農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

閆海蘭，尚坡利

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)灌溉模式由人工粗放灌溉逐漸向智能灌溉發(fā)展［1］。西方部分發(fā)達(dá)國家在農(nóng)業(yè)智能灌溉方面的研究較早，農(nóng)戶可以在家里清楚了解農(nóng)田濕度情況，遠(yuǎn)程實(shí)施灌溉，并利用高新技術(shù)精準(zhǔn)確定灌溉時(shí)長［2］。我國是缺水農(nóng)業(yè)大國，全國受旱耕地面積因水資源短缺逐年增大［3］。加之我國的農(nóng)業(yè)智能灌溉技術(shù)起步較晚，因此目前我國大部分農(nóng)田仍采用人工粗放灌溉方式，這種方式導(dǎo)致水資源浪費(fèi)大、忽略了降雨量對土壤濕度的影響且勞動強(qiáng)度大［4-5］。為解決這些問題，國內(nèi)引進(jìn)了西方發(fā)達(dá)國家先進(jìn)的農(nóng)田智能灌溉控制系統(tǒng)，可是經(jīng)使用發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)不僅成本高，而且無法適應(yīng)本土農(nóng)作物所需。因此，研發(fā)一種適應(yīng)我國農(nóng)田的智能灌溉控制系統(tǒng)是非常重要的。

土壤濕度傳感器采集的土壤濕度信息為農(nóng)田智能灌溉控制系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此土壤濕度傳感器的型號及灌溉控制方法的選擇至關(guān)重要。傳統(tǒng)的灌溉控制方法為：當(dāng)檢測的土壤濕度高于土壤濕度設(shè)定值的上限時(shí)，立即停止灌溉；當(dāng)檢測的土壤濕度低于土壤濕度設(shè)定值的下限時(shí)，立即開啟灌溉。但是大部分農(nóng)田是不平的，且農(nóng)田不同區(qū)域及不同深度的土壤濕度也是不一樣的。因此，傳統(tǒng)的農(nóng)田濕度控制方式很難全面準(zhǔn)確地反應(yīng)土壤濕度情況。一方面，將土壤濕度傳感器深埋，可防止頻繁性的灌溉，但有可能導(dǎo)致久旱才能灌溉或農(nóng)作物旱死；另一方面，將土壤濕度傳感器淺埋，這種方式則有可能導(dǎo)致經(jīng)常性的灌溉，浪費(fèi)水資源。因此，土壤濕度傳感器的分布及土壤濕度控制方式需要采取更好的方式。

基于上述問題，本論述提出了一種農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，傳感器均勻分布在農(nóng)田種植環(huán)境中，傳感器采集農(nóng)田濕度信息和雨量信息，并通過無線通訊模塊遠(yuǎn)程傳送到集控中心。集控中心利用LabVIEW開發(fā)了可視化的軟件平臺，并將網(wǎng)頁上的天氣預(yù)報(bào)引入智能控制系統(tǒng)。最終根據(jù)天氣預(yù)報(bào)、土壤濕度信息及農(nóng)作物在不同生長階段的根系長度自主決策灌溉，當(dāng)傳感器檢測到的土壤濕度信息高于設(shè)定值上限時(shí)，適當(dāng)延長灌溉時(shí)間，使水能夠滲透到農(nóng)作物根部。該農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)約了成本，達(dá)到了節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、增產(chǎn)的效果。

1 農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮：（1）誤差小。選擇的傳感器測量精度必須要高，且傳感器應(yīng)均勻分布在農(nóng)田中進(jìn)行多點(diǎn)采樣，以防因農(nóng)田不平導(dǎo)致傳感器檢測到的信息不正確。（2）易操作。系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)應(yīng)簡潔、友好、易操作，并且在界面上清晰地顯示生長階段、手動控制按鈕、土壤濕度信息等。（3）模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)應(yīng)使用模塊化結(jié)構(gòu)，這樣當(dāng)農(nóng)戶需求發(fā)生變化或系統(tǒng)需要升級換代時(shí)，只需將不同的模塊進(jìn)行連接即可。（4）傳送效率高。傳感器應(yīng)實(shí)時(shí)將土壤濕度信息遠(yuǎn)程傳送到控制中心，方便農(nóng)戶準(zhǔn)確掌握土壤濕度信息，決定是否灌溉。

實(shí)地調(diào)研及綜合考慮，對農(nóng)田智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)總體架構(gòu)

從圖1系統(tǒng)總體架構(gòu)可知，該系統(tǒng)整體主要有2部分組成，分別為傳感器模塊和集控中心。傳感器模塊主要用于農(nóng)田信息的采集與遠(yuǎn)程傳輸；集控中心主要負(fù)責(zé)農(nóng)田信息的顯示、灌溉方式的選擇及灌溉控制過程。傳感器模塊包括傳感器和無線傳輸模塊，由于本系統(tǒng)要測量農(nóng)田濕度和降雨量信息，所以該系統(tǒng)將用到土壤濕度傳感器和雨量傳感器?？紤]到農(nóng)田不平，本系統(tǒng)將農(nóng)田劃分成了4個區(qū)域，因此需要4個土壤濕度傳感器。無線傳輸模塊傳輸信息降低了成本、維修更方便。集控中心包括電磁閥、繼電器、PLC模塊、PC上位機(jī)等。電磁閥作為執(zhí)行元件用于執(zhí)行灌溉。PLC模塊作為控制器，輸入端口采集傳感器信號，執(zhí)行程序并最終輸出到輸出端口進(jìn)而驅(qū)動電磁閥實(shí)時(shí)灌溉。PC上位機(jī)界面上有手動控制灌溉按鈕、自動控制灌溉按鈕，且可顯示天氣預(yù)報(bào)信息、電磁閥狀態(tài)信息和土壤濕度信息，并在該界面上可以選擇農(nóng)作物的生長階段來自主決策灌溉。

該系統(tǒng)整體的工作流程為：首先傳感器采集土壤濕度信息和降雨量信息，然后無線通信模塊將傳感器采集的這些信息遠(yuǎn)程發(fā)送到集控中心的PC上位機(jī)上，最后農(nóng)戶可以根據(jù)PC上位機(jī)界面上顯示的土壤濕度信息執(zhí)行手動灌溉。農(nóng)戶也可以選擇農(nóng)作物目前處于的生長階段，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)信息、土壤濕度信息和農(nóng)作物的生長階段，當(dāng)需要灌溉時(shí)，驅(qū)動電磁閥開啟灌溉，并根據(jù)農(nóng)作物的生長階段，適當(dāng)?shù)匮娱L灌溉時(shí)間，使水滲透到農(nóng)作物的根部。這種方法避免了傳統(tǒng)灌溉控制方式造成的頻繁灌溉或土壤長期保持在較濕的環(huán)境中，使得農(nóng)作物爛根或病蟲害侵蝕。因此，該系統(tǒng)中以時(shí)間為變量的控制方法可以達(dá)到節(jié)水、增產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)等效果。

2 農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

農(nóng)田智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵主要取決于傳感器信號采集的準(zhǔn)確性，因此本系統(tǒng)選擇的傳感器適用性強(qiáng)且精度高。經(jīng)多次比較和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終本系統(tǒng)選擇了圖2所示的土壤濕度傳感器。該傳感器設(shè)計(jì)小巧，攜帶方便，安裝、操作和維護(hù)都比較簡單。它可直接埋入土壤中，不受腐蝕。它的主要參數(shù)為：工作溫度為：-40℃～80℃，測量精度為：讀數(shù)的3%（0%～53%時(shí)）、讀數(shù)的5%（53%～100%時(shí)），相應(yīng)時(shí)間：<1 s，輸出信號為：RS485/4～20 mA/0～5 V/0～

圖2 土壤濕度傳感器

10 V。

本系統(tǒng)選擇圖3所示的雨量傳感器。該雨量傳感器體積小，安裝方便，傳輸距離長，抗干擾能力強(qiáng)，且底盤內(nèi)部設(shè)有水平調(diào)節(jié)泡，可以輔助底角將設(shè)備調(diào)整到最佳水平度。它的主要參數(shù)為：工作環(huán)境溫度：-20℃～80℃，承雨口徑為：φ200 mm，雨量測量范圍為：≤8 mm/min，分辨率為：0.2 mm，誤差：±2%，輸出信號為：單干簧管通斷。

圖3 雨量傳感器

傳感器采集的信號若采用有線傳輸，則因布線問題工作量會大大增加，且傳輸距離將會受到限制。因此，本系統(tǒng)利用無線通信技術(shù)［6］實(shí)現(xiàn)了傳感器信號向PC上位機(jī)上的遠(yuǎn)程傳輸。本系統(tǒng)選用的無線通訊模塊如圖4所示。該無線通訊模塊通過RS485接收傳感器信息，將該信息發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)入Inter?net，最終將信息傳輸給上位機(jī)得以顯示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸圖

DTU參數(shù)的正確配置是保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)幕A(chǔ)，DTU主要的參數(shù)配置命令有：（1）開機(jī)初始化。設(shè)備開機(jī)需要進(jìn)行初始化，當(dāng)初始化完成時(shí)輸出“AT Ready”。（2）串口參數(shù)配置。根據(jù)系統(tǒng)要求配置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位等。（3）服務(wù)器配置。配置服務(wù)器連接方式，端口號及服務(wù)器地址。（4）SIM卡的號碼配置。根據(jù)SIM卡的號碼配置“AT+REVNUM”，當(dāng)回應(yīng)OK時(shí)表示配置完成。當(dāng)所有的配置完成后，一定要重新啟動無線傳輸模塊，將傳感器信號發(fā)送到目前配置好的服務(wù)器上。

PLC接收PC上位機(jī)發(fā)出的信號，然后驅(qū)動電磁閥實(shí)施灌溉或停止灌溉。因此，控制器PLC是確?？煽抗喔鹊幕A(chǔ)。本系統(tǒng)最終選擇了西門子S7-200 SMART PLC，該P(yáng)LC與傳統(tǒng)PLC相比，增加了一個以太網(wǎng)端口，PC上位機(jī)與PLC可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信連接［7］。

2.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的監(jiān)測過程主要是由PC上位機(jī)完成的，設(shè)計(jì)友好、功能齊全的開發(fā)平臺有助于提高系統(tǒng)的監(jiān)測性能。本系統(tǒng)選用LabVIEW軟件開發(fā)平臺，可以實(shí)現(xiàn)手動控制灌溉，也可以實(shí)現(xiàn)自動控制灌溉。該系統(tǒng)界面具體包括：灌溉控制單元、參數(shù)設(shè)置單元、天氣預(yù)報(bào)單元、實(shí)時(shí)監(jiān)測單元，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)界面組成

實(shí)時(shí)監(jiān)測單元可監(jiān)測農(nóng)田土壤濕度信息和電磁閥狀態(tài)，農(nóng)戶可清楚知道目前是否處于灌溉狀態(tài)以及農(nóng)田各區(qū)域的濕度情況。將網(wǎng)頁上當(dāng)?shù)氐奶鞖忸A(yù)報(bào)引入農(nóng)田智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，灌溉時(shí)查看3 d內(nèi)是否有雨，若有雨則等待下雨，若無雨則灌溉。這樣避免了灌溉完成后馬上下雨的現(xiàn)象，減小了降雨量對農(nóng)田智能的影響，節(jié)約了水資源。灌溉控制又分為手動灌溉控制和自動灌溉控制，手動灌溉控制即農(nóng)戶根據(jù)界面上顯示的土壤濕度情況手動點(diǎn)擊按鈕實(shí)施灌溉，自動灌溉控制即根據(jù)天氣預(yù)報(bào)信息、土壤濕度信息和農(nóng)作物的生長階段自主決策灌溉。

灌溉控制的流程如圖6所示。首先根據(jù)農(nóng)作物目前所處的生長階段，在界面上對應(yīng)選擇。然后判斷是手動灌溉還是自動灌溉，若是手動灌溉，則直接執(zhí)行灌溉，若是自動灌溉，則先獲取土壤濕度信息，并與土壤濕度的設(shè)定值比較，判斷是否需要灌溉。若需要灌溉，則再判斷3 d內(nèi)是否有雨。若有雨則等待下雨，且在等待下雨的過程中，判斷土壤濕度是否達(dá)到水脅迫下限。若土壤濕度達(dá)到水脅迫下限，則少量灌溉，解除水脅迫下限，然后再繼續(xù)等待下雨；若土壤濕度未達(dá)到水脅迫下限，則無需少量灌溉。下雨時(shí)，用雨量傳感器檢測降雨量，并執(zhí)行灌溉。灌溉過程中，應(yīng)根據(jù)農(nóng)作物的生長周期適當(dāng)延長灌溉時(shí)間，使水能夠滲透到農(nóng)作物根部。

圖6 系統(tǒng)灌溉流程

在系統(tǒng)灌溉控制的編程過程中，PLC和LabVIEW都需要分配明確的地址。由于本系統(tǒng)將農(nóng)田劃分成了4個區(qū)域，因此需要為4個手動控制開關(guān)和4個電磁閥分配地址，即PLC的IO信號各為4個。LabVIEW中既要實(shí)現(xiàn)手動灌溉控制又要實(shí)現(xiàn)自動灌溉控制，因此需要為遠(yuǎn)程手動控制開關(guān)和自動控制開關(guān)分配地址，地址分配具體見表1所列。

表1 PLC地址分配表

LabVIEW中設(shè)計(jì)手動控制程序，如圖7所示。首先在前面板添加區(qū)域一、二、三、四的手動灌溉閥、灌溉指示燈。然后將它們的數(shù)據(jù)類型都修改為布爾型，且將手動灌溉閥設(shè)置為“寫入”狀態(tài)，灌溉指示燈設(shè)置為“讀取”狀態(tài)。最后在程序框圖中進(jìn)行相應(yīng)的連線。

圖7 手動灌溉程序圖

3 農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)功能測試

首先對數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行測試。傳感器采集到的信息的正確性對灌溉控制有直接影響。為防止傳感器采集的數(shù)據(jù)向PC機(jī)遠(yuǎn)程傳輸時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或誤差，需要測試PC機(jī)界面上顯示的土壤濕度信息與土壤濕度傳感器采集的土壤濕度信息是否一致。本系統(tǒng)選用的濕度傳感器輸出信號為RS485型，可以通過RS485接口連接到電腦上，通過配置工具對傳感器進(jìn)行配置。

將土壤濕度的監(jiān)測值與實(shí)際測量值進(jìn)行比較，當(dāng)土壤濕度的監(jiān)測值為68.1%時(shí)，實(shí)際測量值為66.8%；當(dāng)土壤濕度的監(jiān)測值為67.6%時(shí)，實(shí)際測量值為66.4%；當(dāng)土壤濕度的監(jiān)測值為64.6%時(shí)，實(shí)際測量值為63.8%。經(jīng)多次測量發(fā)現(xiàn)，誤差都未超過2%。因此，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性較高，滿足系統(tǒng)要求。

本系統(tǒng)界面上不僅可以選擇生長階段，實(shí)時(shí)顯示各區(qū)域的土壤濕度值，還可以控制手動灌溉閥按鈕和相應(yīng)的指示燈等。對該系統(tǒng)界面上的這些功能都進(jìn)行了逐一測試，測試結(jié)果表明：本系統(tǒng)界面簡潔、友好，當(dāng)按下某個區(qū)域的手動灌溉閥按鈕時(shí)，可手動實(shí)施灌溉，且對應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮；該系統(tǒng)也可根據(jù)生長階段、土壤濕度信息、天氣預(yù)報(bào)自主決策灌溉，測試界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)測試

4 結(jié)束語

目前我國大部分農(nóng)田仍采用人工粗放灌溉方式，這種方式導(dǎo)致水資源浪費(fèi)大。本論述設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，傳感器均勻分布在農(nóng)田種植環(huán)境中，采集農(nóng)田濕度信息和雨量信息，并通過無線通訊模塊遠(yuǎn)程傳送到集控中心。集控中心利用LabVIEW開發(fā)了可視化的軟件平臺，并將網(wǎng)頁上的天氣預(yù)報(bào)引入智能控制系統(tǒng)。最終根據(jù)天氣預(yù)報(bào)、土壤濕度信息以及農(nóng)作物在不同生長階段的根系長度自主決策灌溉，當(dāng)傳感器檢測到的土壤濕度信息高于設(shè)定值上限時(shí)，適當(dāng)延長灌溉時(shí)間，使水能夠滲透到農(nóng)作物根部。同時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性較高，手動控制灌溉和自動控制灌溉都可按要求工作。