淺談基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程灌溉技術(shù)研究

馮 偉

一、概述

利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)獲取田間的環(huán)境變化信息配合GPRS模塊來將數(shù)據(jù)傳送到遠端主機電腦上，逐漸取代了傳統(tǒng)有線或區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，來即時監(jiān)控預(yù)防防止旱害發(fā)生。由于農(nóng)作物不同時期的灌溉水量不同，不同地方的農(nóng)作物的需水量不同，設(shè)計并實現(xiàn)了基于Zigbee和GPRS的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有系統(tǒng)管理、環(huán)境監(jiān)測管理、灌溉管理、統(tǒng)計查詢、報警管理等功能。通過系統(tǒng)的實施可以提高服務(wù)農(nóng)民和農(nóng)業(yè)的水平，為農(nóng)民增產(chǎn)增收提供技術(shù)支持，可以能夠有效地減輕了農(nóng)業(yè)工作人員的負(fù)擔(dān)，能使灌溉工作更加便捷化、智能化、高效化、規(guī)范化，可有效推進灌溉工作的新型發(fā)展。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

由于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集是由工作人員去現(xiàn)場拿回記錄器來解讀，而這些現(xiàn)場可能地處偏遠或交通不便的地方，造成數(shù)據(jù)的收集既費時又費力，這些數(shù)據(jù)若是具有時效性，傳統(tǒng)的做法就顯然不符合需求，這就成為研究準(zhǔn)備發(fā)展遠端灌溉系統(tǒng)的動機。遠端監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)警設(shè)備大多設(shè)置于主控端，主控端與監(jiān)測端不在同一個位置，可能會因通訊問題而產(chǎn)生錯誤警告，致使灌溉系統(tǒng)無法發(fā)揮預(yù)期作用，所以除在主控端設(shè)有通信設(shè)備外，還要在遠端數(shù)據(jù)收集器上設(shè)置通信設(shè)備，增加系統(tǒng)的可靠度。而由于遠端數(shù)據(jù)收集模塊可能設(shè)置在偏遠地區(qū)，無法經(jīng)常更換電池，故須有太陽能板來對其電池進行充電，以維持系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。

圖1是以GPRS和Zigbee為基礎(chǔ)的通訊系統(tǒng)方塊圖，監(jiān)控主機位于后端監(jiān)控中心，GPRS模塊經(jīng)由RS-232與PC連接，GPRS收發(fā)控制模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控端的命令發(fā)射與數(shù)據(jù)接收，當(dāng)控制中心由GPRS收發(fā)控制模塊撥通至監(jiān)控端GPRS收發(fā)控制模塊時，監(jiān)控中心即可獲得監(jiān)控地的實時的數(shù)據(jù)。西南地區(qū)電信比較強。監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)的收發(fā)都須經(jīng)過電信公司基地臺的放大與傳送。

三、遠程監(jiān)視系統(tǒng)功能

遠程監(jiān)視系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)向用戶提供土壤水分顯示，實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)查詢，報警信息設(shè)置，以及報警等功能，現(xiàn)介紹以下幾種功能：（1）進入監(jiān)視系統(tǒng)需要用戶名和密碼；（2）主界面顯示，將各個塊的采集節(jié)點采集到的信息顯示到界面上，方便用戶進行觀察；（3）歷史數(shù)據(jù)查詢，點擊不同的地區(qū)，會顯示該塊自采集節(jié)點安裝好之后采集的所有數(shù)據(jù)；（4）報警信息設(shè)置，對于農(nóng)作物不同時期對水量需求的不同，可以對報警信息進行設(shè)置，當(dāng)?shù)陀跇?biāo)準(zhǔn)值時會發(fā)出報警；（5）發(fā)送報警信息，當(dāng)土壤水含量小于或大于標(biāo)準(zhǔn)值時，首先主界面報警塊會變色，然后向工作人員手機發(fā)送報警信息。

四、系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.GPRS數(shù)據(jù)收集預(yù)警模塊設(shè)計

GPRS無線數(shù)據(jù)收發(fā)器是一款可獨立運作的設(shè)備，運用簡單，讓各種遠端設(shè)備能快速有效地通過GSM/GPRS與Internet相互通訊。搭配GPRS網(wǎng)關(guān)軟件在客戶端跟遠端設(shè)備端中間建立一個通順的GPRS數(shù)據(jù)傳遞通道，方便連接各種遠端設(shè)備，達到數(shù)據(jù)收集及雙向傳遞溝通的目的。

2.ZigBee傳輸設(shè)計

該研究儀器采用無線網(wǎng)絡(luò)傳感ZigBee產(chǎn)品。應(yīng)用機器對機器的無線通訊產(chǎn)品（M2M），同時通過Mesh、Star、Cluster-tree等彈性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌嵘W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞陌踩裕浞譂M足各種不同距離下無線應(yīng)用的需求。ZigBee除了可利用拓?fù)渎窂交螯c對點方式進行短距離數(shù)據(jù)傳輸，ZigBee的節(jié)點也可直接與GPRS儀器連接，進行遠距離無線數(shù)據(jù)傳輸搭配整合，具備控制器的功能提供數(shù)據(jù)交換，并可與所有其他設(shè)備通信且控制。

五、灌溉控制邏輯

采用自動灌溉，土壤內(nèi)部水分分布較為均勻，使土壤水分達到農(nóng)作物生長的適宜條件，有利于農(nóng)作物的生長，而且只限于在作物附近土壤進行灌溉，減少了水分的流失浪費，灌溉系統(tǒng)同樣可以與施肥結(jié)合在一起，直接把化肥的養(yǎng)分輸送到植物的根部附近，在減少水分流失的同時，也能使化肥少量高效運用，以達到科學(xué)少肥、高效低碳的目的。自動灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化控制，大大減少了人力物力。

遠程灌溉系統(tǒng)由遠程監(jiān)控系統(tǒng)和灌溉設(shè)備組成，灌溉控制主要是由電磁閥控制，遠程監(jiān)控通過Internet網(wǎng)絡(luò)與灌溉設(shè)備的GPRS模塊進行連接，遠程監(jiān)控系統(tǒng)接受傳感器節(jié)點采集的土壤含水量值，低于標(biāo)準(zhǔn)值的時候進行報警，監(jiān)控系統(tǒng)處理后，通過監(jiān)控系統(tǒng)編制的接口程序可以實現(xiàn)與灌溉系統(tǒng)的接口進行命令的發(fā)送，向灌溉設(shè)備發(fā)送命令，進行遠程灌溉控制。

本文通過遠程灌溉控制來進行灌溉，根據(jù)設(shè)定好的土壤含水量標(biāo)準(zhǔn)值和土壤含水量傳感器當(dāng)前采集到的土壤含水量的值由模糊控制算法進行計算得出灌溉量并進行自動灌溉。整套系統(tǒng)包含了可以提供系統(tǒng)操作人員檢視干旱Profile線圖以及土壤干旱預(yù)警分析的數(shù)據(jù)顯示模塊、可將土壤干旱相關(guān)數(shù)據(jù)儲存至數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)處理模塊、提供系統(tǒng)操作人員設(shè)置土壤基本數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)設(shè)置模塊、管理儲存于主電腦的各種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理模塊，最后，當(dāng)系統(tǒng)操作人員使用土壤數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)時，同樣需要有一窗口界面可以很輕易地提供給操作者使用，因此，最后還有一個接口整合管理模塊用來統(tǒng)合上述所有的軟件模塊，負(fù)責(zé)連接各項模塊功能，當(dāng)操作人員欲執(zhí)行某個工作選項時，只需執(zhí)行相對的選項即可。在土壤診斷系統(tǒng)中，本文所涉及的主要四項干旱預(yù)警機制定義為：

式中：Ttransformer—土壤含水量；

Tcal—正常含水量對照值；

Tthreshold—含水量門檻值；

Tout—大氣含水量；

Trise1—絕對含水量門檻值；

Trise2—比例含水量門檻值；

ηrated—額定含水量門檻值。

上述中的含水量門檻值（Tthreshold）、絕對含水量門檻值（Trise1）、比例含水量門檻值（Trise2）、及額定含水量門檻值（ηrated），這四項門檻值參數(shù)為土壤在進行干旱預(yù)警程序處理時的重要判斷條件。針對這幾項干旱預(yù)警機制的設(shè)計方式做以下介紹：

圖1 以GPRS通訊系統(tǒng)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)方塊圖

1.Ttransformer（k）＜=Tthreshold

不論在任何外氣含水量或土壤干旱百分比的情況下，當(dāng)土壤含水量小于90×103m3且連續(xù)維持一段時間的情況時，土壤即已經(jīng)進入到危險區(qū)域，隨時都有毀損的可能性。故當(dāng)此狀況的預(yù)警機制連續(xù)維持N1個取樣時刻時，則土壤即有干旱疑慮，因此，所設(shè)計的Tthreshold預(yù)設(shè)值設(shè)置為 90×103m3，N1的預(yù)設(shè)值設(shè)為 4，即此狀況連續(xù)維持60min即產(chǎn)生預(yù)警。

2.Ttransformer（k）-Tout（k）＜=Trise1

根據(jù)土壤灌溉規(guī)范，當(dāng)土壤含水量減去外氣含水量若超過60×103m3時，則土壤即有干旱的情況發(fā)生。故當(dāng)此狀況的預(yù)警機制連續(xù)維持N2個取樣時刻時，則土壤即有干旱疑慮，因此，所設(shè)計的Trise1預(yù)設(shè)值設(shè)置為55×103m3，使其達到預(yù)警的效能，N2的預(yù)設(shè)值設(shè)為4，即此狀況連續(xù)維持60min即產(chǎn)生預(yù)警。

3.Ttransformer（k）-Tcal（k）＜=Trise2

上述兩項預(yù)警機制在干旱端為重載的情況時，是有可能會觸發(fā)的預(yù)警機制，不過在輕載的狀況下要發(fā)生該情況卻是不容易的。因此，在設(shè)計理念上，第三條預(yù)警機制主要是針對輕載的土壤，若在含水量30×103m3、土壤50×103m3的干旱百分比時，其正常的含水量應(yīng)為40×103m3左右，其含水量已超過正常含水量一個范圍時，該土壤其實已有干旱的可能性。此狀況連續(xù)維持N3個取樣時刻，此土壤即有干旱疑慮，所設(shè)計的Trise2預(yù)設(shè)值設(shè)置為20×103m3，使其達到預(yù)警的效能，N3的預(yù)設(shè)值設(shè)為4，即此狀況連續(xù)維持60min即產(chǎn)生預(yù)警。

六、總結(jié)

該研究已成功發(fā)展出遠端無線干旱預(yù)警與灌溉系統(tǒng)技術(shù)，利用ZigBee技術(shù)來監(jiān)控環(huán)境變化，在干旱環(huán)境模擬試驗中，依據(jù)干旱不同的狀態(tài)擬定出其供水策略，若水源在受限制的情況下，其控制策略可在當(dāng)干旱開始發(fā)生時，即時提供第一段供水處理，來達到最少用水量的效果■