基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

劉雪蘭

（江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院農(nóng)業(yè)信息學(xué)院，江蘇泰州 225300）

0 引言

我國(guó)是一個(gè)水資源較為稀缺的國(guó)家，且水資源嚴(yán)重分配不均，例如農(nóng)業(yè)用水量約占全國(guó)水資源總量的60%，而利用率卻僅有40%左右，所以我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重是如何高效節(jié)水。溝灌、畦灌等作為主要的傳統(tǒng)灌溉方式[1]，人工成本較高且機(jī)械化程度較低，嚴(yán)重導(dǎo)致了水資源浪費(fèi)。另外，傳統(tǒng)灌溉方式以人工經(jīng)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，灌水量大又容易使作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，進(jìn)而制約我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展[2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注，因其以傳感器、自動(dòng)測(cè)控與信息技術(shù)作為基礎(chǔ)，所以又被稱(chēng)為傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在農(nóng)業(yè)新興技術(shù)領(lǐng)域中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)的結(jié)合會(huì)發(fā)揮必要的作用[3]，農(nóng)業(yè)作物的監(jiān)測(cè)往往會(huì)用到傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如何高效節(jié)水與減少經(jīng)濟(jì)成本能夠從基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化與智能化的節(jié)水灌溉控制技術(shù)當(dāng)中獲得啟發(fā)。

溫進(jìn)化等[4]提出在灌區(qū)供、用、排等主要水循環(huán)節(jié)點(diǎn)，建設(shè)用水計(jì)量監(jiān)測(cè)設(shè)施，進(jìn)而結(jié)合灌區(qū)水循環(huán)模型和農(nóng)業(yè)灌溉用水量分析統(tǒng)計(jì)模型分析來(lái)確定灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水量的方法，實(shí)現(xiàn)南方多水源灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量直接量測(cè)與模型計(jì)算有機(jī)結(jié)合。趙伶俐[5]針對(duì)傳統(tǒng)手動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)的方式控制灌溉，造成水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，提出并設(shè)計(jì)了一種利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了真正意義的遠(yuǎn)程監(jiān)控用水量的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。但以上的設(shè)計(jì)研究，對(duì)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題考慮的不全。

對(duì)此，本文提出并設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率以及降低運(yùn)行消耗的時(shí)間。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)結(jié)合的技術(shù)方面包括自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)與人工智能，主要針對(duì)農(nóng)田類(lèi)大面積種植區(qū)域的作物灌溉控制，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸、灌溉決策與人際界面交互等[6]。以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的本系統(tǒng)包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器

應(yīng)用層指令能夠可靠執(zhí)行，離不開(kāi)灌溉現(xiàn)場(chǎng)微處理器的良好性能。在綜合對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)西門(mén)子S7-200系列小型PLC CPU226運(yùn)算力強(qiáng)，具有輸入濾波器與脈沖捕捉功能，不僅能夠與GPRS、LabVIEW通過(guò)RS485進(jìn)行通信連接，還能夠聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)通訊使用。同時(shí)靈活性較強(qiáng)，系統(tǒng)容量擴(kuò)展簡(jiǎn)單，且調(diào)試工作量小。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 微處理器模塊

因?yàn)镻LC輸出單元的驅(qū)動(dòng)電流低于500 mA，系統(tǒng)應(yīng)在PLC輸出端與執(zhí)行設(shè)備間過(guò)渡，所以選用中間繼電器、接觸器作為媒介。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，把種植面積分成8個(gè)控制區(qū)域，各自由一個(gè)電磁閥來(lái)控制。根據(jù)地塊形狀與相關(guān)需求，在電磁閥下游安裝若干個(gè)噴灌閥，系統(tǒng)能夠在手動(dòng)控制和智能控制間進(jìn)行切換，也能夠指示工作狀態(tài)以及急停[7-8]。經(jīng)計(jì)算，場(chǎng)控制器PLC的輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)均為10個(gè)；建立無(wú)線數(shù)傳終端與PLC之間的地址映射以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，點(diǎn)數(shù)為9個(gè)；PLC受現(xiàn)場(chǎng)集控計(jì)算機(jī)的控制，建立其與LabVIEW之間的地址映射，點(diǎn)數(shù)仍為9個(gè)。

2.2 監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

由傳感器組成的此模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)。整個(gè)灌溉系統(tǒng)監(jiān)控策略的數(shù)據(jù)來(lái)源便依賴(lài)于傳感器，且系統(tǒng)控制準(zhǔn)確性也受其直接影響。該模塊包括土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器與風(fēng)速傳感器。

（1）土壤濕度傳感器

與傳統(tǒng)傳感器不同，土壤濕度傳感器的供電源是具有周期性的。2.5 V@10 mA-10 ms脈沖電源，電源管理芯片則采用供電直流電壓為3.3 V、輸出電壓為2.5 V的XC6204-11，其最大電流可達(dá)150 mA。片選OE引腳連接CC2530的P0.5接口控制脈沖周期，連接輸出的脈沖信號(hào)到CC2530的P0.1接口。EC-5土壤濕度傳感器的電源電路原理如圖3所示。

圖3 土壤濕度傳感器電源電路

（2）空氣溫濕度傳感器

空氣溫濕度傳感器采用SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器，其工業(yè)COMS過(guò)程微加工技術(shù)（CMOSens）使產(chǎn)品更加穩(wěn)定可靠。溫濕度傳感器有時(shí)鐘線（SCK）、數(shù)據(jù)線（DATA）、電源線（VCC）與地線（GND）4路傳輸線[9]。其中串行時(shí)鐘線與CC2530的P1.2口連接，同步通信微處理器與傳感器；串行數(shù)據(jù)線連接CC2530的P0.0口來(lái)讀取數(shù)據(jù)。微處理器低電平驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線，10 k的上拉電阻拉動(dòng)信號(hào)至高電平。圖4所示為SHT11空氣溫濕度傳感器接口電路。

圖4 空氣溫度傳感器接口電路原理

（3）風(fēng)速傳感器

風(fēng)速傳感器采用FC-2A風(fēng)速傳感器，內(nèi)用電路模塊技術(shù)開(kāi)發(fā)變送器，脈沖信號(hào)輸出標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)體積小、精度高、量程寬，又有高電阻輸入線、強(qiáng)抗干擾能力與強(qiáng)穩(wěn)定性[10]。風(fēng)速傳感器只有數(shù)據(jù)線（DATA）、電源線（VCC）與地線（GND），將數(shù)據(jù)線連接到P口便能簡(jiǎn)單連接CC2530。圖5所示為FC-2A風(fēng)速傳感器接口電路。

圖5 風(fēng)速傳感器接口電路

2.3 供電電路設(shè)計(jì)

CC2530的供電電壓為2～3.6 V，充電電池的輸出電壓為3.7 V，因此CC2530不能由充電電池供電，而應(yīng)經(jīng)由線性穩(wěn)壓電路使輸出電壓變低。使用CAT6219-330線性穩(wěn)壓芯片使電壓由3.7 V降到3.3 V。圖6所示為供電電路。

圖6 供電電路

CAT6219-330輸出壓為3.3 V，最大輸出電流為500 mA，5腳處接入2.2 μF旁路電容以提高瞬態(tài)響應(yīng)，4腳處接入0.01 μF旁路電容以減少噪聲并使電壓抑制比提高。

2.4 接口電路設(shè)計(jì)

微處理器選用I/O口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的增強(qiáng)型51單片機(jī)STC12C5A60S2。電流能在低電平輸出時(shí)達(dá)到20 mA，而高電平輸出驅(qū)動(dòng)能力有限，要增大供給負(fù)載的電流[11]則需外接上拉電阻。但上拉電阻后，若I/O輸出低電平使拉電流負(fù)載不工作，單片機(jī)就會(huì)被灌入較大電流，繼而因無(wú)效的電流消耗發(fā)熱，進(jìn)而影響正常工作。同時(shí)電路整體功耗隨之增大，且51單片機(jī)上電復(fù)位后I/O口都被默認(rèn)置為高電平，不受程序控制的情況下拉電流負(fù)載開(kāi)始工作，初始狀態(tài)不能得到有效控制。因此51單片機(jī)的負(fù)載電路一般用灌電流負(fù)載的電路形式設(shè)計(jì)，而不用拉電流負(fù)載的電路形式[12]。51單片機(jī)的負(fù)載電路是灌溉控制模塊的接口電路，與P2.7引腳相連。如圖7所示。

圖7 接口電路

電磁閥選用2W-400-40常閉型電磁閥，其產(chǎn)于欣盛公司，工作電壓為DC12V，通過(guò)能實(shí)現(xiàn)小信號(hào)對(duì)大功率負(fù)載的開(kāi)關(guān)控制的固態(tài)繼電器，來(lái)控制電磁閥的啟閉。繼電器選用松下公司的ATQ209（TQ2-5 V）固態(tài)繼電器，其額定控制容量為DC1A/30V，額定工作電壓為DC5V，額定動(dòng)作電流為38 mA，而STC12系列51單片機(jī)灌電流最大為20 mA，不足以驅(qū)動(dòng)該固態(tài)繼電器，可通過(guò)PNP型三極管S8550放大電流來(lái)提高輸出驅(qū)動(dòng)能力，并隔離與保護(hù)51單片機(jī)。

2.5 電源電路

如圖8所示，通過(guò)結(jié)構(gòu)POWER-24輸入24 V直流電壓（范圍為8～36 V），經(jīng)過(guò)D1、C1、C2輸入到穩(wěn)壓芯片LM2576（接入二極管D1可防止接反輸入電壓），穩(wěn)壓芯片LM2576輸出5 V直流電壓，輸出最大可達(dá)3 A的電流，D2、L1、C3作為外圍電路來(lái)保證其正常工作。2路繼電器控制部分與4路模擬/數(shù)字量輸入部分的工作電壓，由穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)壓后輸出的5 V電壓來(lái)穩(wěn)定提供，LM2576后面的穩(wěn)壓器芯片AMS1117-3.3 V將5 V電壓降低為穩(wěn)定的3.3 V，而后經(jīng)過(guò)電容濾波保障節(jié)點(diǎn)的正常工作。

圖8 電源電路

3 軟件設(shè)計(jì)

（1）對(duì)輸入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的全部樣本進(jìn)行歸一化處理，設(shè)樣本矩陣為X：

訓(xùn)練樣本經(jīng)過(guò)歸一化處理后的矩陣C表示為：

（2）完成步驟（1）后進(jìn)行模式層分析，假設(shè)歸一化后的訓(xùn)練樣本矩陣X中包含c種農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控模式，各個(gè)類(lèi)型樣本c中含有相同的樣本數(shù)量。

（3）通常情況下，根據(jù)歐式距離方法分別計(jì)算各個(gè)訓(xùn)練樣本的監(jiān)測(cè)距離，設(shè)測(cè)試樣本矩陣D由p個(gè)n維向量組成，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理：

需要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)修正監(jiān)測(cè)結(jié)果，組建農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控模型，具體的操作流程如下所示。

（1）將組建的農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控體系設(shè)定為研究基礎(chǔ)，全面分析不同農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控方法，同時(shí)征詢(xún)相關(guān)專(zhuān)家的意見(jiàn)，組建農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控故障樹(shù)，為后續(xù)的研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）定性分析已經(jīng)訓(xùn)練好的故障樹(shù)，確定最小分割集，命名為{X1,X2,X3}。

（3）通過(guò)最小分割集關(guān)聯(lián)的監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)確定對(duì)應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)輸入，組建最小分割集的訓(xùn)練樣本，對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練。

（4）從農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)分別獲取不同的系統(tǒng)參數(shù)，將其組建為矩陣，進(jìn)而獲取農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警矩陣，即：

（5）通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)各個(gè)最小分割集進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控分析，明確最小集是否存在，即：

（6）對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定量分析，結(jié)合監(jiān)控模型，同時(shí)計(jì)算關(guān)鍵重要度，主要達(dá)到對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文選用Kingview6.55來(lái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人機(jī)界面。Kingview6.55有良好的數(shù)據(jù)接口，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、監(jiān)測(cè)與控制。創(chuàng)建虛擬端口接收DTU數(shù)據(jù)，以圖形與數(shù)字形式直觀顯示土壤濕溫度參數(shù)；圖形化的組態(tài)方式可以讓農(nóng)戶(hù)配置系統(tǒng)及掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；另外通過(guò)訪問(wèn)SQL Server和Access數(shù)據(jù)庫(kù)能存儲(chǔ)調(diào)用數(shù)據(jù)，奠定灌溉控制策略的優(yōu)化基礎(chǔ)。

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

CPU為Intel(R)Core(TM)i5-4210M CPU@2.60 GHz，安裝內(nèi)存8 GB，硬盤(pán)500 G，通道連接參數(shù)如表1所示。

表1 通道連接參數(shù)

4.2 結(jié)果分析

在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)比較了李林[7]提出方法、劉戀秋[8]所提方法以及本文系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)過(guò)程用時(shí)，對(duì)比結(jié)果如圖9所示。分析圖中的折線變化趨勢(shì)可知，李林[7]方法的監(jiān)測(cè)過(guò)程用時(shí)在4.3～7.1 s之間浮動(dòng)，劉戀秋[8]方法的監(jiān)測(cè)過(guò)程用時(shí)在5.3～8.4 s之間浮動(dòng)，而本文系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)過(guò)程用時(shí)始終保持在3 s以下，說(shuō)明該方法的監(jiān)測(cè)過(guò)程用時(shí)更短，工作效率更高。

圖9 不同方法的監(jiān)測(cè)過(guò)程用時(shí)比較

最后，測(cè)試文獻(xiàn)方法以及本文系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控的正確率，得到結(jié)果如表2所示。對(duì)比分析表中的數(shù)據(jù)可以看出，李林[7]方法對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控正確率在80.28%～86.34%之間浮動(dòng)，劉戀秋[8]方法的對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控正確率保持在84.11%～89.50%的范圍內(nèi)，而本文系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控正確率始終保持在94.40%以上，其正確率的最大值可達(dá)到97.71%，是3種方法中正確率最高的，說(shuō)明本文系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控精確度更高。

表2 農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控正確率%

5 結(jié)束語(yǔ)

本次研究說(shuō)明將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)相結(jié)合，當(dāng)中還是存在不足。因此，需要針對(duì)所存在的不足進(jìn)行有效的優(yōu)化。本文主要針對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控存在不準(zhǔn)確、耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，確切的解決對(duì)所存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的有效控制，并提高使用效率。主要通過(guò)對(duì)硬件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行嚴(yán)格、有效地控制與軟件部分的優(yōu)化，完成本次設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過(guò)程用時(shí)始終保持在3 s以下，且其對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉微機(jī)變頻遠(yuǎn)程監(jiān)控正確率始終保持在94.40%以上，該結(jié)果證明本次設(shè)計(jì)具有監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率高、運(yùn)行消耗時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，且有效實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)預(yù)期，達(dá)到研究目的。