基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)用

吳泰文　姚云飛　孫歆鈺

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)用

吳泰文姚云飛孫歆鈺

（荊楚理工工學(xué)院湖北荊門448000）

文章針對目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及灌溉過程中存在的問題，分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合人工智能技術(shù)與農(nóng)作物栽培、灌溉過程，探究了農(nóng)業(yè)環(huán)境中的溫度、濕度、土壤水分、土壤養(yǎng)分、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、土水勢、葉水勢等數(shù)據(jù)，形成灌溉要求，以實(shí)現(xiàn)自動化灌溉應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)業(yè)；智能灌溉

與根據(jù)資料顯示，我國現(xiàn)有的人均耕地面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平，僅為其40 %；同時數(shù)據(jù)顯示我國人均水資源占有量，也只是世界平均水平的28 %。與現(xiàn)代化綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)的灌溉用水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國14 億人口農(nóng)產(chǎn)品供給的發(fā)展要求。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須變原有的大水漫灌，為現(xiàn)代化的精細(xì)滴管，只有這樣才能最大限度地利用好農(nóng)業(yè)用水資源，產(chǎn)生最大效益。

目前，已經(jīng)進(jìn)入萬物互聯(lián)的時代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，也為農(nóng)業(yè)精細(xì)灌溉提供了可借鑒的技術(shù)方法。文章所述系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自適應(yīng)噴灌系統(tǒng)與控制中心組成，其設(shè)計遵循農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)程的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

1 系統(tǒng)原理

通過研究不同農(nóng)作物生長過程中，受哪些環(huán)境因素影響，確定需要物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器的類型，根據(jù)植物特點(diǎn)確定傳感器封裝形式。通過單片機(jī)技術(shù)、光譜采集分析技術(shù)、虛擬仿真、數(shù)據(jù)融合等傳感器技術(shù)，開發(fā)土壤密度、水浸情況，葉片含水量等快速傳感設(shè)備；通過現(xiàn)有商用傳感器，并做出適應(yīng)性改造，開展溫度、糖度、pH值等多參數(shù)傳感器進(jìn)行相應(yīng)傳感器和多參數(shù)傳感器小型化集成。采集器能夠采用太陽能供電，并且能保證陰雨天氣可以連續(xù)正常工作至少5 天；確保所采集的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、高效地回傳平臺，通過數(shù)據(jù)能夠?qū)φ{(diào)控設(shè)備進(jìn)行策略控制，實(shí)現(xiàn)自動化。

各類智能檢測采集設(shè)備，需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，同時根據(jù)不同傳感器監(jiān)測所得數(shù)據(jù)特點(diǎn)，規(guī)劃合適的數(shù)據(jù)格式定義，從而為所有數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和高效利用創(chuàng)造條件。

數(shù)據(jù)反饋后，需要在處理中心根據(jù)氣象數(shù)據(jù)、光照數(shù)據(jù)、風(fēng)力數(shù)據(jù)等，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析，并根據(jù)分析結(jié)果，提出農(nóng)作物灌溉需求，并將其形成量化數(shù)據(jù)，驅(qū)動農(nóng)作物灌溉機(jī)構(gòu)，進(jìn)行精確滴灌作業(yè)，同時將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

為了保障數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸，可以通過4G/5G/LORAWAN/NB-IOT等多種有線或無線網(wǎng)絡(luò)搭建物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)和灌溉設(shè)施驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，以實(shí)時性、可靠性為約束條件，確保網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问降陌踩煽?，無縫連接，最終形成穩(wěn)定的智能化灌溉系統(tǒng)拓?fù)湫问?。提高農(nóng)業(yè)種植全過程監(jiān)測預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)、優(yōu)化調(diào)控等過程中的精準(zhǔn)監(jiān)測與決策管理水平。

2 系統(tǒng)組成

該應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計由農(nóng)作物種植區(qū)各類邊緣傳感器、數(shù)據(jù)中繼監(jiān)控采集分站、數(shù)據(jù)處理中心、自適應(yīng)智能化灌溉分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)及電力傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。

其中，農(nóng)作物種植區(qū)各類邊緣傳感器包括以下兩類：一是環(huán)境因素高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，主要包含田間環(huán)境中的溫度、濕度、土壤水分、土壤養(yǎng)分、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、土壤含水量等數(shù)據(jù)采集傳感器，二是農(nóng)作物生長監(jiān)控高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，主要包含葉片含水量、溫度、pH值等傳感器。各類傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D采樣后由單片機(jī)存儲管理。傳感器采用心跳定時輸出、無線（有線）發(fā)送方式。其核心電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)和2.4G發(fā)射模塊。傳感器供電由電池供電和太陽能供電，兩種方式，確保相關(guān)設(shè)備可以不間斷地工作。

數(shù)據(jù)中繼監(jiān)控采集分站主要負(fù)責(zé)整合分散的邊緣傳感器信息，特別是通過無線Mesh網(wǎng)絡(luò)完成各個離散傳感器信息的匯集，同時，裝備微型氣象站功能，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場光照、降水、風(fēng)力信息進(jìn)行采集，之后完成所有數(shù)據(jù)打包，通過有線網(wǎng)絡(luò)回傳數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)處理中心主要對回傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包分析，同時實(shí)時顯示各個傳感器及數(shù)據(jù)中繼監(jiān)控分站的信息，供農(nóng)業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人員進(jìn)行人工研判或自動形成反饋數(shù)據(jù)。

自適應(yīng)智能化灌溉分系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理中心所下發(fā)的數(shù)據(jù)，控制水泵從水源處抽水，并將水泵如各類不同的灌溉管路，完成精細(xì)化灌溉作業(yè)。

數(shù)據(jù)及電力傳輸網(wǎng)絡(luò)是整個農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，需要根據(jù)不同農(nóng)業(yè)種植環(huán)境，完成有線及無線布線，確保網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问椒€(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷傳輸與灌溉分系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。

2.1 MC9 S08 GT60 單片機(jī)介紹

MC9S08 GT60 單片機(jī)是飛思卡爾公司的高性能、低成本的八位單片機(jī)，它作為該項(xiàng)目中各類邊緣傳感器的數(shù)據(jù)采集與暫存的核心芯片，完成前端的數(shù)據(jù)處理工作。此單片機(jī)可以快速執(zhí)行開發(fā)與調(diào)試指令，兼容M68 HC08 系列調(diào)試指令?？梢酝ㄟ^背景調(diào)試控制器，完成針對不同傳感器數(shù)據(jù)的采集編程功能設(shè)計。該型單片機(jī)支持在線編程Flash存儲，內(nèi)嵌8通道10 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換核，串行接口模塊和I2C總線傳輸，可以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)種植環(huán)境及農(nóng)作物數(shù)據(jù)處理需求。

2.2 MC13192 ZigBee芯片介紹

MC13192 ZigBee芯片同為飛思卡爾公司生產(chǎn)的芯片，全面支持IEEE802.15.5協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的低功耗、短距離數(shù)據(jù)傳輸，可以靈活構(gòu)建Star型或Mesh型網(wǎng)絡(luò)。共有16 個通信通道，最大發(fā)射功率3.6dBm。內(nèi)置發(fā)射、接收RAM，每個5 MHz帶寬都采用OQPSK傳輸，傳輸速率可達(dá)250 kbps ,支持三種工作模式。最低接收電平可達(dá)- 92 dBm。

2.3 MC13192 與MC9S08 GT60 連接

MC13192 與MC9S08 GT60 通過SPI技術(shù)建立連接，MC13192 同時為MC9S08 GT60 提供時鐘。PTB口作為MC9S08 GT60 外部器件接口，模擬串口位于引腳PTB6、PTB7端口，通過接口芯片驅(qū)動外部顯示二極管或其他顯示單元，引腳PTB3 作為各種農(nóng)作物種植環(huán)境或植物附加邊緣傳感器的模擬輸入端，通過程序設(shè)定進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。同時將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送MC13192 調(diào)制發(fā)射。

3 主要傳感器端與控制工作原理

3.1 各類邊緣傳感器的工作

田間各類傳感器和農(nóng)作物傳感器，首先需要將個傳感器檢測所得的模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字量編碼，最后通過ZigBee技術(shù)發(fā)送。MCU中內(nèi)置了10 位A/D轉(zhuǎn)換器，對2 V電壓的檢測精度可以達(dá)到/210 =0.009 V，完全可以滿足檢測需要。同時，通過ZigBee平臺以2.4 GHzOQPSK方式，將檢測所得數(shù)值變?yōu)?0 位數(shù)據(jù)并加入地址碼，進(jìn)行發(fā)射。單片機(jī)還可將土壤濕度、環(huán)境溫度等所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，通過傳感器平臺本身的顯示模塊進(jìn)行顯示，可以讓巡查人員實(shí)時獲取相關(guān)農(nóng)作物數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)中繼監(jiān)控采集分站

數(shù)據(jù)中繼監(jiān)控采集分站需要首先根據(jù)傳輸頻率不同對各個邊緣傳感器數(shù)據(jù)分時接收。再根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)判斷，并按照所接收到的不同類型數(shù)據(jù)，實(shí)時將數(shù)據(jù)通過MCU打包，再通過MCURS232 串行接口傳輸數(shù)據(jù)，并通過串口RJ45 轉(zhuǎn)換器經(jīng)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央監(jiān)控主機(jī)。

3.3 數(shù)據(jù)處理中心

數(shù)據(jù)處理中心通過網(wǎng)絡(luò)，將分布于不同農(nóng)作物種植園區(qū)的中繼監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，同時根據(jù)各個監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，并根據(jù)農(nóng)作物灌溉要求，反饋給前端灌溉網(wǎng)絡(luò)，做出相應(yīng)的精細(xì)化灌溉。同時，將所有數(shù)據(jù)匯總記錄在數(shù)據(jù)庫中，便于監(jiān)測分析。如出現(xiàn)有悖于常規(guī)的數(shù)據(jù)閾值，則發(fā)出告警提示，以確保農(nóng)作物種植的智能化管理。

3.4 自適應(yīng)智能化灌溉分系統(tǒng)

該系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理中心所發(fā)布的控制指令，控制精密變頻器、抽水泵機(jī)、噴淋電磁閥、節(jié)水噴淋頭，對不同農(nóng)作物模擬人工進(jìn)行滴灌、根灌、噴灌，最大限度地節(jié)約灌溉用水，同時也防止根系腐爛等現(xiàn)象出現(xiàn)。

4 小結(jié)

文章采用物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器技術(shù)、智能化自適應(yīng)灌溉網(wǎng)絡(luò)、農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)智能分析、有線無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，組合構(gòu)建了一套農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化灌溉系統(tǒng)，解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中灌溉的精細(xì)化問題。該系統(tǒng)成本低廉、可靠性高，特別適合于中西部缺水地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

[1]張興超.智能灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].中國科技信息,2019(24):58-59.

[2]謝福來.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉管理系統(tǒng)設(shè)計[D].西安:西安工程大學(xué),2019.

吳泰文（1998- ），男，湖北黃岡人，本科在讀，研究方向：計算機(jī)信息技術(shù)。

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.02.27

S274.2

A

2095-1205(2020)02-42-02