物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

潘曉燕

（民勤縣水務(wù)局，甘肅 民勤 733399）

物聯(lián)網(wǎng)屬于現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，也是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下的必然趨勢(shì)。借助于數(shù)字化現(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)實(shí)際需求，以信息技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)灌溉精確度的不斷提升，從而降低灌溉成本，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)智慧灌溉的發(fā)展。

1 智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 理論模型建立

構(gòu)建更加現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)智能灌溉體系，必須要結(jié)合農(nóng)作物在實(shí)際生長(zhǎng)中的蒸騰量，據(jù)此來(lái)實(shí)施灌溉管理工作。所以農(nóng)作物根系吸水層屬于灌溉目標(biāo)到達(dá)層，蒸騰數(shù)字模型建立如下：

ET0-農(nóng)作物蒸發(fā)蒸騰量；Δ-溫度變化與飽和水汽壓的斜率關(guān)系；Rn-農(nóng)作物表面的輻射量；G-土壤熱通量；γ-干濕表常數(shù)；T-選定參考高度處平均氣溫；μ-選定參考高度處平均風(fēng)速；es-飽和水汽壓；ea-實(shí)際水汽壓。

在上述公式中，土壤濕度屬于重要指標(biāo)，選擇不同時(shí)間土壤濕度的差異值和變化情況，借助于過(guò)程控制，設(shè)置多語(yǔ)言變量，同時(shí)構(gòu)建農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化灌溉系統(tǒng)的控制理論公式如下：

算式中：Ke-誤差量化因子；Kec-誤差變化率的量化因子；Ku-模糊控制的比例因子；n1-誤差的模糊論域極值；n2-誤差變化率的模糊論域極值；m-信號(hào)輸出變量的模糊論域極值；emax-誤差的基本論域極值；ecmax-誤差變化率的基本論域極值；μmax-信號(hào)輸出變量的基本論域極值。

1.2 系統(tǒng)硬件配置

借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的依托，對(duì)農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)的硬件電路實(shí)施設(shè)計(jì)，在圖1中能夠了解到田間設(shè)置STM，依靠供電系統(tǒng)給予電源和復(fù)位功能，GSM/GPRS以及以太網(wǎng)構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)完善的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉信息體系。關(guān)鍵性控制設(shè)備包含了電磁閥、變頻器和其他一些傳感器等，和STM連接的土壤濕度傳感器信號(hào)進(jìn)行信息平臺(tái)處理之后能夠進(jìn)入到田間智能化監(jiān)管平臺(tái)中來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)一次完整的智能灌溉作業(yè)。對(duì)于智能灌溉系統(tǒng)以及控制算法的選擇過(guò)程中，通過(guò)比例可以了解到為保證誤差變化能夠契合于實(shí)際土壤，給出圖2中物聯(lián)網(wǎng)智能化灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，另外還把土壤溫濕度以及其他相關(guān)因素充分考慮進(jìn)入。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

圖2 物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)核心控制算法簡(jiǎn)圖

1.3 系統(tǒng)軟件控制

對(duì)于現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化灌溉系統(tǒng)的構(gòu)建來(lái)說(shuō)，其基本上關(guān)系到程序初始化、參數(shù)確定、溫濕度管理、電機(jī)控制和其他泵組的管理，另外還涉及到可視化智能灌溉系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。

對(duì)于目前農(nóng)業(yè)智能化物聯(lián)網(wǎng)管控角度下的相關(guān)問(wèn)題，圖3為整個(gè)軟件布局。首先處于工作狀態(tài)之下時(shí)，利用總線接口、寄存器組件和其他能夠發(fā)送緩沖信號(hào)的模塊構(gòu)成，發(fā)送部分往往會(huì)添加DNA控制，相應(yīng)的信號(hào)、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及FIFO進(jìn)行緩沖處理之后可以直接發(fā)送到核心位置；在PHY位置傳輸之后通過(guò)相關(guān)信號(hào)狀態(tài)和緩沖，形成農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的流量控制機(jī)制。另外還需要對(duì)相關(guān)執(zhí)行模塊的具體參數(shù)予以明確界定，例如說(shuō)在表1中能夠看到農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，從表1中能夠了解到，借助于I2C地址或者訪問(wèn)器、修改連接器等能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息的讀取，依靠GPIO模式和溫濕度的對(duì)比分析能夠了解到點(diǎn)泵機(jī)控制模塊能夠依靠GPIO以及PWM兩種途徑實(shí)現(xiàn)。

圖3智能灌溉系統(tǒng)軟件通信功能實(shí)現(xiàn)圖

表1 農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)主要信息參數(shù)獲取方法

2 面向智能灌溉的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

第一，以Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，打造棉花精準(zhǔn)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，能夠測(cè)量并獲取棉花莖稈直徑數(shù)據(jù)，系統(tǒng)主要構(gòu)成部分包括無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心等。分析系統(tǒng)總體構(gòu)架可知，不僅設(shè)置有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，也包括具體的軟件流程，借助系統(tǒng)我們能夠?qū)崟r(shí)掌握棉花作物對(duì)水的需求情況，達(dá)到了精準(zhǔn)灌溉的目的。因?yàn)檫x擇無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模式，系統(tǒng)相比于有線通信，解決了無(wú)法擴(kuò)展與升級(jí)等問(wèn)題，優(yōu)勢(shì)在于降低了功耗，能夠靈活擴(kuò)展。

第二，以精細(xì)農(nóng)業(yè)相關(guān)應(yīng)用與理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)專門(mén)的無(wú)線傳感器，能夠?qū)r(nóng)田水分含量與水層高度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并形成農(nóng)田水分無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)用水分無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，打造智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，借助農(nóng)田水分?jǐn)?shù)據(jù)、農(nóng)作物水分需求專家數(shù)據(jù)等，能夠形成灌溉決策，在系統(tǒng)應(yīng)用中達(dá)到定量灌溉的目的。這類系統(tǒng)不僅非常高效，也能推動(dòng)精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，為水資源可持續(xù)利用奠定了良好基礎(chǔ)。

第三，應(yīng)用ZigBee技術(shù)打造遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，在基于ZigBee的無(wú)線局域網(wǎng)支持下，通過(guò)ZigBee節(jié)點(diǎn)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對(duì)灌溉用水的控制，并與GPRS精細(xì)連接，借助GPRS向網(wǎng)絡(luò)或手機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行有針對(duì)性的信息處理。這類系統(tǒng)不僅能夠穩(wěn)定運(yùn)行，也能夠完成遠(yuǎn)程控制與智能灌溉，在農(nóng)、林、園等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支持所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)，能夠結(jié)合土壤墑情進(jìn)行具體分析，把握農(nóng)作物生產(chǎn)周期，合理確定農(nóng)作物生長(zhǎng)的水量需求，進(jìn)而優(yōu)化利用灌溉控制系統(tǒng)功能，對(duì)農(nóng)田實(shí)施灌溉控制，將灌溉水量誤差控制在1%以內(nèi)，灌溉系統(tǒng)運(yùn)行的智能化程度較高，與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉的自動(dòng)化控制需求相符合。