基于物聯網關聯的光照監控與節水灌溉系統設計

摘 要： 光照監控與節水灌溉系統具有復雜性和滯后性的特征，傳統控制方法的灌溉控制效率低，造成水資源浪費。設計一種基于物聯網關聯的光照監控與節水灌溉系統，系統主要由土壤濕度傳感器、物聯網采集終端、噴灌機控制終端、智能光照監控模塊構成，通過物聯網感應平臺實現對農業澆灌配置的遠程管控。利用智能光照監控系統使實際光照數據與理想數據接近，實現光照監控，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。軟件設計中，分析了系統的功能模塊，給出節水灌溉模式處理的部分關鍵代碼，介紹了詳細的軟件設計流程。實驗結果表明，所設計的節水灌溉系統可對光照情況進行精確監控，節水效率較高。

關鍵詞： 物聯網； 光照監控； 節水灌溉； 終端采集模塊

中圖分類號： TN926?34； TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 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

當前我國的農作物干旱問題，對農業生產發展產生了不好的影響。在復雜的地理環境與光照的作用下，我國農業用水資源量和灌溉效率較低[1?2]。因此，設計一種光照監控與節水灌溉系統具有重要意義，已經成為相關學者研究的重點課題，受到了越來越廣泛的關注[3?5]。

文獻[6]提出的節水灌溉控制器利用紅外線熱電偶收集土壤信息，結合對大氣濕度和土壤濕度條件的分析，使數據更精準，謀劃更全面，由于控制器的價錢不符合農民的心里價位，因此比較難推廣。文獻[7]描述的模糊控制系統以編制好的管理程序為依據，對作物水量的需要進行灌溉，該系統的優點是管理準確，缺點是不符合中國現實情況，得不到全面發展。文獻[8]的灌概操作系統在單片機基礎上研發了閉環自動控制系統，它可以利用多點對土壤濕度進行收集，具有多種路徑傳輸、不定期灌溉、定點按時灌溉的優勢，系統的容錯配置使系統在工作狀態下更方便使用，同時在不同的環境條件下可以對模塊重新排列組合，由于其過程復雜，現實中操作較難。文獻[9]通過模糊控制理論設計的模糊推理節水灌溉方法，將作物的蒸發量和土壤水量作定為輸入變量，將作物的需水量當成輸出變量，能夠及時精準地獲取作物需水程度，具有一定的工程應用參照價值，缺點是易受到外部條件的干擾，收益率低。

針對上述方法的弊端，設計基于物聯網關聯的光照監控與節水灌溉系統，給出了系統的總體設計，通過物聯網感應平臺實現對農業澆灌配置的遠程管控。利用智能光照監控系統使實際光照數據與理想數據接近，實現光照監控。介紹了終端采集模塊的基本框架。軟件設計中，分析了系統的功能模塊，給出節水灌溉模式處理的部分關鍵代碼，介紹了詳細的軟件設計流程。實驗結果說明，所設計的節水灌溉系統可對光照情況進行精確監控，節水效率較高。

1 硬件設計與實現過程

1.1 系統硬件的總體邏輯單元結構設計

基于物聯網關聯的光照監控與節水灌溉系統主要由土壤濕度傳感器、物聯網采集終端、噴灌機控制終端、智能光照監控模塊構成，詳細結構如圖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，同時將其變成0～5 V的模擬電壓信號。智能光照監控模塊使實際光照數據與理想數據接近，實現光照監控。物聯網采集終端對土壤濕度傳感器和光照監控模塊的信號進行采集，通過GPRS 單元將采集的信息發送至監控中心。監控中心不斷接收物聯網采集終端傳輸的信息，通過分析獲取最佳灌溉方案，將灌溉命令傳輸至噴灌機控制終端，實現節水灌溉。

1.2 物聯網的邏輯結構硬件設計

物聯網感應平臺主要由智能傳感平臺、營運調控平臺、網絡傳遞平臺和實際操作平臺4部分組成。每個感應平臺的構成都有不同的作用。首先，智能感應平臺需要在智能圖像操作系統和泥土濕度與溫度視覺感應器的引領下完成對土壤中所含水分以及土壤冷熱的檢測。其次，營運調控平臺主要用于對當季天氣的旱澇情況進行預先報到，以便及時對莊嫁進行補救和產量的預測，它還具有遠程操控澆灌作用，達到對水資源的節約利用的目的。再次，網絡傳遞平臺是整個物聯網體系的根基，它由PAN 網絡、LAN 網絡、WAN 網絡和網絡傳遞標準組成。最后，利用實際操作平臺把實時的天氣和旱澇消息經過PAD、移動電話和互聯網等其他網絡工具傳遞給使用者。這樣不僅實現了對農業澆灌配置的遠程監控，也可使政府部門準確掌握農業天氣變化，以便在宏觀上了解農業生長狀況，實現節水與調整的全方位處理。

1.3 智能光照監控模塊的硬件設計

智能光照監控系統采用傳感器節點收集溫室里外環境的陽光、水分、濃度和溫度，對農作物的環境情況、生態情況和種植作物的長勢情況做出研究后，利用監控的對應功能對各種要素進行主動的管理，使光照條件和作物的生長情況相適應，達到準確合適的成長和增加產量與提升質量的目的。

總體結構示意圖如圖3所示。

系統通過自動控制模式與手動控制摸式對光照進行監控，兩種模式可利用控制面板切換。手動控制模式較簡單，由操作人員直接控制，通常用于調試異常情況。在自動控制模式下，計算機通過運行，將光照調控理想數據傳輸給寄存器，將實時監控數據和理想數據進行對比，智能操作光照控制機構的開關，使實際光照數據與理想數據接近，實現光照監控。

1.4 物聯網信息采集單元的硬件設計

基于物聯網關聯的光照監控與節水灌溉系統的終端采集模塊是物聯網采集單元，其基本框架如圖4所示。

土壤濕度感應器把收集到的土壤數據，通過鑲嵌狀的微控制器MCU操作后傳送到采集單元，再經過GPRS 網絡傳輸到管理中心計算機上，就會自動呈現出關于濕度的數值情況。子系統內的參數轉換器 ADC接收到的土壤感應器信息是經過信號調理電路操作的最終數據。GPRS板塊收到利用串行口反饋的數據后，通過網絡關口將其傳輸到Internet上，與Internet相連的中心站計算機就會得到數據。

在該設計中，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，通信節點是TXD，RXD，能與AVR 單片機的串行接口直接相連，ONLINE是在線提示入口，與互聯網接通后端口會發送一個低電平信息，利用74ALS04 完成反向處理后會驅動D1發光二極管，如果發光二極管變亮，說明GPRS模塊和網絡相連。

在物聯網采集終端中，土壤濕度傳感器接口輸出的信號經線性轉換操作后被發送至ATmega128的ADC1引腳，通過 ADC實現模數轉換。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需經過遠距離的電纜輸送，缺少牢固性，易受到中高頻率設備噪音的影響，因此需在電壓信號傳進電路后和進入ADC前利用低通濾波把噪聲和干擾濾除。通過濾波器后的傳感器輸出信號首先通過R1與R3合成的分壓電路變換成為0～4.09 V的電壓信號，然后經一級緩沖，最終傳輸至操作器的ADC端口。

2 系統軟件設計

2.1 軟件功能設計

為了全面推廣基于物聯網關聯的光照監控與節水灌溉系統的設計，讓使用者更方便清楚地了解該系統，給出該系統的五大功能，系統功能圖如圖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水澆灌智能管理終端呈現和萬畝方示范區數據信號呈現。其中水澆灌智能管理終端呈現的具體項目有井房管理、農業機井與節水狀況監察測試點、天氣變化監察測試點、幼苗生長監察測試點和農田里智能操作設備等基礎配置空間顯示。萬畝方示范區數據信號呈現包括對地表輪廓數據顯示、耕地分布與利用數據顯示、耕種作物數據顯示、行政單位規劃數據顯示、水利和道路車輛情況顯示以及森林分布數據信息的顯示。

（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據與空間分布位置統一呈現出來的一種查找功能。

（3） 通信服務功能：通信服務功能主要包括兩個方面：承擔與井房管理站的信息傳遞，收集澆溉范圍內的墑情、氣象等傳感器數據消息；保障墑情檢測點信息的暢通，能夠不間斷傳遞灌區墑情數據情況。

（4） 農田節水分析決策功能：農田節水分析決策功能利用通信技術掌握灌區數據并對澆筑用時和灌水定點時間進行最終分析，它是整個系統的中心計劃核心。它具有不同類型的灌溉決策樣本，主要有按照時間定點的灌溉決策樣本，按照感應器、氣象數據和作物成長樣本的智能灌溉決策模型，以及遠距離非自動化的灌溉決策模型三種類型。

（5） 農田節水智能灌溉控制功能：農田節水智能灌溉控制功能主要有管理決定遠距離輸送和監管澆灌時的及時數據以及特殊情況下送水路徑的預警提示。利用短信形式對出現的特殊澆灌情形進行提示，實現實時情況下對澆灌設施的管理。

2.2 灌溉控制處理模塊軟件設計

2.3 軟件設計流程

灌溉操作的規劃設計需按照土壤中所含水分的多少即旱澇狀況來具體執行，這樣能夠及時獲得準確的前沿土地數值，為具體負責單位提供參考根據，在此基礎上再對各個地域的缺水情況做出整體全面的研究，提出解決方法。為了不浪費能源，使該系統發揮更好的作用，可以采用區域派遣形式對不同程度的干旱土地進行差異化灌溉。將先前收集到的土壤干旱程度和解決辦法發送到傳感器節點，按照得到的返回數據，通過傳感器網絡末端的終端信息，獲取各區域具體需要的灌水量。詳細的軟件設計流程如圖8所示。

3 實驗結果及對比

為了驗證本文設計的基于物聯網關聯的光照監控與節水灌溉系統的有效性，需要進行相關的實驗分析。實驗將傳統廣域灌溉系統作為對比進行分析。實驗環境如圖9所示。

將不同區域不同旱情的農作物作為研究對象，分別采用本文系統和廣域系統對農作物進行節水灌溉，灌溉準確度曲線比較結果如圖10所示。

分析圖10可知，在不同區域的土壤環境下，采用本文系統的灌溉準確率一直高于廣域系統，這主要是因為本文系統依據物聯網關聯技術，對不同區域土壤中的不同旱情進行了分析。詳細統計結果如表1所示。分析表1可知，針對任意區域，采用本文系統的用水量一直遠遠低于廣域系統，說明本文系統有很好的節水灌溉性能，有效彌補了傳統系統的不足。

4 結 論

本文設計了一種基于物聯網關聯的光照監控與節水灌溉系統，系統主要由土壤濕度傳感器、物聯網采集終端、噴灌機控制終端、智能光照監控模塊構成，通過物聯網感應平臺實現對農業澆灌配置的遠程管控。利用智能光照監控系統使實際光照數據與理想數據接近，實現光照監控。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。軟件設計中，分析了系統的功能模塊，給出節水灌溉模式處理的部分關鍵代碼，介紹了詳細的軟件設計流程。實驗結果說明，所設計的節水灌溉系統可對光照情況進行精確監控，節水效率較高。

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