基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)

李昊，岳譚，孫想成，李港，吳全恒，陶啟宏

（蚌埠學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽蚌埠，233000）

0 引言

基于物聯(lián)網(wǎng)和開源的硬件和軟件結(jié)合的概念，已經(jīng)研究出了各種傳感系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)的可用性和相對(duì)較低的成本,以及軟件組件的可移植性和易用性,允許使用更多的潛在用戶，之前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的傳感技術(shù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，現(xiàn)在都可以加以實(shí)現(xiàn)。電子監(jiān)控的進(jìn)步和不斷發(fā)展的蜂窩通信技術(shù)越來(lái)越多地為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了非常多、較為便捷且價(jià)格便宜的選擇。然而，由于2G 和3G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)沒(méi)用太久就將停止，大量已經(jīng)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將需要新的完善與構(gòu)造，以在替代蜂窩網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。開發(fā)了一種土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括更新的開源Arduino Stdio 微控制器和最近引入的LTE Cat-M1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，以訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站。該監(jiān)控系統(tǒng)的電子電路建設(shè)成本約為1500 元，蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)傳輸成本為每月不到10 元的優(yōu)勢(shì)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以進(jìn)行精確的土壤墑情檢測(cè)和需水量預(yù)測(cè)為核心，進(jìn)行了智慧節(jié)水灌溉。

1 智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1 所示。耕地里配了主控制單元STM32 單片機(jī)處理裝置，依賴于發(fā)電裝置系統(tǒng)提供電源和重置的功能。GSM/4G 系統(tǒng)和以太網(wǎng)形成了相對(duì)完備的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與灌溉網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主控單元包括電磁閥門、傳感變頻器等傳感器，通過(guò)土壤溫濕度裝置傳感器將所收集的土壤數(shù)據(jù)發(fā)送到信號(hào)處理與收發(fā)機(jī)之中，數(shù)據(jù)在信息平臺(tái)處理后再發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)的管理單位STM32，移動(dòng)端可以到現(xiàn)場(chǎng)智能的調(diào)節(jié)平臺(tái)進(jìn)行完整的多功能智能的灌溉操作。

圖1 智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 模塊設(shè)計(jì)

(1)邊緣計(jì)算模塊

邊緣分析和數(shù)據(jù)處理、灌溉條件計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、電機(jī)工作功率確定后，自動(dòng)啟動(dòng)電機(jī)開始工作。

(2)儲(chǔ)水裝置管理模塊

蓄水管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)灌溉雨水等，利用水的保存儲(chǔ)蓄。

(3)農(nóng)田狀況監(jiān)測(cè)模塊

農(nóng)田狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)農(nóng)田青菜的生長(zhǎng)狀況，判斷是否需要灌溉，以及需要多少灌溉。例如土壤溫濕度、農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài) 、光照強(qiáng)度等。

(4)自動(dòng)灌溉管理模塊

自動(dòng)灌溉管理系統(tǒng)主要是由監(jiān)控模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，與不同農(nóng)作物的習(xí)性數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，自行判斷是否需要灌溉。

(5)用戶平臺(tái)管理模塊

用戶管理平臺(tái)可以方便用戶管理灌溉系統(tǒng)，根據(jù)農(nóng)戶的經(jīng)驗(yàn)自主操作灌溉，并方便監(jiān)控自動(dòng)灌溉作業(yè)。

(6)錯(cuò)誤提示信息模塊

故障反饋模塊檢測(cè)每個(gè)設(shè)備的操作狀態(tài)是否出現(xiàn)異常，并在裝置系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)通知用戶并采取緊急措施。

(7)串口通信模塊

無(wú)線發(fā)送和接收模塊將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到云層備份，接收結(jié)果，然后與每個(gè)模塊工作。

物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)的模塊功能框架如圖2 所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)的模塊功能框架圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)

為確保參數(shù)變化能符合實(shí)際情況，實(shí)際土壤含水量IN1是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的。然后針對(duì)不同的作物情況，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析確定最佳的土壤含水量IN2；計(jì)算出在各種情況下的誤差和變量后，從而編寫出一個(gè)微控制器程序來(lái)管理硬件電路的所有傳感器測(cè)量、數(shù)據(jù)傳輸和電源管理功能。該程序是使用開源的Arduino IDE 編寫的，它從Arduino 項(xiàng)目下載并安裝在個(gè)人電腦上。該程序運(yùn)行開始說(shuō)明包括程序模塊包含與硬件設(shè)備接口的例程（庫(kù)），包括蜂窩調(diào)制解調(diào)器和微控制器的內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘。這些設(shè)備初始化之后，配置了程序變量和輸入/輸出引腳。此外,還必須充分考慮土壤溫度、濕度等關(guān)鍵因素,來(lái)判斷是否需要啟用智能農(nóng)田灌溉系統(tǒng)。而物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)田灌溉系統(tǒng)核心控制算法流程,如圖3 所顯示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)核心控制算法流程圖

1.4 系統(tǒng)技術(shù)路線

技術(shù)路線在對(duì)農(nóng)業(yè)種植進(jìn)行深入調(diào)查之后，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，初步設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)灌溉管理系統(tǒng)。系統(tǒng)面向大型農(nóng)業(yè)種植體系，數(shù)字化管理農(nóng)業(yè)種植，合理取消傳統(tǒng)用水漫灌的方式，改為區(qū)域噴灌，提高水的利用率，大大節(jié)省了水資源。用戶可以在終端端查看農(nóng)田狀態(tài)，遠(yuǎn)程操控灌溉農(nóng)田。

例如在農(nóng)田系統(tǒng)中種植低矮農(nóng)作物，將溫濕度傳感器設(shè)置在低矮農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境周圍，每隔五米設(shè)置一個(gè)傳感器并將傳感器埋入低矮農(nóng)作物根部附近距離地面50cm 處，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析；在農(nóng)田周圍空曠處設(shè)置兩個(gè)光敏電阻傳感器，來(lái)判斷光照強(qiáng)弱來(lái)判斷低矮農(nóng)作物代謝狀態(tài)分析是否需要補(bǔ)水；在農(nóng)田中每隔十米布置一個(gè)噴水裝置，噴水頭可根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作功率的改變而改變其噴水距離的遠(yuǎn)近和水量的多少。如模型示意圖4、5 所示。

圖4 模型示意圖

圖5 模型示意圖

系統(tǒng)中采用硅濕敏電阻作為檢測(cè)土壤濕度傳感器，在農(nóng)田中每隔5 米設(shè)置一個(gè)傳感器，通過(guò)檢測(cè)不同區(qū)域土壤的濕度判斷該區(qū)域的農(nóng)作物是否缺水，從而對(duì)缺水的區(qū)域定點(diǎn)灌溉，避免水資源的浪費(fèi)；在農(nóng)田兩端設(shè)置光照傳感器，判斷光的強(qiáng)弱，當(dāng)判斷光照強(qiáng)烈時(shí)無(wú)論土壤干燥與否，都不進(jìn)行灌溉，避免因在灌溉農(nóng)田時(shí)光照過(guò)強(qiáng)而燒死農(nóng)作物。并采用兩套溫濕度傳感器，一套置于土壤中用于檢測(cè)土壤溫濕度，控制灌溉程度；另一套置于地面上用于檢測(cè)空氣中的濕度，判斷是否降雨，從而避免降雨前的灌溉造成資源的浪費(fèi)。

1.5 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.5.1 溫室環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控

土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)在本研究中部署在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域種植在農(nóng)業(yè)部的農(nóng)業(yè)研究服務(wù)，由生長(zhǎng)季節(jié)監(jiān)測(cè)水分的條件來(lái)確定灌溉的時(shí)間應(yīng)用程序。在每個(gè)部署位置，土壤濕度傳感器安裝在四個(gè)深度；土壤表面以下1、2、3 和4 英尺（約30、60、90 和120 厘米）。木樁被推到傳感器附近的土壤中，并在離土壤表面約20 厘米高的木樁上安裝了一個(gè)防風(fēng)雨的塑料外殼。傳感器導(dǎo)線通過(guò)彈簧端子塊被連接到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路板上，電池被連接到電路上，完成的監(jiān)測(cè)電路被放置在防風(fēng)雨外殼內(nèi)。

1.5.2 異常報(bào)警

在數(shù)據(jù)傳輸成功后，該程序終止了互聯(lián)網(wǎng)和蜂窩數(shù)據(jù)服務(wù)。微控制器的內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘被重置，并指定下一次測(cè)量時(shí)間，并使微控制器、傳感器電路和蜂窩調(diào)制解調(diào)器進(jìn)入低功耗睡眠模式。該電路保持在低功耗模式，直到下一次測(cè)量時(shí)間，間隔兩小時(shí)，當(dāng)發(fā)出內(nèi)部報(bào)警時(shí)，微控制器被喚醒。設(shè)施通電，并進(jìn)行重復(fù)測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程。

1.5.3 遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制

提供移動(dòng)客戶端。采用了遠(yuǎn)程自動(dòng)控制,使用者便能通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程管理溫室設(shè)備。該控制系統(tǒng)還能夠自定義規(guī)則,以進(jìn)行對(duì)溫室設(shè)備的智能化管理,例如在土壤溫度和濕度過(guò)低時(shí),溫室的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)澆水。

1.5.4 歷史數(shù)據(jù)分析

特定時(shí)期的環(huán)境信息能夠在不同的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)分類、對(duì)比和檢索。系統(tǒng)提供列表與圖標(biāo)兩個(gè)檢索方式,讓使用者更直接的掌握歷史數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)信息進(jìn)行了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型,利用信息統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘等手段對(duì)信息做出合理的分類,從而更有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育、合理增加糧食作物生產(chǎn)的指導(dǎo)信息。

2 面向智能灌溉的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

本研究開發(fā)的土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可作為開發(fā)其他遙感或控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。微控制，物聯(lián)網(wǎng)程序和蜂窩屏蔽的進(jìn)展是服務(wù)于各種項(xiàng)目的基本組件，軟件庫(kù)和編程也有同樣的效果，如用于傳輸數(shù)據(jù)和低功耗睡眠模式，其程序已經(jīng)編寫好，可以在其他應(yīng)用程序中重用。廉價(jià)、可靠和準(zhǔn)確的傳感器，設(shè)計(jì)為易于與可編程微控制器接口，并可能在農(nóng)藝和環(huán)境監(jiān)測(cè)、灌溉和用水等領(lǐng)域感興趣。更強(qiáng)大的微控制器的擴(kuò)展能力為傳感器集成提供了更多的機(jī)會(huì)，由于更高的處理速度和增加的內(nèi)存，數(shù)據(jù)收集和分析的復(fù)雜性，以及在電池供電下更長(zhǎng)的無(wú)人值守操作時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

本文著重的講述了硬件結(jié)構(gòu)、模塊設(shè)計(jì)、核心控制算法和技術(shù)路線，以及物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)耕田地節(jié)水灌溉中的功能實(shí)現(xiàn)。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引用下構(gòu)造的智能農(nóng)耕灌溉系統(tǒng)，既能對(duì)農(nóng)耕地的溫度濕度進(jìn)行具體分析，也可以在系統(tǒng)中的傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)部署的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳送到本地終端設(shè)備，用戶終端設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷處理，判斷農(nóng)田的所需，將所得到的結(jié)果上傳到云端，農(nóng)戶根據(jù)云端的結(jié)果，進(jìn)行灌溉操作，實(shí)現(xiàn)智能灌溉；能夠?qū)θ彼畢^(qū)域定點(diǎn)灌溉節(jié)約水資源；對(duì)農(nóng)田智能檢測(cè)，保證了農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)水量需求提高農(nóng)作物的質(zhì)量。