基于物聯(lián)網(wǎng)的精準農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)監(jiān)控軟件開發(fā)

周海蓮，張軍國，楊睿茜，賴小龍，呂靜霞

（北京林業(yè)大學工學院，北京 100083）

我國人均水資源匱乏，被列為世界上13個貧水國家之一。農(nóng)業(yè)灌溉是水資源消耗的重要組成部分[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，近幾年我國農(nóng)業(yè)灌溉用水量占農(nóng)業(yè)總用水量的90%，占全國總用水量的63%。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉主要依靠經(jīng)驗進行定時灌溉，存在水資源利用率低下的問題。

精準農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)實現(xiàn)了灌溉的精準性及可控性，有效地解決了這一問題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種新型的信息處理方式，具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)處理效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、智能家居領(lǐng)域[3]。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了精準農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，重點對系統(tǒng)監(jiān)控軟件進行了開發(fā)，以實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的遠程監(jiān)測控制。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的精準農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的精準農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)由五部分組成，分別為：傳感器網(wǎng)絡(luò)、電磁閥陣列、灌溉監(jiān)測控制器、GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務(wù)技術(shù)）模塊、遠程監(jiān)控計算機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 精準農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，傳感器網(wǎng)絡(luò)由數(shù)百個土壤水分傳感器組成，用于監(jiān)測不同區(qū)域、不同深度的土壤水分。灌溉監(jiān)測控制器控制土壤水分傳感器是否采集數(shù)據(jù)以及電磁閥是否打開。由于農(nóng)田面積大，需要控制的土壤水分傳感器及電磁閥多，因此采用分區(qū)控制的方法，每個控制區(qū)域設(shè)有一個灌溉監(jiān)測控制器。當某一控制區(qū)域內(nèi)傳感器測得土壤水分超出設(shè)定的灌溉閾值時，灌溉監(jiān)測控制器控制電磁閥打開或關(guān)閉。遠程監(jiān)控計算機使用戶能夠遠程監(jiān)測控制農(nóng)田的灌溉狀況，它與灌溉監(jiān)測控制器通過GPRS進行通信。

作為用戶與精準灌溉系統(tǒng)進行信息交互的平臺，遠程監(jiān)控計算機監(jiān)控軟件的好壞決定系統(tǒng)是否能夠準確按照既定灌溉方案執(zhí)行灌溉。本文基于監(jiān)控軟件的設(shè)計展開詳細討論。

2 監(jiān)控軟件功能需求分析

該監(jiān)控軟件需要實現(xiàn)對電磁閥的遠程控制、實時顯示土壤含水量、存儲歷史數(shù)據(jù)及報警數(shù)據(jù)、切換系統(tǒng)灌溉模式。同時，由于監(jiān)控軟件實現(xiàn)人機交互，因此需要有友好的人機交互界面[4-5]。

監(jiān)控軟件分為四大模塊，分別為：用戶設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理、采集控制，如圖2所示。

圖2 監(jiān)控軟件組成圖

3 監(jiān)控軟件各模塊設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 用戶設(shè)置模塊設(shè)計與實現(xiàn)

用戶設(shè)置模塊的功能包括多用戶登錄、添加新用戶、刪除用戶、修改密碼[6]。用戶登錄程序的流程如圖3所示。

圖3 用戶登錄程序流程圖

系統(tǒng)初始化時存在兩個已有用戶：一個默認用戶，一個超級用戶對監(jiān)控系統(tǒng)進行特權(quán)級操作。系統(tǒng)登錄時，程序獲取用戶輸入信息，并與已有用戶的信息進行比對。若二者一致，登錄成功[7]。其中，已有用戶信息按統(tǒng)一格式保存在文檔中。

超級用戶不僅具有監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)等權(quán)限，還可以進行多用戶信息的管理，例如添加新用戶、刪除用戶等。刪除用戶程序的流程如圖4所示。首先，將待刪除用戶的用戶名及密碼組合成用戶信息保存的標準格式。逐行讀取用戶信息并與待刪除的用戶信息進行比對，若不同，表明該用戶不是待刪除用戶，將該用戶信息保留；若相同，則該用戶即為待刪除用戶，該用戶的信息不再寫入保存用戶信息的文檔。

圖4 刪除用戶程序流程圖

添加新用戶程序的流程如圖5所示。添加用戶對話框需要用戶輸入新添加用戶信息，包括用戶名、真實姓名、密碼、確認密碼。確保超級用戶輸入的信息有效后，逐行讀取已有用戶信息與待添加用戶的用戶名進行比對。若出現(xiàn)相同用戶名，則提示用戶該用戶名已存在；若沒有出現(xiàn)相同用戶名，則將待添加用戶的用戶名及密碼寫入保存用戶信息的文檔中。

圖5 添加新用戶程序流程圖

用戶設(shè)置模塊還可以實現(xiàn)密碼的修改。密碼修改程序的流程如圖6所示。修改密碼時需要用戶輸入原始密碼、新密碼、確認密碼。另外，超級用戶可以修改普通用戶的密碼，因此在修改密碼時需要輸入用戶名。系統(tǒng)確認所有信息均有效后，逐行讀取用戶信息，找到待修改密碼的用戶，用新密碼替代原有密碼，密碼修改完成。

圖6 修改密碼程序流程圖

3.2 參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)計與實現(xiàn)

參數(shù)設(shè)置模塊是對短信設(shè)備、灌溉監(jiān)測控制器、傳感器參數(shù)的設(shè)置。參數(shù)設(shè)置模塊組成如圖7所示。遠程計算機監(jiān)控系統(tǒng)與灌溉監(jiān)測控制器間通過短信設(shè)備進行通信時需要設(shè)置通信的參數(shù)，例如選擇短信設(shè)備接口和波特率。初始化系統(tǒng)時，系統(tǒng)將可選擇的短信設(shè)備接口及波特率加載到下拉列表中。短信設(shè)備接口可以選擇COM1、COM2、COM3、COM4。波特率可以選擇9 600 bps、14 400 bps、19 200 bps、38 400 bps。

圖7 參數(shù)設(shè)置模塊組成圖

灌溉監(jiān)測控制器控制流程如圖8所示。灌溉監(jiān)測控制器的主要參數(shù)包括工作模式、灌溉任務(wù)等。每個灌溉監(jiān)測控制器都有特定的通信手機號，與遠程計算機間通過GPRS通信。灌溉監(jiān)測控制器設(shè)有兩種工作方式：手動控制、自動控制。若用戶選擇自動控制模式，灌溉監(jiān)測控制器自行決策灌溉開始或結(jié)束，不需要用戶通過遠程計算機發(fā)送命令打開或關(guān)閉電磁閥。灌溉任務(wù)是自動控制模式下灌溉監(jiān)測控制器自行決策的一個依據(jù)。相反，若用戶選擇手動控制模式，用戶通過讀取灌溉監(jiān)測控制器傳回的實時土壤含水量決定是否開始灌溉。用戶發(fā)送灌溉開始命令后本次灌溉持續(xù)時間由灌溉時間長度決定。

圖8 灌溉監(jiān)測控制器的控制流程圖

每個控制區(qū)域內(nèi)設(shè)有多個電磁閥及傳感器。用戶可以設(shè)置傳感器的含水量報警上限、含水量報警下限、灌溉閾值。當傳感器檢測到某一時刻的土壤含水量低于（高于）含水量報警下限（上限）時，灌溉監(jiān)測控制器向遠程監(jiān)控計算機發(fā)出報警信號，提示用戶決策是否灌溉。在自動控制模式下，除灌溉任務(wù)外，灌溉閾值是灌溉監(jiān)測控制器自行決策的又一依據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)管理模塊管理灌溉監(jiān)測控制器發(fā)送至遠程計算機的所有數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理模塊的組成如圖9所示。

首先，管理傳感器采集的不同時間下土壤含水量。傳感器采集到土壤含水量后傳送至灌溉監(jiān)測控制器，灌溉監(jiān)測控制器將其控制區(qū)域內(nèi)所有傳感器采集的數(shù)據(jù)匯總后傳送至遠程計算機。由于同一控制區(qū)域內(nèi)傳感器的位置及埋放深度不同，因此采集的數(shù)據(jù)具有可對比性。遠程計算機接收到數(shù)據(jù)后將其保持至數(shù)據(jù)庫中，方便用戶統(tǒng)計某天或某周的土壤不同深度下含水量變化，以便考量精準灌溉系統(tǒng)的有效性。

圖9 數(shù)據(jù)管理模塊組成圖

其次，管理報警信息，包括報警控制器、報警區(qū)域、報警類型、報警時間以及是否已進行處理。報警信息主要針對手動控制模式，提示用戶進行決策。若用戶在某段時間里沒有進行監(jiān)控，可以通過查看歷史報警信息得到未處理的報警信息并做出處理。

3.4 采集控制模塊設(shè)計與實現(xiàn)

采集控制模塊的功能是向灌溉監(jiān)測控制器發(fā)送控制命令，包括打開或關(guān)閉灌溉電磁閥及傳感器開始采集數(shù)據(jù)。采集控制模塊工作流程如圖10所示。

圖10 采集控制模塊工作流程圖

控制命令的發(fā)送以控制區(qū)域為單位。在手動控制下，用戶通過向灌溉監(jiān)測控制器發(fā)送命令對執(zhí)行機構(gòu)電磁閥進行操作。同一小區(qū)內(nèi)有多個閥門，用戶進行操作時需依據(jù)傳感器采集的土壤含水量情況決定打開或關(guān)閉閥門的個數(shù)，使灌溉更加精準。

用戶可以根據(jù)需要控制傳感器開始采集數(shù)據(jù)。同一控制區(qū)域內(nèi)埋放的數(shù)個傳感器的區(qū)別不僅在于埋放位置，而且埋放深度也不相同。用戶對傳感器采集數(shù)據(jù)的控制以控制區(qū)域為單位，當用戶發(fā)送開始采集數(shù)據(jù)的命令時，某一控制區(qū)域內(nèi)所有傳感器均開始采集數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)傳感器采集到的某一控制區(qū)域不同位置、不同土壤深度下土壤水分決定是否開始灌溉。這種決策方式比只依據(jù)埋放在不同位置傳感器采集的數(shù)據(jù)決定某一控制區(qū)域是否灌溉更合理。

4 監(jiān)控軟件實驗運行結(jié)果

監(jiān)控軟件實驗運行時的界面見圖11、圖12。

圖11 傳感器屬性設(shè)置

圖12 傳感器采集數(shù)據(jù)列表

5 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的精準農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)具有實時控制系統(tǒng)運行狀態(tài)的優(yōu)勢，現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)灌溉多采用此方法。本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的精準農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)監(jiān)控軟件的開發(fā)方案，提出該監(jiān)控軟件的設(shè)計需求及各模塊的實現(xiàn)方案。實驗表明，本文介紹的精準農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)監(jiān)控軟件運行良好，實現(xiàn)了多用戶管理、節(jié)水灌溉系統(tǒng)硬件設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)管理及采集控制功能。然而，在不間斷工作一定時間后，系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性問題還有待進一步改進。

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