面向新疆大田智慧滴灌系統的設計

何蔓蔓 馬龍華 馬占東

摘要 節水滴灌是新疆農業現代化的標志性成果，全疆微灌面積位居全國第1，發展滴灌自動化迫在眉睫。但是，現有滴灌自動化產品存在成本高、野外供電困難、信號傳輸困難、農藝專家知識無法沉淀和優化等問題。為此，設計出一套適用于新疆大田的智慧節水滴灌系統。該系統由3部分組成：一是適用于新疆大田環境的滴灌控制器;二是適用于農業數據交換的通信協議和硬件實現;三是農業大數據云平臺。滴灌控制器整合供電、通信和控制模塊，降低了成本，增強了魯棒性。基于LoRa的通信協議降低了功耗，增強了在高桿植物環境下的抗干擾性。大數據云平臺可實現對環境的自動感知，對滴灌系統的智能控制，對專家滴灌方案的保持和持續進化。三者結合，可以從整體上提高滴灌系統的自動化、信息化和智能化程度。

關鍵詞 微灌;自動化;信息化;智能化

中圖分類號 S274.2文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）15-0229-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.15.063

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract Drip irrigation is a milestone in the modernization of agriculture in Xinjiang. Xinjiang microirrigation area ranked first in the country. However， the existing drip automation products have several problems： the cost is high， onsite power supply is difficult， signal transmission is difficult， expert knowledge can not precipitate and optimize. This paper presents a novel system for smart drip irrigation system to solve the above problems. The system consists of three parts： the drip irrigation controller， the data communication protocol and hardware implementation， the agricultural data cloud platform. The drip controller integrates power， communication and control modules， reducing costs and enhancing robustness. The LoRabased communication protocols reduce power consumption and enhance the antijamming capability. The cloud platform achieves the intellectual decision base on the perception of environment. Combined with the three， the system improves the drip irrigation system as a whole in the aspect of automation， information and intelligent.

Key words Microirrigation;Automation;Information;Intelligence

作者簡介 何蔓蔓（1989—），女，河南商丘人，助理工程師，碩士，從事智能控制技術及應用研究。

收稿日期 2018-10-16

新疆是典型的干旱綠洲灌溉農業區，建設節水型農業是農業可持續發展的關鍵[1-3]。當前，全疆農業高效節水灌溉面積已達162.67萬hm2，幾乎在所有作物上都實施了高效節水灌溉技術的推廣和普及，微灌作物種類、微灌形式、微灌面積均處于全國領先地位，但也存在3個方面的不足[4-6]：一是自動化程度不高，即現有滴灌產品以滴灌管、滴灌帶、砂石過濾器等為主，灌溉自動化產品雖有但不多，且存在成本高、野外供電困難等問題;二是信號傳輸困難，即大田區域手機信號覆蓋不全，高稈作物干擾信號傳輸;三是智能化程度不足，即當前的節水滴灌作業仍然依靠專家經驗，缺少對環境的自動感知和對滴灌系統的智能控制。以上問題制約了新疆未來節水高效農業的發展。為此，筆者研制出一套適用于新疆大田的智慧節水滴灌系統。該系統由3部分組成：一是適用于新疆大田環境的滴灌控制器;二是適用于農業數據交換的通信協議和硬件實現;三是農業大數據云平臺。該系統能實現新疆大田滴灌的環境感知、數據傳輸、決策分析、智能控制等功能，可為農業滴灌調控提供科學依據，達到節約化、自動化、智能化的滴灌目標。

1 系統組成

智慧滴灌系統由3部分組成：滴灌控制器、信號傳輸協議、大數據云平臺。其中，滴灌控制器[7-8]針對現有控制器成本高和大田環境下供電困難的問題，將過去各自獨立的供電模型、通信模型和控制模塊整合到一個滴灌控制器中，不僅降低了成本，而且魯棒性更強;通信協議針對433兆低頻窄帶組網技術易受高稈農作物抗干擾的問題，提出使用基于LoRa技術[9]的具有適用于農業數據的抗干擾強、速率低、功耗低特點的線性調頻擴頻調制技術;農業大數據云平臺依賴以上通信協議獲取氣候、作物和土壤墑情等數據，再結合農資數據，通過大數據分析，作出優化決策，遠程控制滴灌控制器完成滴灌作業。

1.1 滴灌控制器

已實現的滴灌控制器主要由兩部分組成：一是供電系統;二是控制系統。在設計供電系統時，考慮到新疆地區晴熱少雨的氣候環境，利用太陽能作為電能來源，利用長壽命電池儲存電能。太陽能電池系統由太陽能板、電壓轉換芯片、超級電容、長壽命電池和開關電路組成。控制部分由LoRa協議控制芯片、AD轉換芯片、觸動開關控制芯片、看門狗芯片組成。總體設計如圖1所示。

供電部分采用太陽能為電能來源，通過電源管理芯片為4組2.7 V超級電容供電，并為3.0 V鋰電池充電。超級電容可反復充電無上限。電源管理芯片選用德州儀器的SM72441，內部集成8通道、12位數模轉換器，可自動充電，也可PWM編程控制充電。鋰電池的充放電也由此芯片控制，直至充滿后斷電。在白天光照條件良好的情況下，由超級電容放電供電，傍晚無光照時，由鋰電池供電。為防止鋰電池和電容的互相充電損耗，在硬件電路設計時將2種充電模式進行電氣隔離。供電系統通過DC-DC電壓轉換芯片，為控制器提供所需電壓。

控制部分由4個子系統組成，即核心芯片及外圍系統、數模轉換和傳感器系統、看門狗系統、電磁閥控制系統。核心芯片完成充放電管理、電壓管理芯片、電壓轉換芯片和功耗管理。數模轉換系統通過低功耗數模轉換器向核心芯片傳遞傳感器數據。看門狗系統防止電路死機。電磁閥控制系統通過對閥門電機的正反向通電，控制閥門通斷狀態。

1.2 信號傳輸

灌溉控制器與首部控制器之間采用自定義的LoRa協議[10]，首部控制器與大數據云平臺之間采用成熟的手機4G網絡。

LoRa全稱為“Long Range”，是一種低功耗廣域網絡技術，主要的技術特性為低功耗、低成本和覆蓋面廣。LoRa技術基于線性Chirp擴頻調制，延續了頻鍵控調制的低功耗性能，并因Chirp調制而具有長距離傳輸性能和較好的抗干擾性能。LoRa是物聯網（Internet of Things，IoT）時代物物相連的重要載體，其信號穿透能力強于Zigbee，傳輸距離優于Wi-Fi通訊，適用于大田農業中通訊距離遠、作物造成屏障的特殊環境。

筆者設計的LoRa方案基于433MHz免費頻段，星型組網，并制定了一套適用于農業環境的異構網絡通信協議，確保指令的上傳下達。采用獨立的控制模塊負責收集、整合與之相連的傳感器模塊采集的數據，并將數據送至主控器。通信控制模塊圍繞數據轉發分析處理單元進行，完成數據包的傳輸，負責對來自服務器的數據包拆包分解通過LoRa協議發送給終端控制器，或將來自傳感器的數據組包后通過TCP/IP協議發送給服務器。通過異構通信協議融合算法實現不同類型數據包的統一資源管理，并根據約定規則重組或轉發數據包。在通信出現異常時，具有異常處理功能，可重傳或丟棄錯誤包，保障傳輸協議的魯棒性。終端節點在無上下行鏈路請求的情況下，會進入長期休眠狀態，以節省能耗，當有下行數據請求時，網關會向該節點發送激活代碼，隨后終端節點會進入激活狀態，進行下行數據的接收。對于不需要頻繁通信、延遲要求不高、數據量不大的農業數據傳輸應用場景來講，LoRa協議顯然具有較大優勢。

1.3 大數據云平臺

大數據云平臺[11-13]依托堅實的控制器和信號傳輸技術，將環境（光照、溫度、濕度）、土壤（鹽堿度、濕度、溫度）、管道（PE/EC、流量、壓力）、農資等全方位的數據匯總至平臺，實現手機端的田間控制和平臺端的集中控制，具體控制方式如圖2所示。

田間控制使用手機接入云平臺進行，可根據傳感器的反饋，實現水泵等執行機構的手動或自動控制，例如：定時定量的自動滴灌水/肥/藥、定比例的自動滴灌肥藥、由光照量或濕度觸發的自動滴灌水、低溫自動管道保護、壓差觸發的自動反沖洗、壓差或流量觸發的堵塞或破管自動報警和關閥、恒壓滴灌等。使用手機進行遠程田間控制不僅方便，還可降低控制器的觸摸屏成本。

集中控制使用計算機在大數據云平臺上進行，具體如圖3、4所示。集中控制有五大類功能：一是田間滴灌控制器的遠程控制，支持控制器的遠程、滴灌計量、更新控制器程序等，可實現田間控制的所有功能，例如定時定量定點灌溉、條件觸發灌溉等;二是可視化，包括基于地理信息系統的管網及設備可視化，傳感器狀態異常可視化，管網流量、壓力、環境、土壤等異常可視化，基于手機定位的田間作業人員實時跟蹤，傳感器歷史狀態、作業人員實時軌跡追蹤;三是滴灌方案制定，包括基于作物種類/環境/土壤等變量手工制定滴灌方案，歷史方案保存與查詢，基于歷史方案的最優方案學習，對不同農作物滴灌方案的設定與進化等;四是田塊管理，包括作物種類登記、土壤類型登記、收成登記、歷史信息查詢等;五是人員管理，包括作業人員賬號管理、作業人員田塊權限管理、操作歷史記錄與查詢等。

大數據云平臺是云計算、物聯網、“3S”技術（遙感技術、地理信息系統和全球定位系統的統稱）等多種信息技術在農業中綜合、全面的應用，與現代生物技術、種植技術等高新技術融為一體，為農業生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策，實現更精準的農業信息感知、更集中的農業數據資源的互聯互通、更深入的智能控制，促進發展資源節約型、環境友好型農業及農業資源由高強度利用向節約高效利用的轉變。

2 系統中的科學問題

2.1 復雜網絡的云端控制問題

在傳統自動化控制中，被控對象的數學模型是控制和測量的前提，但在引入大數據云計算后，系統建模過程中不可避免地引入建模誤差，對應這種復雜系統，由于變量眾多，無法建立精確的數據模型，數據驅動的控制應運而生。

然而在這一新領域還存在很多問題，例如在數據驅動的控制方法下，如何根據已接收到的數據來區分線性系統和非線性系統;如何分析基于數據驅動的非線性系統的穩定性;如果有數據丟失或時間延遲發生，如何計算間歇性觀測的子空間等。這些都有待進一步探索。

2.2 云端平臺的安全性

云控制系統的安全問題是最重要的問題[11]。針對云控制系統的攻擊形式多種多樣，除了針對傳輸網絡的 DDOS攻擊，還有攻擊控制信號和傳感信號本身的欺騙式攻擊和重放攻擊等。對于云控制系統而言，設計的目標不僅僅要抵御物理層的隨機干擾和不確定性，更要抵御網絡層有策略、有目的的攻擊。因此，云控制系統的安全性對現有控制安全技術提出了更高的要求。

3 結語

設計出一套適用于新疆大田環境的智慧化農業滴灌系統。該系統覆蓋控制器、無線傳輸協議和云平臺3個方面，可實現滴灌作業下的環境感知、數據傳輸、智能控制、遠程服務、決策分析等功能，為滴灌調控提供科學依據，達到增產、改善品質、調節生長周期、提升滴灌管理效能、提高農產品經濟效益的目的。

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