基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)
——以甘肅省張掖市甘州區(qū)沿山灌區(qū)為例

張 明

（甘肅省張掖市甘州區(qū)安陽水利管理所，甘肅 張掖734000）

0 引言

中國作為世界上13個(gè)缺水國家之一，而農(nóng)業(yè)用水比例占到了全國水資源使用量的3/5，其中超過90%的水量用于農(nóng)田灌溉，但水資源利用率卻低于世界平均水平［1］。隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)田灌溉作為水利工程建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目，解決灌溉過程中的水資源浪費(fèi)、人工灌溉效率低等問題是未來工作的重心。就甘肅省張掖市甘州區(qū)沿山灌區(qū)而言，仍處于人工灌溉階段，不僅灌溉效率低下，還存在灌溉過量或不足等情況，影響農(nóng)作物的正常生長，造成減產(chǎn)。傳統(tǒng)的灌溉方式實(shí)施過程可大致概括為以下步驟：

（1）水庫向水管所供水。

（3）農(nóng)戶按水渠走向和水流方向依次打開個(gè)人農(nóng)田進(jìn)水閘門完成灌溉。

（4）灌溉結(jié)束，水利管理所停止供水。

傳統(tǒng)灌溉方式中存在的問題分析如下：

（1）灌溉效率低，農(nóng)戶需依次通知或在田間等待，中間過程既耗時(shí)又浪費(fèi)水資源。

（2）農(nóng)戶灌溉過程中，仍需手動開關(guān)閘門，并阻斷水流向下游流失，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

（3）灌溉水量由農(nóng)民根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制，無法做到科學(xué)灌溉。

國家大力提倡的智慧農(nóng)業(yè)理念，無疑是最科學(xué)有效的解決方案。智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展得益于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的典型應(yīng)用之一，為我國農(nóng)田灌溉方式由傳統(tǒng)的人工灌溉向自動化智慧灌溉轉(zhuǎn)型提供了良好的技術(shù)支持。

1.改制企業(yè)履約能力的法律風(fēng)險(xiǎn)。供應(yīng)商的履約能力是物資采購工作得以順利完成的保障。隨著近幾年來油田改制企業(yè)經(jīng)營狀況的不斷變化，有些改制企業(yè)的能力堪憂，有時(shí)存在供貨不及時(shí)、產(chǎn)品質(zhì)量性能不穩(wěn)定的情況，從而影響油田生產(chǎn)建設(shè)需要，給油田造成經(jīng)濟(jì)損失。

本論述著眼于傳統(tǒng)灌溉方式存在的問題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的自動化農(nóng)田灌溉系統(tǒng)［2］，來解決在農(nóng)田灌溉過程中存在的問題，達(dá)到節(jié)水灌溉，科學(xué)灌溉的目的。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)優(yōu)勢及理論

物聯(lián)網(wǎng)灌溉讓農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)現(xiàn)了自動化和遠(yuǎn)程控制，將極大節(jié)約人力資源。同時(shí)，傳感技術(shù)和云計(jì)算相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，從而分析農(nóng)作物長勢，長期的數(shù)據(jù)積累將為農(nóng)田灌溉提供真實(shí)的數(shù)據(jù)支持，推動智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)步伐。

物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)田灌溉系統(tǒng)解決了長期以來農(nóng)民按經(jīng)驗(yàn)控制灌溉水量的問題。本論述使用定額法計(jì)算灌溉需水量，首先根據(jù)所種植作物的種類及種植地區(qū)確定灌溉用水基準(zhǔn)定額和灌溉方式所產(chǎn)生的調(diào)節(jié)系數(shù)，計(jì)算不同保證率下的灌溉用水定額，再與種植面積相乘進(jìn)而求得灌溉需水量［3］。

根據(jù)上述對灌溉需水量的描述，可通過數(shù)學(xué)建模，模擬計(jì)算出每塊田地所需水量大小，水流速度傳感器可獲取田間進(jìn)水口水流流速，系統(tǒng)通過控制灌溉時(shí)間，水流速度與時(shí)間的乘積即灌溉水量，然后根據(jù)農(nóng)作物自身特性，測量土壤濕潤度，對灌溉水量進(jìn)行校準(zhǔn)或補(bǔ)償。

1.2 系統(tǒng)框架

農(nóng)田灌溉系統(tǒng)分為感知控制層，傳輸層，數(shù)據(jù)管理層和應(yīng)用層，系統(tǒng)框架如圖1所示。

感知控制層包括各傳感器數(shù)據(jù)和主控制器，本系統(tǒng)以STM32作為主控制器，實(shí)現(xiàn)傳感器驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。水流流速傳感器布設(shè)于農(nóng)田入水口，采集水流速度，計(jì)算水量；水深傳感器用來監(jiān)測水渠供水量，方便控制中心對供水量進(jìn)行把控；土壤濕度傳感器通過監(jiān)測土壤含水量來調(diào)節(jié)灌溉水量以達(dá)到更好的灌溉效果；水質(zhì)傳感器主要監(jiān)測水質(zhì)PH值，保證灌溉用水適合農(nóng)作物生長，溫濕度數(shù)據(jù)和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)用來輔助計(jì)算水分蒸發(fā)量［4］，方便后續(xù)進(jìn)行灌溉水量補(bǔ)償。

傳輸層選用NB-IoT模組實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送和云端指令下發(fā)，模組通過UART連接MCU，將數(shù)據(jù)通過基站發(fā)送至云平臺。

云平臺對傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整理、存儲、分析，通過分析傳感器數(shù)據(jù)模擬計(jì)算生成預(yù)期灌溉用水量，下發(fā)至設(shè)備端進(jìn)行農(nóng)田灌溉，起到輔助決策功能，也為后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持，指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)種植。

應(yīng)用層主要為Web端，實(shí)時(shí)顯示灌溉進(jìn)度及各傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài)等信息，為人機(jī)交互提供窗口和媒介。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由電源模塊、MCU基本電路，傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動控制電路及通訊電路組成。硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路系統(tǒng)框圖

電源模塊為系統(tǒng)運(yùn)行提供電能，通過電壓轉(zhuǎn)換得到如5 V、3.3 V等不同電壓，保證系統(tǒng)各部分供電充足。傳感器使用IIC、SPI、UART等方式連接MCU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，NB-IoT使用UART連接MCU完成數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)選用STM32F103RCT6作為主控芯片，該芯片是一款基于ARM架構(gòu)的32位微控制器，最高速率可達(dá)72 MHz，片上資源豐富，包括51個(gè)通用I/O，8個(gè)定時(shí)器、ADC、IIC、SPI、UART等，它與晶振電路、復(fù)位電路共同構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)。復(fù)位電路采樣高電平復(fù)位機(jī)制，時(shí)鐘電路由8 MHz石英晶體震蕩器和匹配電容、反饋電阻組成，為單片機(jī)提供穩(wěn)定振蕩頻率，并作為鎖相環(huán)倍頻輸出的基礎(chǔ)頻率使用。電路如圖3所示。

NB-IoT模組選用M5310-A模塊［5］，該模塊由中國移動設(shè)計(jì)研發(fā)，是一款工業(yè)級的多頻段窄帶物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸模塊，使用貼片封裝，電路上需外接SIM卡座實(shí)現(xiàn)通信，電路中加入TVS二極管陣列為其提供良好的ESD保護(hù)，參考電路如圖4所示。

圖1 系統(tǒng)框架

圖3 STM32F103RCT6最小系統(tǒng)

圖4 外接SIM卡參考電路

電機(jī)負(fù)責(zé)控制田間進(jìn)水閘門及水流阻斷閘門的開合，電機(jī)驅(qū)動部分使用高性能MOSFET組成H橋驅(qū)動模塊，最大驅(qū)動功率可達(dá)300 W，內(nèi)置過壓欠壓保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路，安全可靠。硬件連接方式如圖5所示。

圖5 連接示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 NB-IoT程序設(shè)計(jì)

NB-IoT基于現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)［6］，功耗低、通信距離遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)容量大、適合大面積布設(shè)。模塊通過串口以AT指令的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及指令下發(fā)，程序流程如圖6所示。

圖6 NB-IoT程序流程圖

3.2 電機(jī)驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇直流電機(jī)對閘門開合進(jìn)行控制，單片機(jī)定時(shí)器輸出PWM信號驅(qū)動電機(jī)，通過調(diào)節(jié)占空比改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來達(dá)到系統(tǒng)需求。首先使能單片機(jī)定時(shí)器，通過配置TH和TL設(shè)置定時(shí)初值，控制PWM頻率，單片機(jī)輸出高電平使能驅(qū)動，PWM信號通過兩根控制信號線輸入到電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊輸出端連接電機(jī)，控制邏輯如圖7所示。

圖7 電機(jī)運(yùn)行邏輯

3.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)接收到云平臺下發(fā)的灌溉指令后，單片機(jī)首先初始化所有外設(shè)，然后打開田間進(jìn)水閘門的同時(shí)阻斷水渠中水流流動開始灌溉，并開始采集水流速度等傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)發(fā)送到云端。系統(tǒng)通過云平臺預(yù)先模擬的灌溉水量進(jìn)行灌溉，當(dāng)水量達(dá)到預(yù)定數(shù)量時(shí)，通過土壤濕度判斷灌溉效果，云端同時(shí)根據(jù)灌溉過程中的環(huán)境和當(dāng)前土壤濕度計(jì)算補(bǔ)償數(shù)據(jù)，最終完成既定灌溉任務(wù)，關(guān)閉進(jìn)水閘門，打開阻水裝置使水渠中的水繼續(xù)向下流，沿水渠走向依次進(jìn)行完成灌溉，系統(tǒng)程序流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)程序流程圖

4 Web端設(shè)計(jì)

Web前端主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，是連接云端與用戶端的媒介。前端通過HTML5、CSS3、jquery等技術(shù)進(jìn)行搭建，首先從云端數(shù)據(jù)庫獲取傳感器數(shù)據(jù)并顯示，還設(shè)置了控制指令下發(fā)功能，方便用戶在系統(tǒng)運(yùn)行過程中進(jìn)行人為干預(yù)。

針對不同用戶開放的權(quán)限也有所區(qū)別，因此用戶類型大致分為管理用戶和普通用戶。普通用戶可獲取到傳感器信息和灌溉狀態(tài)信息等基本信息，不對其開放系統(tǒng)控制權(quán)限；管理用戶可根據(jù)實(shí)際情況對系統(tǒng)進(jìn)行人為干預(yù)，并獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

5 結(jié)束語

本論述通過對國內(nèi)農(nóng)田灌溉現(xiàn)狀的的分析，對傳統(tǒng)灌溉方式存在的問題進(jìn)行了闡述，提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)，以STM32作為主控制器，NB-IoT為通信方式的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，分析了智能灌溉系統(tǒng)的優(yōu)勢及灌溉原理。本論述從硬件、軟件和Web端設(shè)計(jì)三方面進(jìn)行闡述，展示了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的所有硬件設(shè)施及軟件設(shè)計(jì)思路，介紹了軟硬件原理及關(guān)鍵器件選型詳細(xì)說明了系統(tǒng)工作過程及效果。針對用戶群體不同，系統(tǒng)會分配不太使用權(quán)限，在保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。系統(tǒng)所選用的STM32物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)田灌溉系統(tǒng)建設(shè)將極大程度上解決傳統(tǒng)灌溉方式帶來的水資源浪費(fèi)、效率低下等問題，為推動智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。