基于物聯網技術的農業智能灌溉系統應用

吳泰文　姚云飛　孫歆鈺

基于物聯網技術的農業智能灌溉系統應用

吳泰文姚云飛孫歆鈺

（荊楚理工工學院湖北荊門448000）

文章針對目前農業生產及灌溉過程中存在的問題，分析了物聯網技術融合人工智能技術與農作物栽培、灌溉過程，探究了農業環境中的溫度、濕度、土壤水分、土壤養分、光照強度、二氧化碳濃度、土水勢、葉水勢等數據，形成灌溉要求，以實現自動化灌溉應用。

物聯網；農業；智能灌溉

與根據資料顯示，我國現有的人均耕地面積遠遠低于世界平均水平，僅為其40 %；同時數據顯示我國人均水資源占有量，也只是世界平均水平的28 %。與現代化綠色農業發展息息相關的灌溉用水遠遠不能滿足我國14 億人口農產品供給的發展要求。因此，農業生產必須變原有的大水漫灌，為現代化的精細滴管，只有這樣才能最大限度地利用好農業用水資源，產生最大效益。

目前，已經進入萬物互聯的時代，物聯網技術的發展，也為農業精細灌溉提供了可借鑒的技術方法。文章所述系統由物聯網邊緣傳感器、數據采集系統、自適應噴灌系統與控制中心組成，其設計遵循農業生產規程的有關規定執行。

1 系統原理

通過研究不同農作物生長過程中，受哪些環境因素影響，確定需要物聯網邊緣傳感器的類型，根據植物特點確定傳感器封裝形式。通過單片機技術、光譜采集分析技術、虛擬仿真、數據融合等傳感器技術，開發土壤密度、水浸情況，葉片含水量等快速傳感設備；通過現有商用傳感器，并做出適應性改造，開展溫度、糖度、pH值等多參數傳感器進行相應傳感器和多參數傳感器小型化集成。采集器能夠采用太陽能供電，并且能保證陰雨天氣可以連續正常工作至少5 天；確保所采集的數據能夠準確、高效地回傳平臺，通過數據能夠對調控設備進行策略控制，實現自動化。

各類智能檢測采集設備，需要統一數據接口，同時根據不同傳感器監測所得數據特點，規劃合適的數據格式定義，從而為所有數據的準確傳輸和高效利用創造條件。

數據反饋后，需要在處理中心根據氣象數據、光照數據、風力數據等，對所有數據進行統一分析，并根據分析結果，提出農作物灌溉需求，并將其形成量化數據，驅動農作物灌溉機構，進行精確滴灌作業，同時將各類數據進行存儲。

為了保障數據的實時傳輸，可以通過4G/5G/LORAWAN/NB-IOT等多種有線或無線網絡搭建物聯網傳輸網絡和灌溉設施驅動網絡進行傳輸，以實時性、可靠性為約束條件，確保網絡拓撲形式的安全可靠，無縫連接，最終形成穩定的智能化灌溉系統拓撲形式。提高農業種植全過程監測預警、防災減災、優化調控等過程中的精準監測與決策管理水平。

2 系統組成

該應用系統設計由農作物種植區各類邊緣傳感器、數據中繼監控采集分站、數據處理中心、自適應智能化灌溉分系統、數據及電力傳輸網絡組成。

其中，農作物種植區各類邊緣傳感器包括以下兩類：一是環境因素高精度數據采集設備，主要包含田間環境中的溫度、濕度、土壤水分、土壤養分、光照強度、二氧化碳濃度、土壤含水量等數據采集傳感器，二是農作物生長監控高精度數據采集設備，主要包含葉片含水量、溫度、pH值等傳感器。各類傳感器數據，經A/D采樣后由單片機存儲管理。傳感器采用心跳定時輸出、無線（有線）發送方式。其核心電路是模數轉換、單片機和2.4G發射模塊。傳感器供電由電池供電和太陽能供電，兩種方式，確保相關設備可以不間斷地工作。

數據中繼監控采集分站主要負責整合分散的邊緣傳感器信息，特別是通過無線Mesh網絡完成各個離散傳感器信息的匯集，同時，裝備微型氣象站功能，負責對現場光照、降水、風力信息進行采集，之后完成所有數據打包，通過有線網絡回傳數據中心。

數據處理中心主要對回傳來的數據進行解包分析，同時實時顯示各個傳感器及數據中繼監控分站的信息，供農業技術負責人員進行人工研判或自動形成反饋數據。

自適應智能化灌溉分系統根據數據處理中心所下發的數據，控制水泵從水源處抽水，并將水泵如各類不同的灌溉管路，完成精細化灌溉作業。

數據及電力傳輸網絡是整個農業智能灌溉系統的神經網絡，需要根據不同農業種植環境，完成有線及無線布線，確保網絡拓撲形式穩定可靠，實現數據的不間斷傳輸與灌溉分系統的穩定供電。

2.1 MC9 S08 GT60 單片機介紹

MC9S08 GT60 單片機是飛思卡爾公司的高性能、低成本的八位單片機，它作為該項目中各類邊緣傳感器的數據采集與暫存的核心芯片，完成前端的數據處理工作。此單片機可以快速執行開發與調試指令，兼容M68 HC08 系列調試指令。可以通過背景調試控制器，完成針對不同傳感器數據的采集編程功能設計。該型單片機支持在線編程Flash存儲，內嵌8通道10 bit模數轉換核，串行接口模塊和I2C總線傳輸，可以實現各項種植環境及農作物數據處理需求。

2.2 MC13192 ZigBee芯片介紹

MC13192 ZigBee芯片同為飛思卡爾公司生產的芯片，全面支持IEEE802.15.5協議標準的低功耗、短距離數據傳輸，可以靈活構建Star型或Mesh型網絡。共有16 個通信通道，最大發射功率3.6dBm。內置發射、接收RAM，每個5 MHz帶寬都采用OQPSK傳輸，傳輸速率可達250 kbps ,支持三種工作模式。最低接收電平可達- 92 dBm。

2.3 MC13192 與MC9S08 GT60 連接

MC13192 與MC9S08 GT60 通過SPI技術建立連接，MC13192 同時為MC9S08 GT60 提供時鐘。PTB口作為MC9S08 GT60 外部器件接口，模擬串口位于引腳PTB6、PTB7端口，通過接口芯片驅動外部顯示二極管或其他顯示單元，引腳PTB3 作為各種農作物種植環境或植物附加邊緣傳感器的模擬輸入端，通過程序設定進行A/D轉換。同時將轉換后的結果送MC13192 調制發射。

3 主要傳感器端與控制工作原理

3.1 各類邊緣傳感器的工作

田間各類傳感器和農作物傳感器，首先需要將個傳感器檢測所得的模擬量通過A/D轉換，然后將數字量編碼，最后通過ZigBee技術發送。MCU中內置了10 位A/D轉換器，對2 V電壓的檢測精度可以達到/210 =0.009 V，完全可以滿足檢測需要。同時，通過ZigBee平臺以2.4 GHzOQPSK方式，將檢測所得數值變為10 位數據并加入地址碼，進行發射。單片機還可將土壤濕度、環境溫度等所監測到的數據，通過傳感器平臺本身的顯示模塊進行顯示，可以讓巡查人員實時獲取相關農作物數據。

3.2 數據中繼監控采集分站

數據中繼監控采集分站需要首先根據傳輸頻率不同對各個邊緣傳感器數據分時接收。再根據所得到的數據進行相應判斷，并按照所接收到的不同類型數據，實時將數據通過MCU打包，再通過MCURS232 串行接口傳輸數據，并通過串口RJ45 轉換器經以太網絡傳輸至中央監控主機。

3.3 數據處理中心

數據處理中心通過網絡，將分布于不同農作物種植園區的中繼監控分站的數據進行匯總，同時根據各個監控分站的數據進行匯總分析，并根據農作物灌溉要求，反饋給前端灌溉網絡，做出相應的精細化灌溉。同時，將所有數據匯總記錄在數據庫中，便于監測分析。如出現有悖于常規的數據閾值，則發出告警提示，以確保農作物種植的智能化管理。

3.4 自適應智能化灌溉分系統

該系統根據數據處理中心所發布的控制指令，控制精密變頻器、抽水泵機、噴淋電磁閥、節水噴淋頭，對不同農作物模擬人工進行滴灌、根灌、噴灌，最大限度地節約灌溉用水，同時也防止根系腐爛等現象出現。

4 小結

文章采用物聯網邊緣傳感器技術、智能化自適應灌溉網絡、農作物生長數據智能分析、有線無線網絡傳輸，組合構建了一套農業生產智能化灌溉系統，解決現代農業生產中灌溉的精細化問題。該系統成本低廉、可靠性高，特別適合于中西部缺水地區的農業生產。

[1]張興超.智能灌溉遠程監控系統設計[J].中國科技信息,2019(24):58-59.

[2]謝福來.基于物聯網的智能灌溉管理系統設計[D].西安:西安工程大學,2019.

吳泰文（1998- ），男，湖北黃岡人，本科在讀，研究方向：計算機信息技術。

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.02.27

S274.2

A

2095-1205(2020)02-42-02