基于多網(wǎng)融合的節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)設計

吳海燕，閔宇輝，沈 冰

（1.湖州市水利局，浙江 湖州 313000；2.浙江滴石信息技術有限公司，浙江 杭州 310052）

1 問題的提出

隨著社會的不斷發(fā)展，節(jié)水灌溉已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)園區(qū)管理的重中之重[1-3]，在傳統(tǒng)的噴灌、滴灌等基礎上，結合農(nóng)業(yè)灌溉實際面臨的問題及需求，利用信息化技術對農(nóng)業(yè)園區(qū)的各類環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，實現(xiàn)對各個設備的遠程控制、自動控制和智能控制是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉發(fā)展的必然趨勢[4]。因此，迫切需要設計一種適用于農(nóng)業(yè)信息化、智能化發(fā)展的節(jié)水灌溉系統(tǒng)[5]。

本方案提出一種基于光纖網(wǎng)絡、Zigbee 物聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)橋組成的多網(wǎng)融合節(jié)水灌溉系統(tǒng)，不僅有利于農(nóng)業(yè)灌溉信息化系統(tǒng)的組網(wǎng)，降低組網(wǎng)的難度和成本，而且能夠提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，達到節(jié)水灌溉智能化目的。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)總體架構

根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉的實際生產(chǎn)需求和項目可行性等因素，系統(tǒng)總體架構由視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、灌溉控制系統(tǒng)、土壤墑情和環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)3 部分組成（見圖1）。3 個子系統(tǒng)模型根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)典3 層架構，組成感知層、傳輸層和應用層[6]。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

感知層通過終端連接的圖像、流量、壓力、照度、溫濕度等傳感器實時采集農(nóng)業(yè)園區(qū)的各類數(shù)據(jù)信息并完成上報；傳輸層根據(jù)各自網(wǎng)絡的協(xié)議進行網(wǎng)絡部署，連接感知層和應用層，實現(xiàn)各子系統(tǒng)模型上傳數(shù)據(jù)和下發(fā)指令的通信傳輸[7]，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)和灌溉控制子系統(tǒng)采用基于光纖網(wǎng)與無線網(wǎng)橋融合的傳輸層，土壤墑情和環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)采用基于Zigbee 網(wǎng)絡的傳輸層；應用層是系統(tǒng)的核心，可以配置農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，不僅能擔負起各類數(shù)據(jù)存儲和計算處理的任務，還能通過數(shù)據(jù)分析下發(fā)較優(yōu)的執(zhí)行命令至各個終端實現(xiàn)節(jié)水灌溉。

管理中心數(shù)據(jù)庫服務器可以存儲、處理各類田間數(shù)據(jù)，視頻工作站、管理中心大屏和手機端通過網(wǎng)絡可以接收到視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、灌溉控制子系統(tǒng)以及土壤墑情和環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

2.2 子系統(tǒng)功能

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)是目前信息化和自動化建設的標配。考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的范圍廣，管理中心與田間存在一定的距離，因此將硬盤錄像機設計在田間LCU 柜中，利用光纖連接攝像頭，保證視頻存儲的可靠性，管理中心視頻工作站通過無線網(wǎng)橋的連接可實時查看田間視頻。

灌溉控制子系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器作為主控單元，同樣安裝在田間LCU 柜中，支持實現(xiàn)本地和遠程控制方式?？删幊踢壿嬁刂破鞑杉瘔毫?、流量等數(shù)據(jù)，結合土壤墑情和環(huán)境參數(shù)，通過田間電磁閥和水泵的合理控制，實現(xiàn)田間作物自動灌溉、輪灌等，是節(jié)水灌溉系統(tǒng)的基礎內(nèi)容。

土壤墑情和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測是節(jié)水灌溉系統(tǒng)的重要組成部分。由于農(nóng)業(yè)灌溉的范圍較大，因此采用Zigbee 物聯(lián)網(wǎng)設備自建無線網(wǎng)絡方式，實現(xiàn)光照、土壤溫濕度、空氣溫濕度等數(shù)據(jù)的實時采集傳輸，管理中心通過無線網(wǎng)關接收各類數(shù)據(jù)并存儲至對應數(shù)據(jù)庫。該方式具有低功耗、低成本、組網(wǎng)靈活和高可靠性等特點。

3 主要設備及原理

3.1 無線網(wǎng)橋

無線網(wǎng)橋利用無線傳輸方式實現(xiàn)在2 個或多個網(wǎng)絡之間搭起通信的橋梁；無線網(wǎng)橋從通信機制上分為電路型網(wǎng)橋和數(shù)據(jù)型網(wǎng)橋。除了具備有線網(wǎng)橋的基本特點之外，無線網(wǎng)橋在2.4G 或5.8G免申請無線執(zhí)照的頻段工作，因而比其他有線網(wǎng)絡設備更方便部署（見圖2）。安裝時不僅需要將無線網(wǎng)橋的天線對準，還應避免無線網(wǎng)橋之間存在較高的障礙物，確保接收信號的靈敏度較高，傳輸網(wǎng)絡穩(wěn)定。

圖2 無線網(wǎng)橋安裝圖

由于無線網(wǎng)橋使用POE 供電，網(wǎng)線在傳輸數(shù)據(jù)的同時還需給無線網(wǎng)橋供電，因此網(wǎng)線過長或材質較差都會嚴重影響無線傳輸網(wǎng)絡的質量。無線網(wǎng)橋與POE 的連接部分使用CAT5e（超5 類）或以上，長度控制在25 m 以內(nèi)，交換機等設備與POE之間的網(wǎng)線長度控制在100 m 以內(nèi)或用光纖傳輸。無線網(wǎng)橋與交換機之間的線路連接后，根據(jù)產(chǎn)品說明書設置各設備的IP 為同一局域網(wǎng)，即可正常實現(xiàn)無線通信。POE 具體接線見圖3。

圖3 POE連接圖

3.2 Zigbee傳感模塊

自從馬可尼發(fā)明無線電以來，無線通信技術一直向著不斷提高數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的方向發(fā)展。而當前被廣泛研究的ZigBee 技術則正是一種為人們提供廉價、極低復雜度、低成本和低功耗的低速率無線通信技術。具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡容量大、兼容性好、安全性能高、成本低和時延短等特點，受到廣泛歡迎。本系統(tǒng)采用的Zigbee模塊結構見圖4。

圖4 Zigbee傳感模塊結構圖

CC2500 芯片，是TI（德州儀器）公司推出的一款超低功耗、低成本的無線收發(fā)模塊，其載頻范圍在2.400～2.483 GHz，可用來實現(xiàn)多信道通信。

3.3 Zigbee無線網(wǎng)關

Zigbee 無線網(wǎng)關的基本功能是將基于TCP 協(xié)議的網(wǎng)絡與基于Zigbee 協(xié)議棧的數(shù)據(jù)進行轉換，從而將基于常用的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到Zigbee 網(wǎng)絡中，也可將Zigbee 網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)中。Zigbee 無線網(wǎng)關組網(wǎng)具體結構見圖5。

圖5 Zigbee無線網(wǎng)關組網(wǎng)結構圖

3.4 三網(wǎng)融合工作原理

根據(jù)圖1 所示，一方面，系統(tǒng)利用光纖網(wǎng)絡將槍機、半球機和一體化球機等視頻信號保存至視頻錄像機中，利用無線網(wǎng)橋傳輸圖像至監(jiān)控中心大屏和視頻工作進行顯示，實現(xiàn)實時監(jiān)控；另外利用光纖網(wǎng)絡和無線網(wǎng)橋傳輸可編程邏輯控制器采集的壓力、流量等數(shù)據(jù)。另一方面，通過中控系統(tǒng)下發(fā)指令，控制田間電磁閥和水泵啟閉，實現(xiàn)遠程灌溉，并通過Zigbee 無線網(wǎng)絡將Zigbee 無線模塊采集的土壤墑情及環(huán)境參數(shù)實時傳輸至監(jiān)控中心服務器，為灌溉控制和規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。將光纖網(wǎng)絡和無線網(wǎng)橋以及Zigbee 無線網(wǎng)絡融合在一起，不僅能夠實現(xiàn)環(huán)境復雜的農(nóng)業(yè)園區(qū)信息化系統(tǒng)建設，還可以根據(jù)地形地勢靈活選擇網(wǎng)絡類型。

4 系統(tǒng)應用

系統(tǒng)開發(fā)完成后，在某農(nóng)業(yè)園區(qū)進行試點應用，根據(jù)現(xiàn)場地形地勢，通過合理布局多網(wǎng)融合實現(xiàn)信息化系統(tǒng)的建設。在平坦的種植區(qū)域安裝攝像頭、Zigbee 模塊、傳感器、控制柜、設備箱、電磁閥和水泵等設備，然后敷設光纖網(wǎng)絡以及電纜，利用在監(jiān)控中心安裝Zigbee 無線網(wǎng)關實現(xiàn)種植區(qū)域土壤墑情和環(huán)境參數(shù)的采集以及灌溉控制；監(jiān)控中心距離種植區(qū)域800 m 左右，且中間地勢坑洼，高空無阻擋，因此采用無線網(wǎng)橋通信。多網(wǎng)融合的方式不僅實現(xiàn)園區(qū)信息化系統(tǒng)的組網(wǎng)，而且減少人工和設備投入以及建設工期，降低項目成本10%左右。

項目建設視頻監(jiān)控系統(tǒng)、灌溉控制系統(tǒng)以及土壤墑情和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并開發(fā)基于多位融合的節(jié)水灌溉的軟件平臺（見圖6）。軟件平臺設計了輪灌區(qū)的設置以及灌溉計劃的制定功能，設置參數(shù)后，系統(tǒng)能夠根據(jù)土壤墑情和環(huán)境參數(shù)自動化節(jié)水灌溉，通過視頻監(jiān)控可實時查看灌溉畫面，實現(xiàn)遠程管理與無人值守，系統(tǒng)使用后為園區(qū)管理減少人員投入1/3 以上，同時降低用水量1/5 以上，實現(xiàn)節(jié)水和降成本的目的。

圖6 基于多位融合的節(jié)水灌溉軟件平臺圖

5 結 語

本系統(tǒng)充分結合和農(nóng)業(yè)園區(qū)節(jié)水灌溉的實際情況與管理需求，利用多網(wǎng)融合的方式可有效解決信息化建設組網(wǎng)難、可行性、成本高等問題，通過視頻監(jiān)控、智能灌溉和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，實時掌握園區(qū)運行情況。該系統(tǒng)不僅能用于大棚園區(qū)的管理，而且同樣適用于露天園區(qū)和山地園區(qū)，適用范圍廣，還可以對田間作物長勢進行實時監(jiān)測，實時了解作物生長情況。為各類型的節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)建設提供有效的解決方案。