線通信技術(shù)在信號(hào)覆蓋范圍和傳輸速度方面則更具優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)采用WiFi技術(shù)開(kāi)發(fā)的智能灌溉系統(tǒng)卻尚少。由此可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)一套采用微灌形式，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，基于WiFi無(wú)線通信技術(shù)，按照合理的控制方法通過(guò)智能手機(jī)進(jìn)行控制的田園節(jié)水灌溉系統(tǒng)，不僅可以彌補(bǔ)現(xiàn)有灌溉系統(tǒng)的不足，而且能夠達(dá)到定時(shí)定量灌溉，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的目的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究的灌溉系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和WiFi無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，采用安卓智能手機(jī)遠(yuǎn)程控制，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)田園的溫度、濕度、光照度、土壤濕度等數(shù)據(jù)，以及采用微灌噴頭等設(shè)備實(shí)現(xiàn)家庭園藝、小范圍農(nóng)作物的智能化節(jié)水灌溉。

本系統(tǒng)的無(wú)線智能網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線網(wǎng)關(guān)、智能終端控制器和WiFi無(wú)線通信三部分構(gòu)成。其中，無(wú)線網(wǎng)關(guān)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，不僅可以接收智能終端控制器發(fā)送的指令、各類傳感器監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而且還可以將接收的控制指令轉(zhuǎn)化為對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。為了不增加額外的遙控器，并且便于用戶攜帶，智能終端控制器基于Android平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，使用安裝了WIFI無(wú)線通信功能的APP安卓智能手機(jī)作為終端控制器，用戶可以在智能手機(jī)APP的界面中選擇相應(yīng)的按鈕或者輸入控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。WiFi無(wú)線通信是無(wú)線網(wǎng)關(guān)和智能終端控制器之間的無(wú)線信息傳遞的橋梁，通常采用WiFi無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)。

田園灌溉應(yīng)根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)習(xí)性的不同區(qū)別對(duì)待，如果單純采用自動(dòng)灌溉方式不便于用戶根據(jù)季節(jié)、天氣、溫度等隨機(jī)因素適時(shí)調(diào)整灌溉用水量，不僅不能有效灌溉，而且容易造成水資源的浪費(fèi)。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)灌溉和用戶控制灌溉兩種工作模式，用戶操作自由度更大，系統(tǒng)靈活度更高。不論在哪種工作模式下，系統(tǒng)均可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、信息顯示和節(jié)水灌溉的功能，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖1所示：

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的田園節(jié)水灌溉系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

(1) 數(shù)據(jù)采集功能

農(nóng)作物的灌溉用水量和灌溉時(shí)機(jī)主要受土壤濕度、環(huán)境溫濕度、光照度、時(shí)間、施肥情況和氣候等因素的影響，因此，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境狀況是灌溉的前提。數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的土壤濕度、環(huán)境溫度、光照度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及設(shè)置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的閾值。

(2) 報(bào)警功能

系統(tǒng)自動(dòng)采集的土壤濕度、環(huán)境溫濕度、光照度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并與用戶設(shè)置的閾值相比較，當(dāng)小于設(shè)定土壤濕度閾值且環(huán)境溫濕度在允許灌溉范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警示，提醒用戶農(nóng)作物需要澆水了。

(3) 信息顯示功能

系統(tǒng)采集的土壤濕度、環(huán)境溫濕度、光照度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以以字符化的形式顯示出來(lái)，還可以對(duì)用戶需要設(shè)置的控制指令進(jìn)行提示。

(4) 節(jié)水灌溉功能

當(dāng)農(nóng)作物滿足灌溉條件時(shí)，可以在自動(dòng)灌溉工作模式下自行啟動(dòng)灌溉裝置進(jìn)行灌溉，也可以在用戶控制灌溉工作模式下通過(guò)用戶的手機(jī)指令遠(yuǎn)程控制灌溉過(guò)程。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括智能手機(jī)、WiFi模塊和無(wú)線網(wǎng)關(guān)相關(guān)硬件，如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

(1) 智能手機(jī)

Android智能手機(jī)作為本系統(tǒng)的智能終端控制器，用戶可以發(fā)送控制指令對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。除此之外，數(shù)據(jù)采集模塊監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)WiFi模塊遠(yuǎn)程傳送給智能手機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

(2) WIFI模塊

本文選取的是TLN13UA60串口WiFi模塊，該模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)關(guān)控制器與智能手機(jī)的WiFi無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)控制指令、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。特別注意的是，本系統(tǒng)必須在WiFi狀態(tài)下進(jìn)行工作，因此要求系統(tǒng)安裝環(huán)境中必須能夠無(wú)線路由上網(wǎng)，運(yùn)行過(guò)程中不斷電、斷網(wǎng)。

(3) 無(wú)線網(wǎng)關(guān)相關(guān)硬件

① 控制器

控制器是無(wú)線網(wǎng)關(guān)中最重要的硬件，也是灌溉系統(tǒng)智能化的核心，通常使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。市場(chǎng)的單片機(jī)種類繁多，性能、適用場(chǎng)合各有不同。由于本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和安裝成本有限，因此，本系統(tǒng)選取了開(kāi)源的Arduino單片機(jī)作為無(wú)線網(wǎng)關(guān)控制器。

Arduino單片機(jī)是AVR系列的單片機(jī)，具有使用靈活、性能強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)門(mén)檻低和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。Arduino單片機(jī)的型號(hào)較多，主要包括有Duemilanove系列、Nano系列、Leonardo系列、Mini 系列和Uno系列五種。經(jīng)過(guò)對(duì)比，Arduino Uno系列單片機(jī)下載程序的速度更快、更穩(wěn)定，并且能夠提供兩種供電方式，因此，本系統(tǒng)采用了Arduino UNO R3單片機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

由于系統(tǒng)需要WiFi通信，但直接在Arduino UNO R3單片機(jī)上添加WiFi模塊或其他功能模塊需要進(jìn)行焊接。因此，為了避免焊接的麻煩，本文采用了ARDUINO XBEE V5.0傳感器擴(kuò)展板，可以實(shí)現(xiàn)WiFi模塊或其他功能模塊的直接插拔操作。

② 數(shù)據(jù)采集模塊

基于影響農(nóng)作物灌溉量的因素較多，本系統(tǒng)選取了主要的幾個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，包括土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度、光照度。市場(chǎng)上的傳感器類型眾多，根據(jù)本文需求選取了土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照度傳感器和用于設(shè)置閾值的電位器等硬件材料進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具體內(nèi)容如下：

土壤濕度傳感器

土壤濕度是灌溉的關(guān)鍵因素，通常采用土壤濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量。土壤濕度傳感器可以通過(guò)探頭電流感應(yīng)土壤阻力大小，并以此來(lái)衡量土壤的水分情況。本文采用的是模擬輸出的Funduino土壤濕度傳感器，供電電壓為3.3V或5V。根據(jù)田園的面積大小，可以劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域劃分為若干塊，每塊田地里布設(shè)1個(gè)土壤濕度傳感器進(jìn)行土壤濕度監(jiān)測(cè)。

空氣溫濕度傳感器

除了土壤濕度因素以外，灌溉的條件里還包括空氣的溫度和濕度情況。例如，夏季不宜在中午溫度較高的情況下給農(nóng)作物澆水，在水分蒸發(fā)較快的季節(jié)可以在下午3～4點(diǎn)酌情補(bǔ)水。因此，本文采用了將溫度和濕度合二為一監(jiān)測(cè)的微雪DHT11溫濕度模塊作為空氣溫濕度傳感器。該模塊是已校準(zhǔn)的數(shù)字溫濕度傳感器，用于檢測(cè)環(huán)境溫濕度，采用標(biāo)準(zhǔn)單總線接口，工作電壓為3.3V～5.5V，監(jiān)測(cè)的溫度分辨率為1℃，精度為±2℃，檢測(cè)范圍是0～50℃；監(jiān)測(cè)的濕度分辨率為1%RH，精度在0～50℃時(shí)為±5%RH，檢測(cè)范圍在25℃時(shí)為20%RH～90%RH。監(jiān)測(cè)時(shí)，可根據(jù)情況在不同區(qū)域的每塊田地中布設(shè)1個(gè)空氣溫濕度傳感器。

光照度傳感器

光照強(qiáng)度與農(nóng)作物的光合作用有著密不可分的關(guān)聯(lián)，通過(guò)監(jiān)測(cè)光照強(qiáng)度可以根據(jù)需要人為進(jìn)行補(bǔ)光(例如大棚農(nóng)作物)。本文采用了數(shù)字光強(qiáng)度檢測(cè)模塊GY-30作為光照度傳感器，該模塊采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1lx的高精度測(cè)定，直接數(shù)字輸出，省略復(fù)雜的計(jì)算，光照度范圍為0-65535lx，供電電源為3～5V，但需要用戶自行焊接排針。同樣，監(jiān)測(cè)時(shí)可在不同區(qū)域的每塊田地中布設(shè)1個(gè)光照度傳感器。

電位器

在不同的季節(jié)農(nóng)作物的灌溉量和灌溉時(shí)間有所區(qū)別，因此，灌溉各參數(shù)的閾值也應(yīng)有所變化，為了便于用戶根據(jù)需要調(diào)節(jié)灌溉各參數(shù)的閾值，可以使用電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)。電位器是經(jīng)過(guò)對(duì)電壓和電流大小的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)分壓、電流控制和變阻的功能。這里將電位器用作變阻器，即通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的阻值，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉各參數(shù)閾值的調(diào)節(jié)。本文采用的電位器是YwRobot制造的旋轉(zhuǎn)電位器，旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)到270°，工作電壓為3.3V或5V，阻值為20K。

③ 報(bào)警模塊

當(dāng)土壤濕度統(tǒng)計(jì)值低于平均土壤濕度值且符合灌溉其他參數(shù)要求時(shí)，首先向用戶發(fā)出警示。本文采用了LED指示燈和無(wú)源蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，其中紅色和綠色LED指示燈各1個(gè)(綠色表示測(cè)量參數(shù)正常，紅色表示測(cè)量參數(shù)異常)、無(wú)源蜂鳴器1個(gè)。

④ 信息顯示模塊

為了讓用戶更加清楚的了解當(dāng)前各項(xiàng)參數(shù)情況，本文通過(guò)一定的算法，將每塊田地布設(shè)的多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，通過(guò)信息顯示模塊顯示出來(lái)。以一個(gè)區(qū)域?yàn)槔疚牟捎昧?個(gè)LCD1602 IIC液晶屏，分別顯示該區(qū)域中經(jīng)過(guò)計(jì)算的土壤濕度統(tǒng)計(jì)值、空氣溫濕度統(tǒng)計(jì)值和光照度統(tǒng)計(jì)值。

⑤ 節(jié)水灌溉模塊

節(jié)水灌溉模塊是本系統(tǒng)的關(guān)鍵功能模塊，用于實(shí)現(xiàn)抽水、澆水和節(jié)水的功能，以一個(gè)區(qū)域?yàn)槔?，該模塊采用的硬件包括12V電磁閥1個(gè)、鎖扣三通5個(gè)、微灌噴頭5個(gè)、堵頭1個(gè)、水管(10米主管1個(gè)、細(xì)管5個(gè))、水龍頭轉(zhuǎn)接口1個(gè)，各硬件連接結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 節(jié)水灌溉模塊結(jié)構(gòu)示意圖

從圖3中可以看出，采用電磁閥抽水可以將電磁閥的入水口通過(guò)水龍頭轉(zhuǎn)接口與水龍頭直接相連，避免了采用潛水泵抽水時(shí)還需要添加一個(gè)蓄水池的麻煩。電磁閥的出水口連接了灌溉的主管道(本文為10米)，在主管道上根據(jù)灌溉區(qū)域的不同，分別安裝若干個(gè)鎖扣三通(本文采用5個(gè))。鎖扣三通有3個(gè)連接口，其中一個(gè)入水口，連接主管；另外兩個(gè)為出水口，一個(gè)出水口連接輸出端的主管，另一個(gè)出水口連接細(xì)管，其主要作用則是將主管道的水引入需要該區(qū)域?qū)?yīng)的細(xì)管中進(jìn)行灌溉。在每個(gè)細(xì)管的末端安裝有微灌噴頭，本文采用的是單出口霧化噴頭，作用是將細(xì)管中的水源霧化后噴灑在相應(yīng)的灌溉區(qū)域中，可以實(shí)現(xiàn)均勻灌溉和節(jié)水灌溉。在主管中布設(shè)了若干個(gè)鎖扣三通之后，使用一個(gè)堵頭作為主管的末端。

除此之外，無(wú)線網(wǎng)關(guān)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉模塊的控制，一般可以采用繼電器完成。因此，本文采用了1個(gè)四路繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的開(kāi)關(guān)控制。由于本文采用的是12V電磁閥，還需要添加1個(gè)升壓模塊進(jìn)行升壓。

當(dāng)田園的面積較大時(shí)，可以對(duì)劃分的每個(gè)區(qū)域布設(shè)一個(gè)圖3所示的節(jié)水灌溉功能模塊，即可以實(shí)現(xiàn)大面積田園的按需求、分區(qū)域節(jié)水灌溉。

⑥ 電源模塊

本系統(tǒng)電源模塊包含兩個(gè)電源，其中一個(gè)電源用于長(zhǎng)期供電，主要連接Arduino單片機(jī)、四路繼電器、LCD1602 IIC液晶屏和升壓模塊；另一個(gè)電源平時(shí)關(guān)閉，可以根據(jù)需要進(jìn)行供電，主要連接土壤濕度傳感器和溫度傳感器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如果說(shuō)硬件構(gòu)成了系統(tǒng)的骨架，那么軟件就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)骨架運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力。根據(jù)實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)灌溉和用戶控制灌溉兩種工作模式。系統(tǒng)啟動(dòng)后，用戶可以發(fā)送手機(jī)指令選擇系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

在自動(dòng)灌溉工作模式下，各類傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)返回給用戶手機(jī)和顯示模塊顯示，當(dāng)需要灌溉且滿足灌溉條件時(shí)，首先開(kāi)始自動(dòng)報(bào)警，然后無(wú)線網(wǎng)關(guān)控制器自動(dòng)控制繼電器的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的驅(qū)動(dòng)，從而完成自動(dòng)抽水灌溉。在灌溉過(guò)程中，用戶具有灌溉過(guò)程的終止權(quán)利，即用戶可以通過(guò)發(fā)送手機(jī)指令隨時(shí)停止灌溉。

在用戶控制灌溉工作模式下，用戶的控制權(quán)更大，各類傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)返回給用戶手機(jī)和顯示模塊顯示，當(dāng)需要灌溉且滿足灌溉條件時(shí)自動(dòng)報(bào)警，并提示用戶下一步操作的指令，用戶可以選擇相應(yīng)指令實(shí)現(xiàn)是否灌溉。如果進(jìn)入灌溉狀態(tài)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)控制器自動(dòng)控制繼電器的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的驅(qū)動(dòng)，從而完成自動(dòng)抽水灌溉，用戶也可以隨時(shí)發(fā)送指令終止該過(guò)程。

(1) 控制指令設(shè)計(jì)

根據(jù)工作模式的不同，本文設(shè)計(jì)的控制指令如表1所示。

表1 控制指令說(shuō)明表

(2) 算法介紹

本文系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想源于K近鄰算法，并根據(jù)系統(tǒng)功能的需要進(jìn)行了算法改進(jìn)。以一個(gè)灌溉區(qū)域?yàn)槔瑢⒃搮^(qū)域劃分為n塊。系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，各傳感器就開(kāi)始進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)所有土壤濕度傳感器監(jiān)測(cè)的土壤濕度值均小于電位器設(shè)置的參考閾值時(shí)，系統(tǒng)處于安全監(jiān)測(cè)階段，需要完成的工作僅為平均T分鐘返回一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不報(bào)警、不灌溉。

第1個(gè)土壤濕度傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)低于參考閾值，直到第floor()個(gè)土壤濕度傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)低于參考閾值，系統(tǒng)進(jìn)入緊急監(jiān)測(cè)階段，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間為平均分鐘返回一次，不報(bào)警、不灌溉。

當(dāng)?shù)趂loor()個(gè)土壤濕度傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)低于參考閾值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入?yún)?shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算階段，按照下述方法進(jìn)行計(jì)算：

首先，選取當(dāng)時(shí)土壤濕度值最低的相應(yīng)土壤濕度傳感器作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算時(shí)賦予該節(jié)點(diǎn)最大的權(quán)值。其次，計(jì)算K的數(shù)值，本文K=floor(0.6n)。之后，基于與觀測(cè)節(jié)點(diǎn)歐式距離越近、權(quán)值越大的思想，分別對(duì)K個(gè)距離觀測(cè)節(jié)點(diǎn)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前監(jiān)測(cè)值賦予相應(yīng)的權(quán)值。接著，對(duì)選擇的K+1個(gè)土壤濕度傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算加權(quán)平均值(即土壤濕度統(tǒng)計(jì)值)，并將該值與n個(gè)土壤濕度傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前監(jiān)測(cè)的土壤濕度平均值比較大小，當(dāng)其小于土壤濕度平均值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入澆水灌溉準(zhǔn)備階段。

系統(tǒng)進(jìn)入澆水灌溉準(zhǔn)備階段時(shí)，對(duì)環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度進(jìn)行比對(duì)，其中本文的環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度均采用平均值的方法進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)滿足了環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度的條件時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警、抽水灌溉階段。

系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警、抽水灌溉階段時(shí)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)控制器控制報(bào)警模塊報(bào)警，以及控制節(jié)水灌溉模塊工作。

(3) 系統(tǒng)程序流程圖

以自動(dòng)灌溉工作模式為例，系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示：

圖4 自動(dòng)灌溉模式程序流程圖

用戶控制灌溉工作模式的程序流程與自動(dòng)灌溉工作模式類似，不同點(diǎn)在于灌溉過(guò)程用戶可以發(fā)送指令進(jìn)行過(guò)程控制，在此就不贅述了。

4 系統(tǒng)性能分析

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)運(yùn)行正常，各項(xiàng)參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并反饋到用戶的智能手機(jī)上顯示，并可以顯示各項(xiàng)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值在顯示模塊中，能夠根據(jù)土壤濕度、環(huán)境溫度和光照度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況智能的進(jìn)行一個(gè)田園區(qū)域的節(jié)水灌溉。通過(guò)分析，此系統(tǒng)可以利用智能化的控制方法和有效的灌溉方式節(jié)省田園的灌溉用水，是一種低成本的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。

5 總結(jié)

本文研究以實(shí)際需求為目標(biāo)，采用目前流行的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，以低成本的方式解決田園灌溉水資源缺乏的問(wèn)題，符合我國(guó)當(dāng)期的國(guó)情需要。該成果的研究為節(jié)水灌溉系統(tǒng)提供了一種新的控制方法思想，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值。

[1] 趙燕東，章軍富，尹偉倫，等．按植物需求精準(zhǔn)節(jié)水灌溉自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)的研究[J]．節(jié)水灌溉：2009(0l)：11-24．

[2] 張兆鵬．基于AT89S52的家庭智能澆花器的設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程：2011，19(5)：39-41.

[3] 趙麗，張春林. 基于單片機(jī)的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)：2012，22(6)：650-651.

[4] 胡培金.基于“物聯(lián)網(wǎng)”架構(gòu)的精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2011.

[5] 李曉麗.基于ZigBee技術(shù)的綠地自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[6] 陳輝.基于ZigBee與GPRS的溫室番茄遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[7] 楊志芹.基于Arduino單片機(jī)的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)：2016,45(11):80-83.

[8] 韓永佳.基于Arduino的蔬菜大棚智能灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西水利科技：2016(11)：82-85.

Design of Rural Water-saving Irrigation System Based on Internet of Things

Wang Xijuan

(College of Information and Engineering, Shanxi Institute of International Trade &Commerce, Xi’an 712046, China)

In order to guarantee irrigation demand, a rural water-saving irrigation system has been designed for maximum water-saving irrigation, it provides a set of solutions. The design scheme technology is focusing on irrigation equipment and irrigation control method, and is based on the Internet of Things. The irrigation equipment is adopted the way of the atomized spray irrigation, and has the advantage of coverage for irrigation and irrigation uniformity. The Irrigation control method based on the modified KNN algorithm ideas also improves the traditional practices on which the local soil is watered immediately when reaching to the critical value. The method computes the soil moisture at the same time for more land, and then determines whether irrigation is carried out according to the calculation results. Its operation performance fully embodies the intelligent, low cost and effective water saving.

Internet of Things; Water saving; Irrigation

2016年陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院科研項(xiàng)目(SMXY201636)

王希娟(1983-)，女，西安人，碩士，講師,高級(jí)工程師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、智能控制。

1007-757X(2017)07-0018-05

TP311

A

2017.03.08)