基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的光照監(jiān)控與節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 光照監(jiān)控與節(jié)水灌溉系統(tǒng)具有復(fù)雜性和滯后性的特征，傳統(tǒng)控制方法的灌溉控制效率低，造成水資源浪費(fèi)。設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的光照監(jiān)控與節(jié)水灌溉系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由土壤濕度傳感器、物聯(lián)網(wǎng)采集終端、噴灌機(jī)控制終端、智能光照監(jiān)控模塊構(gòu)成，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)澆灌配置的遠(yuǎn)程管控。利用智能光照監(jiān)控系統(tǒng)使實(shí)際光照數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)接近，實(shí)現(xiàn)光照監(jiān)控，介紹了終端采集模塊的基本框架，給出GPRS通信模塊和土壤濕度傳感器的接口電路。軟件設(shè)計(jì)中，分析了系統(tǒng)的功能模塊，給出節(jié)水灌溉模式處理的部分關(guān)鍵代碼，介紹了詳細(xì)的軟件設(shè)計(jì)流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)可對(duì)光照情況進(jìn)行精確監(jiān)控，節(jié)水效率較高。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 光照監(jiān)控； 節(jié)水灌溉； 終端采集模塊

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）20?0149?05

Abstract： The light monitoring and water?saving irrigation system has the characteristics of complexity and lagging performance， and the traditional control method has low irrigation control efficiency， which may results in waste of water resource. An illuminance monitoring and water?saving irrigation system based on Internet of Things （IOT） was designed. The system is composed of soil moisture sensor， IOT collection terminal， sprinkler control terminal and intelligent illumination monitoring module. The remote control of agriculture irrigation configuration is realized by means of the IOT sensing platform. The intelligent illuminance monitoring system is used to approach the practical illumination data to the ideal data， and monitor the illuminance. The basic framework of terminal acquisition module is introduced. The interface circuits of soil humidity sensor and GPRS communication module are given. In software design， the function modules of the system are analyzed， the part critical codes of the water?saving irrigation pattern processing are given， and the software design process is introduced in detail. The experiment results show that the designed water?saving irrigation system can monitor the illumination status accurately， and has high water?saving efficiency.

Keywords： Internet of Things； illuminance monitoring； water saving irrigation； terminal acquisition module

0 引 言

當(dāng)前我國(guó)的農(nóng)作物干旱問(wèn)題，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展產(chǎn)生了不好的影響。在復(fù)雜的地理環(huán)境與光照的作用下，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水資源量和灌溉效率較低[1?2]。因此，設(shè)計(jì)一種光照監(jiān)控與節(jié)水灌溉系統(tǒng)具有重要意義，已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題，受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注[3?5]。

文獻(xiàn)[6]提出的節(jié)水灌溉控制器利用紅外線熱電偶收集土壤信息，結(jié)合對(duì)大氣濕度和土壤濕度條件的分析，使數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，謀劃更全面，由于控制器的價(jià)錢不符合農(nóng)民的心里價(jià)位，因此比較難推廣。文獻(xiàn)[7]描述的模糊控制系統(tǒng)以編制好的管理程序?yàn)橐罁?jù)，對(duì)作物水量的需要進(jìn)行灌溉，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是管理準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是不符合中國(guó)現(xiàn)實(shí)情況，得不到全面發(fā)展。文獻(xiàn)[8]的灌概操作系統(tǒng)在單片機(jī)基礎(chǔ)上研發(fā)了閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它可以利用多點(diǎn)對(duì)土壤濕度進(jìn)行收集，具有多種路徑傳輸、不定期灌溉、定點(diǎn)按時(shí)灌溉的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)的容錯(cuò)配置使系統(tǒng)在工作狀態(tài)下更方便使用，同時(shí)在不同的環(huán)境條件下可以對(duì)模塊重新排列組合，由于其過(guò)程復(fù)雜，現(xiàn)實(shí)中操作較難。文獻(xiàn)[9]通過(guò)模糊控制理論設(shè)計(jì)的模糊推理節(jié)水灌溉方法，將作物的蒸發(fā)量和土壤水量作定為輸入變量，將作物的需水量當(dāng)成輸出變量，能夠及時(shí)精準(zhǔn)地獲取作物需水程度，具有一定的工程應(yīng)用參照價(jià)值，缺點(diǎn)是易受到外部條件的干擾，收益率低。

針對(duì)上述方法的弊端，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的光照監(jiān)控與節(jié)水灌溉系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)澆灌配置的遠(yuǎn)程管控。利用智能光照監(jiān)控系統(tǒng)使實(shí)際光照數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)接近，實(shí)現(xiàn)光照監(jiān)控。介紹了終端采集模塊的基本框架。軟件設(shè)計(jì)中，分析了系統(tǒng)的功能模塊，給出節(jié)水灌溉模式處理的部分關(guān)鍵代碼，介紹了詳細(xì)的軟件設(shè)計(jì)流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，所設(shè)計(jì)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)可對(duì)光照情況進(jìn)行精確監(jiān)控，節(jié)水效率較高。

1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程

1.1 系統(tǒng)硬件的總體邏輯單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的光照監(jiān)控與節(jié)水灌溉系統(tǒng)主要由土壤濕度傳感器、物聯(lián)網(wǎng)采集終端、噴灌機(jī)控制終端、智能光照監(jiān)控模塊構(gòu)成，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。土壤濕度傳感器被埋至土壤中，以得到不同深度的土壤水分信息，同時(shí)將其變成0～5 V的模擬電壓信號(hào)。智能光照監(jiān)控模塊使實(shí)際光照數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)接近，實(shí)現(xiàn)光照監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)采集終端對(duì)土壤濕度傳感器和光照監(jiān)控模塊的信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)GPRS 單元將采集的信息發(fā)送至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心不斷接收物聯(lián)網(wǎng)采集終端傳輸?shù)男畔?，通過(guò)分析獲取最佳灌溉方案，將灌溉命令傳輸至噴灌機(jī)控制終端，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)平臺(tái)主要由智能傳感平臺(tái)、營(yíng)運(yùn)調(diào)控平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)傳遞平臺(tái)和實(shí)際操作平臺(tái)4部分組成。每個(gè)感應(yīng)平臺(tái)的構(gòu)成都有不同的作用。首先，智能感應(yīng)平臺(tái)需要在智能圖像操作系統(tǒng)和泥土濕度與溫度視覺(jué)感應(yīng)器的引領(lǐng)下完成對(duì)土壤中所含水分以及土壤冷熱的檢測(cè)。其次，營(yíng)運(yùn)調(diào)控平臺(tái)主要用于對(duì)當(dāng)季天氣的旱澇情況進(jìn)行預(yù)先報(bào)到，以便及時(shí)對(duì)莊嫁進(jìn)行補(bǔ)救和產(chǎn)量的預(yù)測(cè)，它還具有遠(yuǎn)程操控澆灌作用，達(dá)到對(duì)水資源的節(jié)約利用的目的。再次，網(wǎng)絡(luò)傳遞平臺(tái)是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系的根基，它由PAN 網(wǎng)絡(luò)、LAN 網(wǎng)絡(luò)、WAN 網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)傳遞標(biāo)準(zhǔn)組成。最后，利用實(shí)際操作平臺(tái)把實(shí)時(shí)的天氣和旱澇消息經(jīng)過(guò)PAD、移動(dòng)電話和互聯(lián)網(wǎng)等其他網(wǎng)絡(luò)工具傳遞給使用者。這樣不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)澆灌配置的遠(yuǎn)程監(jiān)控，也可使政府部門準(zhǔn)確掌握農(nóng)業(yè)天氣變化，以便在宏觀上了解農(nóng)業(yè)生長(zhǎng)狀況，實(shí)現(xiàn)節(jié)水與調(diào)整的全方位處理。

1.3 智能光照監(jiān)控模塊的硬件設(shè)計(jì)

智能光照監(jiān)控系統(tǒng)采用傳感器節(jié)點(diǎn)收集溫室里外環(huán)境的陽(yáng)光、水分、濃度和溫度，對(duì)農(nóng)作物的環(huán)境情況、生態(tài)情況和種植作物的長(zhǎng)勢(shì)情況做出研究后，利用監(jiān)控的對(duì)應(yīng)功能對(duì)各種要素進(jìn)行主動(dòng)的管理，使光照條件和作物的生長(zhǎng)情況相適應(yīng)，達(dá)到準(zhǔn)確合適的成長(zhǎng)和增加產(chǎn)量與提升質(zhì)量的目的。

總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)控制模式與手動(dòng)控制摸式對(duì)光照進(jìn)行監(jiān)控，兩種模式可利用控制面板切換。手動(dòng)控制模式較簡(jiǎn)單，由操作人員直接控制，通常用于調(diào)試異常情況。在自動(dòng)控制模式下，計(jì)算機(jī)通過(guò)運(yùn)行，將光照調(diào)控理想數(shù)據(jù)傳輸給寄存器，將實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和理想數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，智能操作光照控制機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)，使實(shí)際光照數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)接近，實(shí)現(xiàn)光照監(jiān)控。

1.4 物聯(lián)網(wǎng)信息采集單元的硬件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的光照監(jiān)控與節(jié)水灌溉系統(tǒng)的終端采集模塊是物聯(lián)網(wǎng)采集單元，其基本框架如圖4所示。

土壤濕度感應(yīng)器把收集到的土壤數(shù)據(jù)，通過(guò)鑲嵌狀的微控制器MCU操作后傳送到采集單元，再經(jīng)過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾碇行挠?jì)算機(jī)上，就會(huì)自動(dòng)呈現(xiàn)出關(guān)于濕度的數(shù)值情況。子系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC接收到的土壤感應(yīng)器信息是經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路操作的最終數(shù)據(jù)。GPRS板塊收到利用串行口反饋的數(shù)據(jù)后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)關(guān)口將其傳輸?shù)絀nternet上，與Internet相連的中心站計(jì)算機(jī)就會(huì)得到數(shù)據(jù)。

在該設(shè)計(jì)中，選擇的 GPRS 通信模塊接口均是TTL 電平接口，它能和ATmega128 單片機(jī)的串行接口直接相連，接口電路如圖5所示。

GPRS模塊需采用直流5 V電壓供電，通信節(jié)點(diǎn)是TXD，RXD，能與AVR 單片機(jī)的串行接口直接相連，ONLINE是在線提示入口，與互聯(lián)網(wǎng)接通后端口會(huì)發(fā)送一個(gè)低電平信息，利用74ALS04 完成反向處理后會(huì)驅(qū)動(dòng)D1發(fā)光二極管，如果發(fā)光二極管變亮，說(shuō)明GPRS模塊和網(wǎng)絡(luò)相連。

在物聯(lián)網(wǎng)采集終端中，土壤濕度傳感器接口輸出的信號(hào)經(jīng)線性轉(zhuǎn)換操作后被發(fā)送至ATmega128的ADC1引腳，通過(guò) ADC實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。土壤濕度傳感器接口如圖6所示。

由于濕度傳感器傳出的電壓信號(hào)需經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離的電纜輸送，缺少牢固性，易受到中高頻率設(shè)備噪音的影響，因此需在電壓信號(hào)傳進(jìn)電路后和進(jìn)入ADC前利用低通濾波把噪聲和干擾濾除。通過(guò)濾波器后的傳感器輸出信號(hào)首先通過(guò)R1與R3合成的分壓電路變換成為0～4.09 V的電壓信號(hào)，然后經(jīng)一級(jí)緩沖，最終傳輸至操作器的ADC端口。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能設(shè)計(jì)

為了全面推廣基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的光照監(jiān)控與節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，讓使用者更方便清楚地了解該系統(tǒng)，給出該系統(tǒng)的五大功能，系統(tǒng)功能圖如圖7所示。

（1） 地理信息空間展示功能：地理信息空間展示功能主要包括節(jié)水澆灌智能管理終端呈現(xiàn)和萬(wàn)畝方示范區(qū)數(shù)據(jù)信號(hào)呈現(xiàn)。其中水澆灌智能管理終端呈現(xiàn)的具體項(xiàng)目有井房管理、農(nóng)業(yè)機(jī)井與節(jié)水狀況監(jiān)察測(cè)試點(diǎn)、天氣變化監(jiān)察測(cè)試點(diǎn)、幼苗生長(zhǎng)監(jiān)察測(cè)試點(diǎn)和農(nóng)田里智能操作設(shè)備等基礎(chǔ)配置空間顯示。萬(wàn)畝方示范區(qū)數(shù)據(jù)信號(hào)呈現(xiàn)包括對(duì)地表輪廓數(shù)據(jù)顯示、耕地分布與利用數(shù)據(jù)顯示、耕種作物數(shù)據(jù)顯示、行政單位規(guī)劃數(shù)據(jù)顯示、水利和道路車輛情況顯示以及森林分布數(shù)據(jù)信息的顯示。

（2） 信息綜合查詢功能：信息綜合查詢功能是把查找的最終數(shù)據(jù)與空間分布位置統(tǒng)一呈現(xiàn)出來(lái)的一種查找功能。

（3） 通信服務(wù)功能：通信服務(wù)功能主要包括兩個(gè)方面：承擔(dān)與井房管理站的信息傳遞，收集澆溉范圍內(nèi)的墑情、氣象等傳感器數(shù)據(jù)消息；保障墑情檢測(cè)點(diǎn)信息的暢通，能夠不間斷傳遞灌區(qū)墑情數(shù)據(jù)情況。

（4） 農(nóng)田節(jié)水分析決策功能：農(nóng)田節(jié)水分析決策功能利用通信技術(shù)掌握灌區(qū)數(shù)據(jù)并對(duì)澆筑用時(shí)和灌水定點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行最終分析，它是整個(gè)系統(tǒng)的中心計(jì)劃核心。它具有不同類型的灌溉決策樣本，主要有按照時(shí)間定點(diǎn)的灌溉決策樣本，按照感應(yīng)器、氣象數(shù)據(jù)和作物成長(zhǎng)樣本的智能灌溉決策模型，以及遠(yuǎn)距離非自動(dòng)化的灌溉決策模型三種類型。

（5） 農(nóng)田節(jié)水智能灌溉控制功能：農(nóng)田節(jié)水智能灌溉控制功能主要有管理決定遠(yuǎn)距離輸送和監(jiān)管澆灌時(shí)的及時(shí)數(shù)據(jù)以及特殊情況下送水路徑的預(yù)警提示。利用短信形式對(duì)出現(xiàn)的特殊澆灌情形進(jìn)行提示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)情況下對(duì)澆灌設(shè)施的管理。

2.2 灌溉控制處理模塊軟件設(shè)計(jì)

2.3 軟件設(shè)計(jì)流程

灌溉操作的規(guī)劃設(shè)計(jì)需按照土壤中所含水分的多少即旱澇狀況來(lái)具體執(zhí)行，這樣能夠及時(shí)獲得準(zhǔn)確的前沿土地?cái)?shù)值，為具體負(fù)責(zé)單位提供參考根據(jù)，在此基礎(chǔ)上再對(duì)各個(gè)地域的缺水情況做出整體全面的研究，提出解決方法。為了不浪費(fèi)能源，使該系統(tǒng)發(fā)揮更好的作用，可以采用區(qū)域派遣形式對(duì)不同程度的干旱土地進(jìn)行差異化灌溉。將先前收集到的土壤干旱程度和解決辦法發(fā)送到傳感器節(jié)點(diǎn)，按照得到的返回?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)末端的終端信息，獲取各區(qū)域具體需要的灌水量。詳細(xì)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的光照監(jiān)控與節(jié)水灌溉系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)廣域灌溉系統(tǒng)作為對(duì)比進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖9所示。

將不同區(qū)域不同旱情的農(nóng)作物作為研究對(duì)象，分別采用本文系統(tǒng)和廣域系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行節(jié)水灌溉，灌溉準(zhǔn)確度曲線比較結(jié)果如圖10所示。

分析圖10可知，在不同區(qū)域的土壤環(huán)境下，采用本文系統(tǒng)的灌溉準(zhǔn)確率一直高于廣域系統(tǒng)，這主要是因?yàn)楸疚南到y(tǒng)依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)技術(shù)，對(duì)不同區(qū)域土壤中的不同旱情進(jìn)行了分析。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。分析表1可知，針對(duì)任意區(qū)域，采用本文系統(tǒng)的用水量一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于廣域系統(tǒng)，說(shuō)明本文系統(tǒng)有很好的節(jié)水灌溉性能，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的光照監(jiān)控與節(jié)水灌溉系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由土壤濕度傳感器、物聯(lián)網(wǎng)采集終端、噴灌機(jī)控制終端、智能光照監(jiān)控模塊構(gòu)成，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)澆灌配置的遠(yuǎn)程管控。利用智能光照監(jiān)控系統(tǒng)使實(shí)際光照數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)接近，實(shí)現(xiàn)光照監(jiān)控。介紹了終端采集模塊的基本框架，給出了GPRS通信模塊和土壤濕度傳感器的接口電路。軟件設(shè)計(jì)中，分析了系統(tǒng)的功能模塊，給出節(jié)水灌溉模式處理的部分關(guān)鍵代碼，介紹了詳細(xì)的軟件設(shè)計(jì)流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，所設(shè)計(jì)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)可對(duì)光照情況進(jìn)行精確監(jiān)控，節(jié)水效率較高。

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