基于位置服務的酥瓜大田灌溉監控系統設計

解喬林 盧文 楊錦婕 賈非凡

摘 要：在物聯網技術飛速發展的當下，種植業，特別在大面積規模化種植方面，物聯網的應用還未廣泛普及。原有憑借人工經驗對酥瓜大田進行管理的方式，人力及成本投入較大，工作效率和經濟效益較低。為解決上述問題，我們設計了一款種植階段數據可視化以及智能化調控，以提高農戶工作效率及經濟效益的系統。該系統主要集中在LBS（基于位置服務）、信息的收集與處理、智能調控三個方面。傳感器采集地理位置信息、土壤持水量、環境溫濕度，通過NB-IoT（窄帶寬物聯網）技術傳輸數據，進而對田間氣候進行動態數據采集以及智能調控，為大面積規模化種植提供精確的數據支持。

關鍵詞：LBS;NB-IoT;智能化調控;噴灌;傳輸;管理

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-00-02

0 引 言

酥瓜（羊角脆）是甜瓜的一個品種，屬葫蘆科植物，因果實酥脆而得名，味甜、皮薄、品質好，富含多種維生素，深受消費者青睞[1]，主要產于沿淮地區。經驗表明，酥瓜的生長對外部環境條件較為苛刻，對管理的要求較高。因此，酥瓜種植現如今主要以大棚種植為主，間接導致酥瓜的價格居高不下。

在參考借鑒已有研究的基礎上開發了一套適用于大面積種植的智能噴灌設備，系統定位節點地理位置、采集數據、傳輸數據，進而做出相應措施，調控噴灌節點，以實現作物生長適合區間，提高作物的產量與質量，獲得更大的經濟效益。

1 系統的總體方案

1.1 種植存在的問題

（1）傳統的人工灌溉方式嚴重浪費水資源：我國是水資源較為缺乏的國家之一，農業是用水大戶，但我國農業用水的利用率極低，因此節水潛力巨大。農業用水的自動化符合我國的基本國策，同時也是未來的趨勢所在。

（2）土地資源浪費嚴重：傳統灌溉一般會修筑干渠、支渠、斗渠等，土地中還會挖大量的梗、溝渠，減少了有效的用土面積，并且在灌溉過程中還會損失大量水分。

（3）種植成本較高：我國地域廣闊，大棚種植方式在成本和管理上存在很大困難，而傳統種植方式不僅作物產量不穩定，管理也會耗費大量人力。

1.2 系統總體目標

酥瓜在不同時期的需水量差別較大，環境（主要是土壤持水量）會直接影響到酥瓜果實的甜度和果實產量[2]，因此必須對酥瓜在各個時期的灌溉予以重視。酥瓜各時期最適生長環境見表1所列。

本文主要通過物聯網設備智能調節噴灌設備來改變酥瓜在各個時期的種植環境，以達到降低管理要求與成本付出、提高作物產量、實現大面積規模化種植的目的。

2 解決方案

本系統通過溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、LBS等對環境數據進行采集，NB-IoT設備等將采集的數據傳輸至后臺，智能調控噴灌節點，進而調控作物生長的外界環境。

2.1 感知層

感知層用于識別物體、采集信息，是物聯網的基礎。數據采集器將采集的節點的地理位置信息、環境溫濕度、土壤持水量等各項環境指標轉化為數字信號進行傳輸。

2.2 傳輸層

將從感知層接收的數據通過組網進行傳輸是傳輸層的功能，使用NB-IoT技術進行傳輸。NB-IoT技術具有海量連接、深度覆蓋、功耗低、成本低、穩定可靠等優勢，符合大面積規模化種植的要求[3]。

2.3 應用層

應用層在客戶端顯示每個節點的環境信息并智能調節灌溉節點進而調控農田的環境，通過傳感器實時監測農田各項環境信息，根據各項指標進行綜合補水，并輔以流量監控，避免在傳統種植時農戶憑個人經驗施水產生的誤差，導致農作物生長不良。系統流程如圖1所示。

3 硬件與系統

在該系統中，固件程序即指存儲于終端節點和協調器節點中的程序[4]。

3.1 LBS設計

LBS的活動式設計實現了在界面上顯示地理位置的功能，極大地提高了設備的利用率。隨“插”隨用，相比于傳統的監控設備，提高了設備的檢測范圍，也降低了檢測數據的誤差。最新的NB-IoT設備的使用，功耗更低，覆蓋面積更大，檢測更加方便。

3.2 改進的灌溉方式

改進的灌溉方式加大了水資源的利用率。基于物聯網的智能化調控可以在不同的土地、不同的季節、不同的作物種類條件下根據作物的需求對灌溉系統參數進行調節，并且在前端顯示參數閾值，在大幅提高種植效率的同時減少農戶精力的投入。

（1）噴灌設備的選擇

微噴灌技術屬于一種精細高效的現代化節水灌溉技術，其在實現節能、節水的同時，還能夠消除地面土質差、作物栽培密度高等不利影響，是提高我國農作物產量的有效灌溉技術[5]。因此選用微噴灌技術作為我們研究的對象。

（2）噴灌設備與檢測節點的安放

采用方型區域布置方式是大面積平原種植中噴頭布置的最優選擇[6]。為實現均勻噴灌，采用方型區域布置方式安放噴灌設備，如圖2所示。方型區域布置方式的所有噴灌噴頭同時噴射1次，S區域將被噴射3次，而D區域將被噴射4次。考慮風向以及風速對噴頭輻射周邊的影響，選用A點極其類似點安放節點，測量精度最高。

（3）軟件后臺設計

采用NB-IoT技術進行傳輸，采用MySQL數據庫存儲數據，數據可維護性強，可靠性高。在Eclipse開發環境下，采用JavaWeb技術，配合前端框架技術，在數據結構化存儲、可維護性強、可靠性高的同時使得數據實時可見、狀態實時更新。

4 工作流程

4.1 工作流程描述

本系統通過溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器采集作物生長的環境信息。通過NB-IoT通信技術上傳至網絡服務器，后臺對數據進行存儲、分析，以圖表、曲線的形式顯示至前端用戶界面，前端用戶通過手動遙控或者智能閾值調控大田中噴灌節點的設備，進而達到控制土壤持水量、田間小氣候的功能。控制流程如圖3所示。

4.2 環境檢測

以一個節點輻射的面積為例，在半徑17～20 m的圓形土地內，若附近傳感器節點不斷檢測到土壤持水量、空氣溫濕度，則傳感器將信息通過網絡發送至服務器后臺。

4.3 閾值設計與智能控制

研究表明，酥瓜在發芽期、幼苗期、伸蔓期、開花至膨大期、成熟期對環境的各項指標的要求存在較大的差異，需要根據不同時期酥瓜的需求對網站后臺進行閾值設計。

當溫濕度或土壤濕度超出相應時期的閾值時，后臺程序通過智能運算判斷是否要調控噴灌節點以及如何合理開啟設備等。系統實時監控作物生長環境，當各項環境指標達到最適生長環境閾值區間時，噴灌設備停止運行。

5 結 語

本系統主要針對大棚種植成本過高以及大面積露天種植過程中，農戶管理不科學、資源浪費嚴重等問題，結合我國農業物聯網實際情況進行了思考與研究。特選取種植難度較高、對生長環境較為苛刻的酥瓜進行研究。通過對酥瓜環境的監控調節，以達到各個時期最適生長閾值。實驗表明，本系統對大面積種植的作物有一定的效果。該系統還可以延展到其他作物種植中，給物聯網設備大面積規模化種植的應用提供新的思路。

注：本文通訊作者為盧文。

參 考 文 獻

[1]王安源.不同品種淮南酥瓜產量、光合作用與品質的關系[J].園藝與種苗，2016（6）：4-6.

[2]趙亞.無公害酥瓜早熟栽培技術[J].農技服務，2017，34（5）：46-47.

[3]楊文飛.窄帶物聯網（NB-IoT）的發展與應用[J].電子技術與軟件工程，2018（16）：9.

[4]王傲，盧文，曾光，等.基于物聯網技術的牛舍環境監控系統設計[D].天津：天津農學院，2018.

[5]范立新.微噴灌技術的應用實踐與節能價值闡述[J].農家參謀，2017（23）：41.

[6]王明亮.噴灌噴頭類型及布置原則[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/b02d78e358f5f61fb73666e9.html.2018-06-27/2019-03-27.

[7]施玉博.基于物聯網技術的水稻自動灌溉控制系統設計[D].哈爾濱：東北農業大學，2018.

[8]鄒承俊，余攀.基于物聯網技術的智能溫室關鍵技術研究[J].物聯網技術，2015，5（4）：33-35.

[9]沈晶晶，張偉.基于Bootstrap的農業監控系統響應式網頁設計與實現[J].物聯網技術，2017，7（4）：84-85.

[10]陳勇，曹玉保，王林強.基于物聯網的農業灌溉監控系統設計

[J].電子設計工程，2012，20（22）：104-106.