基于物聯網的農田灌溉系統設計
——以甘肅省張掖市甘州區沿山灌區為例

張 明

（甘肅省張掖市甘州區安陽水利管理所，甘肅 張掖734000）

0 引言

中國作為世界上13個缺水國家之一，而農業用水比例占到了全國水資源使用量的3/5，其中超過90%的水量用于農田灌溉，但水資源利用率卻低于世界平均水平［1］。隨著農業的發展，農田灌溉作為水利工程建設的重點項目，解決灌溉過程中的水資源浪費、人工灌溉效率低等問題是未來工作的重心。就甘肅省張掖市甘州區沿山灌區而言，仍處于人工灌溉階段，不僅灌溉效率低下，還存在灌溉過量或不足等情況，影響農作物的正常生長，造成減產。傳統的灌溉方式實施過程可大致概括為以下步驟：

（1）水庫向水管所供水。

（3）農戶按水渠走向和水流方向依次打開個人農田進水閘門完成灌溉。

（4）灌溉結束，水利管理所停止供水。

傳統灌溉方式中存在的問題分析如下：

（1）灌溉效率低，農戶需依次通知或在田間等待，中間過程既耗時又浪費水資源。

（2）農戶灌溉過程中，仍需手動開關閘門，并阻斷水流向下游流失，費時費力。

（3）灌溉水量由農民根據經驗控制，無法做到科學灌溉。

國家大力提倡的智慧農業理念，無疑是最科學有效的解決方案。智慧農業的發展得益于物聯網技術的成熟，是物聯網技術的典型應用之一，為我國農田灌溉方式由傳統的人工灌溉向自動化智慧灌溉轉型提供了良好的技術支持。

1.改制企業履約能力的法律風險。供應商的履約能力是物資采購工作得以順利完成的保障。隨著近幾年來油田改制企業經營狀況的不斷變化，有些改制企業的能力堪憂，有時存在供貨不及時、產品質量性能不穩定的情況，從而影響油田生產建設需要，給油田造成經濟損失。

本論述著眼于傳統灌溉方式存在的問題，提出了一種基于物聯網的自動化農田灌溉系統［2］，來解決在農田灌溉過程中存在的問題，達到節水灌溉，科學灌溉的目的。

1 系統架構

1.1 系統優勢及理論

物聯網灌溉讓農業灌溉實現了自動化和遠程控制，將極大節約人力資源。同時，傳感技術和云計算相結合，可實現實時數據采集，從而分析農作物長勢，長期的數據積累將為農田灌溉提供真實的數據支持，推動智慧農業建設步伐。

物聯網農田灌溉系統解決了長期以來農民按經驗控制灌溉水量的問題。本論述使用定額法計算灌溉需水量，首先根據所種植作物的種類及種植地區確定灌溉用水基準定額和灌溉方式所產生的調節系數，計算不同保證率下的灌溉用水定額，再與種植面積相乘進而求得灌溉需水量［3］。

根據上述對灌溉需水量的描述，可通過數學建模，模擬計算出每塊田地所需水量大小，水流速度傳感器可獲取田間進水口水流流速，系統通過控制灌溉時間，水流速度與時間的乘積即灌溉水量，然后根據農作物自身特性，測量土壤濕潤度，對灌溉水量進行校準或補償。

1.2 系統框架

農田灌溉系統分為感知控制層，傳輸層，數據管理層和應用層，系統框架如圖1所示。

感知控制層包括各傳感器數據和主控制器，本系統以STM32作為主控制器，實現傳感器驅動、數據采集和預處理、數據發送等功能。水流流速傳感器布設于農田入水口，采集水流速度，計算水量；水深傳感器用來監測水渠供水量，方便控制中心對供水量進行把控；土壤濕度傳感器通過監測土壤含水量來調節灌溉水量以達到更好的灌溉效果；水質傳感器主要監測水質PH值，保證灌溉用水適合農作物生長，溫濕度數據和光照強度數據用來輔助計算水分蒸發量［4］，方便后續進行灌溉水量補償。

傳輸層選用NB-IoT模組實現系統傳感數據實時發送和云端指令下發，模組通過UART連接MCU，將數據通過基站發送至云平臺。

云平臺對傳感數據進行分類、整理、存儲、分析，通過分析傳感器數據模擬計算生成預期灌溉用水量，下發至設備端進行農田灌溉，起到輔助決策功能，也為后續農業生產提供數據支持，指導農民科學種植。

應用層主要為Web端，實時顯示灌溉進度及各傳感器數據和設備工作狀態等信息，為人機交互提供窗口和媒介。

2 硬件系統設計

硬件系統由電源模塊、MCU基本電路，傳感器電路、電機驅動控制電路及通訊電路組成。硬件系統框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路系統框圖

電源模塊為系統運行提供電能，通過電壓轉換得到如5 V、3.3 V等不同電壓，保證系統各部分供電充足。傳感器使用IIC、SPI、UART等方式連接MCU實現數據傳輸，NB-IoT使用UART連接MCU完成數據交換。

系統選用STM32F103RCT6作為主控芯片，該芯片是一款基于ARM架構的32位微控制器，最高速率可達72 MHz，片上資源豐富，包括51個通用I/O，8個定時器、ADC、IIC、SPI、UART等，它與晶振電路、復位電路共同構成了單片機最小系統。復位電路采樣高電平復位機制，時鐘電路由8 MHz石英晶體震蕩器和匹配電容、反饋電阻組成，為單片機提供穩定振蕩頻率，并作為鎖相環倍頻輸出的基礎頻率使用。電路如圖3所示。

NB-IoT模組選用M5310-A模塊［5］，該模塊由中國移動設計研發，是一款工業級的多頻段窄帶物聯網無線傳輸模塊，使用貼片封裝，電路上需外接SIM卡座實現通信，電路中加入TVS二極管陣列為其提供良好的ESD保護，參考電路如圖4所示。

圖1 系統框架

圖3 STM32F103RCT6最小系統

圖4 外接SIM卡參考電路

電機負責控制田間進水閘門及水流阻斷閘門的開合，電機驅動部分使用高性能MOSFET組成H橋驅動模塊，最大驅動功率可達300 W，內置過壓欠壓保護電路、過熱保護電路，安全可靠。硬件連接方式如圖5所示。

圖5 連接示意圖

3 軟件設計

3.1 NB-IoT程序設計

NB-IoT基于現有蜂窩網絡進行組網［6］，功耗低、通信距離遠、節點容量大、適合大面積布設。模塊通過串口以AT指令的形式實現數據傳輸及指令下發，程序流程如圖6所示。

圖6 NB-IoT程序流程圖

3.2 電機驅動程序設計

系統選擇直流電機對閘門開合進行控制，單片機定時器輸出PWM信號驅動電機，通過調節占空比改變電機轉速來達到系統需求。首先使能單片機定時器，通過配置TH和TL設置定時初值，控制PWM頻率，單片機輸出高電平使能驅動，PWM信號通過兩根控制信號線輸入到電機驅動模塊，驅動模塊輸出端連接電機，控制邏輯如圖7所示。

圖7 電機運行邏輯

3.3 系統程序設計

當系統接收到云平臺下發的灌溉指令后，單片機首先初始化所有外設，然后打開田間進水閘門的同時阻斷水渠中水流流動開始灌溉，并開始采集水流速度等傳感器數據，實時發送到云端。系統通過云平臺預先模擬的灌溉水量進行灌溉，當水量達到預定數量時，通過土壤濕度判斷灌溉效果，云端同時根據灌溉過程中的環境和當前土壤濕度計算補償數據，最終完成既定灌溉任務，關閉進水閘門，打開阻水裝置使水渠中的水繼續向下流，沿水渠走向依次進行完成灌溉，系統程序流程如圖8所示。

圖8 系統程序流程圖

4 Web端設計

Web前端主要實現人機交互功能，是連接云端與用戶端的媒介。前端通過HTML5、CSS3、jquery等技術進行搭建，首先從云端數據庫獲取傳感器數據并顯示，還設置了控制指令下發功能，方便用戶在系統運行過程中進行人為干預。

針對不同用戶開放的權限也有所區別，因此用戶類型大致分為管理用戶和普通用戶。普通用戶可獲取到傳感器信息和灌溉狀態信息等基本信息，不對其開放系統控制權限；管理用戶可根據實際情況對系統進行人為干預，并獲取系統數據庫所有數據進行比較分析。

5 結束語

本論述通過對國內農田灌溉現狀的的分析，對傳統灌溉方式存在的問題進行了闡述，提出了一套基于物聯網，以STM32作為主控制器，NB-IoT為通信方式的智能灌溉系統設計理念，分析了智能灌溉系統的優勢及灌溉原理。本論述從硬件、軟件和Web端設計三方面進行闡述，展示了系統設計的所有硬件設施及軟件設計思路，介紹了軟硬件原理及關鍵器件選型詳細說明了系統工作過程及效果。針對用戶群體不同，系統會分配不太使用權限，在保證系統正常運行的前提下實現精細化管理。系統所選用的STM32物聯網農田灌溉系統建設將極大程度上解決傳統灌溉方式帶來的水資源浪費、效率低下等問題，為推動智慧農業建設打下了堅實的基礎。