基于物聯網的田園節水灌溉系統設計

王希娟

(陜西國際商貿學院 信息與工程學院， 西安 712046)

?

基于物聯網的田園節水灌溉系統設計

王希娟

(陜西國際商貿學院 信息與工程學院， 西安 712046)

在保證灌溉需求的情況下，為最大限度的節水灌溉，對田園節水灌溉系統進行了設計。設計方案以物聯網技術為基礎，重點對灌溉設備、灌溉控制方法進行了研究。灌溉設備采用了霧化噴灌的方式，具有灌溉覆蓋面大和灌溉用水均勻的優勢。灌溉控制方法則改進了局部土壤達到缺水臨界值時立即澆水的傳統做法，基于改造的K近鄰算法思想，同時對多塊土地的土壤濕度進行統計計算，再按照計算結果判定是否灌溉。系統運行情況充分體現了該系統的智能化、低成本和有效節水等特點。

物聯網； 節水； 灌溉

0 引言

隨著國家對農業節水灌溉的鼓勵與支持，以及近年來物聯網技術的迅速發展，國內對智能化灌溉系統的研究也日益增多。文獻[1]采用了RS-485總線通信的方式設計了一種按需灌溉的分布式智能系統。文獻[2]采用AT89S52單片機設計了一種可以紅外遙控的定時定量家庭智能澆花器。文獻[3]依據模糊控制原理設計了一種基于查表方式控制澆水量的灌溉系統。文獻[4]基于ZigBee技術研制了一套物聯網精準灌溉控制系統，經過試驗，實現了實時土壤墑情監測和控制灌溉。文獻[5]設計了一種ZigBee無線通信的綠地自動灌溉控制系統，主要對協調器、無線傳感器和無線控制器進行了軟硬件設計。文獻[6]基于ZigBee和GPRS技術開發了一種溫室番茄遠程智能灌溉系統，實現了無人值守、遠程監控和適時適量灌溉。文獻[7]采用Arduino單片機設計了一款帶有傳感器自動檢測水位功能的家庭智能灌溉系統。文獻[8]基于Arduino單片機開發了一種可以遠程控制的蔬菜大棚智能灌溉系統。

我國農業灌溉雖然已引進了微灌、滴灌方式，但大多數地區仍存在著灌溉基礎設施薄弱、灌溉方式粗放等問題。另外，國內研究的微灌系統主要采用紅外、藍牙和ZigBee等無線通信技術進行開發，終端控制器采用PC機實現的居多。然而，近年來迅速發展的WiFi無線通信技術在信號覆蓋范圍和傳輸速度方面則更具優勢。目前國內采用WiFi技術開發的智能灌溉系統卻尚少。由此可見，開發一套采用微灌形式，以物聯網技術為基礎，基于WiFi無線通信技術，按照合理的控制方法通過智能手機進行控制的田園節水灌溉系統，不僅可以彌補現有灌溉系統的不足，而且能夠達到定時定量灌溉，有效實現節水灌溉的目的。

1 系統總體結構設計

本文研究的灌溉系統基于物聯網技術和WiFi無線通信技術設計實現，采用安卓智能手機遠程控制，可以實時監測田園的溫度、濕度、光照度、土壤濕度等數據，以及采用微灌噴頭等設備實現家庭園藝、小范圍農作物的智能化節水灌溉。

本系統的無線智能網絡由無線網關、智能終端控制器和WiFi無線通信三部分構成。其中，無線網關采用物聯網技術實現，不僅可以接收智能終端控制器發送的指令、各類傳感器監測的實時數據，而且還可以將接收的控制指令轉化為對系統硬件設備的驅動。為了不增加額外的遙控器，并且便于用戶攜帶，智能終端控制器基于Android平臺實現，使用安裝了WIFI無線通信功能的APP安卓智能手機作為終端控制器，用戶可以在智能手機APP的界面中選擇相應的按鈕或者輸入控制指令實現對系統的遠程監控。WiFi無線通信是無線網關和智能終端控制器之間的無線信息傳遞的橋梁，通常采用WiFi無線模塊實現。

田園灌溉應根據農作物生長習性的不同區別對待，如果單純采用自動灌溉方式不便于用戶根據季節、天氣、溫度等隨機因素適時調整灌溉用水量，不僅不能有效灌溉，而且容易造成水資源的浪費。因此，本系統設計了自動灌溉和用戶控制灌溉兩種工作模式，用戶操作自由度更大，系統靈活度更高。不論在哪種工作模式下，系統均可以實現數據采集、報警、信息顯示和節水灌溉的功能，系統功能結構設計,如圖1所示：

圖1 基于物聯網的田園節水灌溉系統功能結構圖

(1) 數據采集功能

農作物的灌溉用水量和灌溉時機主要受土壤濕度、環境溫濕度、光照度、時間、施肥情況和氣候等因素的影響，因此，準確監測農作物生長的環境狀況是灌溉的前提。數據采集模塊主要負責對農作物生長環境的土壤濕度、環境溫度、光照度進行實時監測，以及設置監測數據的閾值。

(2) 報警功能

系統自動采集的土壤濕度、環境溫濕度、光照度等實時數據，并與用戶設置的閾值相比較，當小于設定土壤濕度閾值且環境溫濕度在允許灌溉范圍內時，系統發出警示，提醒用戶農作物需要澆水了。

(3) 信息顯示功能

系統采集的土壤濕度、環境溫濕度、光照度等實時數據可以以字符化的形式顯示出來，還可以對用戶需要設置的控制指令進行提示。

(4) 節水灌溉功能

當農作物滿足灌溉條件時，可以在自動灌溉工作模式下自行啟動灌溉裝置進行灌溉，也可以在用戶控制灌溉工作模式下通過用戶的手機指令遠程控制灌溉過程。

2 系統硬件結構設計

本系統的硬件結構主要包括智能手機、WiFi模塊和無線網關相關硬件，如圖2所示：

圖2 系統硬件結構設計圖

(1) 智能手機

Android智能手機作為本系統的智能終端控制器，用戶可以發送控制指令對灌溉系統進行遠程控制。除此之外，數據采集模塊監測的數據也可以通過WiFi模塊遠程傳送給智能手機實時顯示。

(2) WIFI模塊

本文選取的是TLN13UA60串口WiFi模塊，該模塊主要負責無線網關控制器與智能手機的WiFi無線通信，實現控制指令、監測數據的無線傳輸。特別注意的是，本系統必須在WiFi狀態下進行工作，因此要求系統安裝環境中必須能夠無線路由上網，運行過程中不斷電、斷網。

(3) 無線網關相關硬件

① 控制器

控制器是無線網關中最重要的硬件，也是灌溉系統智能化的核心，通常使用單片機實現。市場的單片機種類繁多，性能、適用場合各有不同。由于本系統的應用范圍和安裝成本有限，因此，本系統選取了開源的Arduino單片機作為無線網關控制器。

Arduino單片機是AVR系列的單片機，具有使用靈活、性能強大、開發門檻低和價格便宜等優點。Arduino單片機的型號較多，主要包括有Duemilanove系列、Nano系列、Leonardo系列、Mini 系列和Uno系列五種。經過對比，Arduino Uno系列單片機下載程序的速度更快、更穩定，并且能夠提供兩種供電方式，因此，本系統采用了Arduino UNO R3單片機進行開發。

由于系統需要WiFi通信，但直接在Arduino UNO R3單片機上添加WiFi模塊或其他功能模塊需要進行焊接。因此，為了避免焊接的麻煩，本文采用了ARDUINO XBEE V5.0傳感器擴展板，可以實現WiFi模塊或其他功能模塊的直接插拔操作。

② 數據采集模塊

基于影響農作物灌溉量的因素較多，本系統選取了主要的幾個性能指標進行數據采集和監測，包括土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度、光照度。市場上的傳感器類型眾多，根據本文需求選取了土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照度傳感器和用于設置閾值的電位器等硬件材料進行數據采集，具體內容如下：

土壤濕度傳感器

土壤濕度是灌溉的關鍵因素，通常采用土壤濕度傳感器進行測量。土壤濕度傳感器可以通過探頭電流感應土壤阻力大小，并以此來衡量土壤的水分情況。本文采用的是模擬輸出的Funduino土壤濕度傳感器，供電電壓為3.3V或5V。根據田園的面積大小，可以劃分為多個區域，每個區域劃分為若干塊，每塊田地里布設1個土壤濕度傳感器進行土壤濕度監測。

空氣溫濕度傳感器

除了土壤濕度因素以外，灌溉的條件里還包括空氣的溫度和濕度情況。例如，夏季不宜在中午溫度較高的情況下給農作物澆水，在水分蒸發較快的季節可以在下午3～4點酌情補水。因此，本文采用了將溫度和濕度合二為一監測的微雪DHT11溫濕度模塊作為空氣溫濕度傳感器。該模塊是已校準的數字溫濕度傳感器，用于檢測環境溫濕度，采用標準單總線接口，工作電壓為3.3V～5.5V，監測的溫度分辨率為1℃，精度為±2℃，檢測范圍是0～50℃；監測的濕度分辨率為1%RH，精度在0～50℃時為±5%RH，檢測范圍在25℃時為20%RH～90%RH。監測時，可根據情況在不同區域的每塊田地中布設1個空氣溫濕度傳感器。

光照度傳感器

光照強度與農作物的光合作用有著密不可分的關聯，通過監測光照強度可以根據需要人為進行補光(例如大棚農作物)。本文采用了數字光強度檢測模塊GY-30作為光照度傳感器，該模塊采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，可對廣泛的亮度進行1lx的高精度測定，直接數字輸出，省略復雜的計算，光照度范圍為0-65535lx，供電電源為3～5V，但需要用戶自行焊接排針。同樣，監測時可在不同區域的每塊田地中布設1個光照度傳感器。

電位器

在不同的季節農作物的灌溉量和灌溉時間有所區別，因此，灌溉各參數的閾值也應有所變化，為了便于用戶根據需要調節灌溉各參數的閾值，可以使用電位器來實現。電位器是經過對電壓和電流大小的調節，實現分壓、電流控制和變阻的功能。這里將電位器用作變阻器，即通過調節電位器的阻值，實現對灌溉各參數閾值的調節。本文采用的電位器是YwRobot制造的旋轉電位器，旋轉角度可達到270°，工作電壓為3.3V或5V，阻值為20K。

③ 報警模塊

當土壤濕度統計值低于平均土壤濕度值且符合灌溉其他參數要求時，首先向用戶發出警示。本文采用了LED指示燈和無源蜂鳴器進行報警，其中紅色和綠色LED指示燈各1個(綠色表示測量參數正常，紅色表示測量參數異常)、無源蜂鳴器1個。

④ 信息顯示模塊

為了讓用戶更加清楚的了解當前各項參數情況，本文通過一定的算法，將每塊田地布設的多個傳感器監測的數據進行計算后，通過信息顯示模塊顯示出來。以一個區域為例，本文采用了3個LCD1602 IIC液晶屏，分別顯示該區域中經過計算的土壤濕度統計值、空氣溫濕度統計值和光照度統計值。

⑤ 節水灌溉模塊

節水灌溉模塊是本系統的關鍵功能模塊，用于實現抽水、澆水和節水的功能，以一個區域為例，該模塊采用的硬件包括12V電磁閥1個、鎖扣三通5個、微灌噴頭5個、堵頭1個、水管(10米主管1個、細管5個)、水龍頭轉接口1個，各硬件連接結構，如圖3所示。

圖3 節水灌溉模塊結構示意圖

從圖3中可以看出，采用電磁閥抽水可以將電磁閥的入水口通過水龍頭轉接口與水龍頭直接相連，避免了采用潛水泵抽水時還需要添加一個蓄水池的麻煩。電磁閥的出水口連接了灌溉的主管道(本文為10米)，在主管道上根據灌溉區域的不同，分別安裝若干個鎖扣三通(本文采用5個)。鎖扣三通有3個連接口，其中一個入水口，連接主管；另外兩個為出水口，一個出水口連接輸出端的主管，另一個出水口連接細管，其主要作用則是將主管道的水引入需要該區域對應的細管中進行灌溉。在每個細管的末端安裝有微灌噴頭，本文采用的是單出口霧化噴頭，作用是將細管中的水源霧化后噴灑在相應的灌溉區域中，可以實現均勻灌溉和節水灌溉。在主管中布設了若干個鎖扣三通之后，使用一個堵頭作為主管的末端。

除此之外，無線網關控制器實現對灌溉模塊的控制，一般可以采用繼電器完成。因此，本文采用了1個四路繼電器實現對電磁閥的開關控制。由于本文采用的是12V電磁閥，還需要添加1個升壓模塊進行升壓。

當田園的面積較大時，可以對劃分的每個區域布設一個圖3所示的節水灌溉功能模塊，即可以實現大面積田園的按需求、分區域節水灌溉。

⑥ 電源模塊

本系統電源模塊包含兩個電源，其中一個電源用于長期供電，主要連接Arduino單片機、四路繼電器、LCD1602 IIC液晶屏和升壓模塊；另一個電源平時關閉，可以根據需要進行供電，主要連接土壤濕度傳感器和溫度傳感器。

3 系統軟件設計

如果說硬件構成了系統的骨架，那么軟件就是驅動系統骨架運轉的動力。根據實際需求，本文設計了自動灌溉和用戶控制灌溉兩種工作模式。系統啟動后，用戶可以發送手機指令選擇系統的運行模式。

在自動灌溉工作模式下，各類傳感器實時監測各項參數數據，并將這些數據返回給用戶手機和顯示模塊顯示，當需要灌溉且滿足灌溉條件時，首先開始自動報警，然后無線網關控制器自動控制繼電器的開關，實現對電磁閥的驅動，從而完成自動抽水灌溉。在灌溉過程中，用戶具有灌溉過程的終止權利，即用戶可以通過發送手機指令隨時停止灌溉。

在用戶控制灌溉工作模式下，用戶的控制權更大，各類傳感器實時監測各項參數數據，并將這些數據返回給用戶手機和顯示模塊顯示，當需要灌溉且滿足灌溉條件時自動報警，并提示用戶下一步操作的指令，用戶可以選擇相應指令實現是否灌溉。如果進入灌溉狀態，無線網關控制器自動控制繼電器的開關，實現對電磁閥的驅動，從而完成自動抽水灌溉，用戶也可以隨時發送指令終止該過程。

(1) 控制指令設計

根據工作模式的不同，本文設計的控制指令如表1所示。

表1 控制指令說明表

(2) 算法介紹

本文系統軟件的設計思想源于K近鄰算法，并根據系統功能的需要進行了算法改進。以一個灌溉區域為例，將該區域劃分為n塊。系統進入工作狀態后，各傳感器就開始進行實時監測。當所有土壤濕度傳感器監測的土壤濕度值均小于電位器設置的參考閾值時，系統處于安全監測階段，需要完成的工作僅為平均T分鐘返回一次監測數據，不報警、不灌溉。

第1個土壤濕度傳感器的監測數據低于參考閾值，直到第floor()個土壤濕度傳感器的監測數據低于參考閾值，系統進入緊急監測階段，監測數據時間為平均分鐘返回一次，不報警、不灌溉。

當第floor()個土壤濕度傳感器的監測數據低于參考閾值時，系統進入參數統計計算階段，按照下述方法進行計算：

首先，選取當時土壤濕度值最低的相應土壤濕度傳感器作為傳感器網絡的觀測節點，計算時賦予該節點最大的權值。其次，計算K的數值，本文K=floor(0.6n)。之后，基于與觀測節點歐式距離越近、權值越大的思想，分別對K個距離觀測節點最近的傳感器節點當前監測值賦予相應的權值。接著，對選擇的K+1個土壤濕度傳感器節點監測數據計算加權平均值(即土壤濕度統計值)，并將該值與n個土壤濕度傳感器節點當前監測的土壤濕度平均值比較大小，當其小于土壤濕度平均值時，系統進入澆水灌溉準備階段。

系統進入澆水灌溉準備階段時，對環境的溫濕度、光照強度進行比對，其中本文的環境溫濕度、光照強度均采用平均值的方法進行計算。當滿足了環境溫濕度、光照強度的條件時，系統進入報警、抽水灌溉階段。

系統進入報警、抽水灌溉階段時，無線網關控制器控制報警模塊報警，以及控制節水灌溉模塊工作。

(3) 系統程序流程圖

以自動灌溉工作模式為例，系統程序流程圖如圖4所示：

圖4 自動灌溉模式程序流程圖

用戶控制灌溉工作模式的程序流程與自動灌溉工作模式類似，不同點在于灌溉過程用戶可以發送指令進行過程控制，在此就不贅述了。

4 系統性能分析

經過實驗，本系統運行正常，各項參數能夠實時監測并反饋到用戶的智能手機上顯示，并可以顯示各項參數的統計值在顯示模塊中，能夠根據土壤濕度、環境溫度和光照度的實時監測情況智能的進行一個田園區域的節水灌溉。通過分析，此系統可以利用智能化的控制方法和有效的灌溉方式節省田園的灌溉用水，是一種低成本的節水灌溉系統。

5 總結

本文研究以實際需求為目標，采用目前流行的物聯網相關技術，以低成本的方式解決田園灌溉水資源缺乏的問題，符合我國當期的國情需要。該成果的研究為節水灌溉系統提供了一種新的控制方法思想，具有良好的經濟效益和推廣價值。

[1] 趙燕東，章軍富，尹偉倫，等．按植物需求精準節水灌溉自動調控系統的研究[J]．節水灌溉：2009(0l)：11-24．

[2] 張兆鵬．基于AT89S52的家庭智能澆花器的設計[J]．電子設計工程：2011，19(5)：39-41.

[3] 趙麗，張春林. 基于單片機的智能澆花系統設計與實現[J].長春大學學報：2012，22(6)：650-651.

[4] 胡培金.基于“物聯網”架構的精準灌溉控制系統研究[D].北京：北京林業大學，2011.

[5] 李曉麗.基于ZigBee技術的綠地自動灌溉控制系統的研究與實現[D].杭州：浙江大學，2011.

[6] 陳輝.基于ZigBee與GPRS的溫室番茄遠程智能灌溉系統的研究與實現[D].杭州：浙江大學，2013.

[7] 楊志芹.基于Arduino單片機的智能灌溉系統設計與應用[J].機電工程技術：2016,45(11):80-83.

[8] 韓永佳.基于Arduino的蔬菜大棚智能灌溉控制系統設計[J].山西水利科技：2016(11)：82-85.

Design of Rural Water-saving Irrigation System Based on Internet of Things

Wang Xijuan

(College of Information and Engineering, Shanxi Institute of International Trade &Commerce, Xi’an 712046, China)

In order to guarantee irrigation demand, a rural water-saving irrigation system has been designed for maximum water-saving irrigation, it provides a set of solutions. The design scheme technology is focusing on irrigation equipment and irrigation control method, and is based on the Internet of Things. The irrigation equipment is adopted the way of the atomized spray irrigation, and has the advantage of coverage for irrigation and irrigation uniformity. The Irrigation control method based on the modified KNN algorithm ideas also improves the traditional practices on which the local soil is watered immediately when reaching to the critical value. The method computes the soil moisture at the same time for more land, and then determines whether irrigation is carried out according to the calculation results. Its operation performance fully embodies the intelligent, low cost and effective water saving.

Internet of Things; Water saving; Irrigation

2016年陜西國際商貿學院科研項目(SMXY201636)

王希娟(1983-)，女，西安人，碩士，講師,高級工程師，研究方向：物聯網、智能控制。

1007-757X(2017)07-0018-05

TP311

A

2017.03.08)