基于光電子信息處理的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)研究

徐靜瑋

摘 要 為節(jié)約水資源和提高農(nóng)田水利灌溉效率，開展了基于大數(shù)據(jù)的節(jié)水智能灌溉系統(tǒng)研究。本文研究了采用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)田間信息的實時采集和傳輸;采用嵌入式技術(shù)實現(xiàn)灌溉執(zhí)行裝置的控制;采用大數(shù)據(jù)、GPRS、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智能灌溉決策和監(jiān)控。該系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，能夠降低灌溉工作量，提供更加科學(xué)的灌溉決策。

關(guān)鍵詞 智能灌溉;光電子信息處理;系統(tǒng)

引言

目前，我國仍然有很多的地區(qū)采用人工控制灌水閥進行漫灌，一方面土地濕度與農(nóng)作物不匹配，另一方面一旦忘記關(guān)閥門，將會造成經(jīng)濟損失和水資源的極大浪費。因此，可以依托發(fā)展的計算機和信息技術(shù)，將傳統(tǒng)的灌溉方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芄喔瓤刂品绞?。智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合了計算機技術(shù)、信息技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，采用多個傳感器節(jié)點監(jiān)測灌溉用水量，自動開啟和關(guān)閉閥門，實現(xiàn)智能節(jié)水灌溉。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對農(nóng)田灌溉區(qū)域進行實時監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控結(jié)果實時調(diào)節(jié)水量，既能保證農(nóng)田的灌溉效率，提高水資源利用率，進而提高農(nóng)作物產(chǎn)量，而且還能降低灌溉成本[1]。因此，研究智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。

1智能灌溉系統(tǒng)總體方案設(shè)計

智能灌溉系統(tǒng)是一種基于物聯(lián)網(wǎng)并結(jié)合自動控制技術(shù)、數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)而形成的新型高科技灌溉系統(tǒng)形式。系統(tǒng)應(yīng)具有較強的實時性、高效性和實用性等特點，能夠提高農(nóng)業(yè)灌溉的效率、減少水資源的浪費。系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和無線傳感網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，利用了物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行設(shè)計。感知層采用溫濕度傳感器與微型ZigBee智能化傳感節(jié)點獲取農(nóng)田灌溉過程中所需原始數(shù)據(jù)信息，為保證智能灌溉精準(zhǔn)度，提供科學(xué)、有效的基礎(chǔ)[2]。以局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)建立的網(wǎng)絡(luò)層是一種無線數(shù)據(jù)傳輸通道，主要用于實現(xiàn)感知層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)傳輸功能。采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)通信形式同時也可避免農(nóng)田、果林等不同農(nóng)業(yè)種植環(huán)境下有線網(wǎng)絡(luò)布線帶來的各種問題。應(yīng)用層可利用控制算法高效處理網(wǎng)絡(luò)層傳送來的大量農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并做出合理的灌溉策略，控制電磁閥、水泵執(zhí)行相應(yīng)動作，實現(xiàn)智能化灌溉與遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

2基于光電子信息處理的智能灌溉監(jiān)控技術(shù)

2.1 基于智能監(jiān)控終端的多路信號采集與控制

智能監(jiān)控終端實現(xiàn)傳感器和后臺監(jiān)控系統(tǒng)之間的高精度數(shù)據(jù)采集、隔離轉(zhuǎn)換、監(jiān)控與傳輸。通過軟件配置，智能監(jiān)控終端可接入多種傳感器類型，包括電流輸出型、電壓輸出型等等。智能監(jiān)控終端設(shè)置多路信號采集和控制，實現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)施的連接。終端內(nèi)部包括電源隔離、信號隔離、線性化、A/D轉(zhuǎn)換和RS-485、RS-232串行通信等模塊。通訊方式采用ASCII碼字符通信協(xié)議。在智能監(jiān)控終端內(nèi)，所有用戶設(shè)定的校準(zhǔn)值、地址、波特率、數(shù)據(jù)格式、校驗和狀態(tài)等配置信息都儲存在非易失性存儲器EEPROM里。信號輸入/輸出之間隔離?？沙惺?000VDC隔離電壓，抗干擾能力強，可靠性高。工作溫度范圍在-45℃～+80℃。

2.2 監(jiān)控管理系統(tǒng)

監(jiān)控管理系統(tǒng)是實現(xiàn)平臺與操作人員間的人機交互功能，系統(tǒng)能夠?qū)ζ脚_接收到的田間土壤含水率、土壤溫度、灌溉時田間水位、灌溉流量、田間氣候等信息以及水泵啟停、電磁閥開關(guān)、閘門開度等工況狀態(tài)信息進行展示、查詢和統(tǒng)計，便于業(yè)務(wù)人員遠(yuǎn)程及時掌握田間信息，管理人員還能夠查詢和審核平臺自動生成的灌溉決策指令。平臺同時具有智能灌溉決策、自動灌溉（定時定量灌溉）、人工灌溉三種操作模式，可根據(jù)實際需要選擇其中一種模式進行灌溉操作。其中，智能灌溉決策模式完全由決策平臺做出灌溉決策和灌溉控制，不需要人工干預(yù);自動灌溉模式由管理人員設(shè)定好灌溉時間和灌溉水量后，由平臺自動灌溉;人工灌溉模式完全由人員通過平臺遠(yuǎn)程控制灌溉。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

智能灌溉系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于前置機通信系統(tǒng)。前置機通信系統(tǒng)一方面負(fù)責(zé)與現(xiàn)場智能終端通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和命令下發(fā)，另一方面要與后臺監(jiān)控系統(tǒng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和參數(shù)取出。與現(xiàn)場智能終端的通信需要制定一套數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議，并且要實現(xiàn)多種通信方式和通信設(shè)備（協(xié)議）的動態(tài)兼容。與后臺監(jiān)控系統(tǒng)的通信需要制定一套應(yīng)用層通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)通信的上行數(shù)據(jù)包括：土壤溫度、濕度、氮磷鉀等養(yǎng)分含量、空氣溫度、濕度、電磁閥及各控制器的工作狀態(tài)等信息。下行數(shù)據(jù)是指由監(jiān)控平臺向各控制終端發(fā)出的各種控制指令，包括指定電磁閥的開關(guān)指令、各終端的狀態(tài)查詢指令以及對各終端參數(shù)的下發(fā)等。

2.4 灌溉決策分析

決策分析平臺通過現(xiàn)場感知的田間數(shù)據(jù)及生態(tài)大數(shù)據(jù)進行灌溉決策，并控制水泵、變頻器、田間電磁閥、噴槍等設(shè)備，執(zhí)行灌溉決策。利用實時監(jiān)測到的田間多深度土壤水分及連續(xù)變化情況、地表及地下土壤溫度、作物活躍吸水根系位置及分布情況、氣象數(shù)據(jù)等，并與未來的降雨預(yù)測數(shù)據(jù)、農(nóng)作物耗水規(guī)律數(shù)據(jù)、土壤水特征數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，根據(jù)作物生長信息，自動分析根系活躍吸水位置及分布比例;智能識別作物缺水脅迫、田間持水量、飽和含水量;智能計算土壤有效儲水量、土壤蓄水潛力、土壤水滲透速率;智能預(yù)測未來的降雨量、作物需水量等信息，智慧做出一次灌溉延續(xù)時間、灌溉量、灌溉周期等決策。

3結(jié)束語

我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展造成了農(nóng)業(yè)灌溉的用水量不斷增加，傳統(tǒng)灌溉方式已不能滿足當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)的需求。為解決這一矛盾，本文將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田灌溉，建立一個智能灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。其主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和無線傳感網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，采用了物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式。結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉的實際需求與智能灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計方案設(shè)計了一套遠(yuǎn)程監(jiān)控界面，并分析了遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺軟件功能。結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠利用智能分析與顯示技術(shù)實現(xiàn)智能移動設(shè)備和PC設(shè)備對灌溉區(qū)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，達到智能灌溉的目的，具有一定的實用價值。

參考文獻

[1] 王應(yīng)海.土壤含水量（土壤濕度）數(shù)據(jù)在智能灌溉決策系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].節(jié)水灌溉，2017（4）：138-141.

[2] 王應(yīng)海，劉勇兵.對智能灌溉的幾點認(rèn)識[J].節(jié)水灌溉，2017（7）：123.