基于DTU模塊遠程監測的農田智能灌溉系統

雷彤 鮑永昊 金冠祺 張禎 姜沁怡

摘 要：設計了一個基于DTU模塊監測農田冠層土壤數據并可遠程自動控制的智能灌溉系統。系統采用DTU模塊通過虛擬端口傳輸數據至SQL，終端可對數據進行存儲與調用，實現了遠程監測與控制;系統應用LoRa模塊連接控制柜與數據采集單元，并以蓄電池為電源，保證了野外使用的可行性與便捷性;系統引入模糊決策理論計算作物實際需求灌水量，并考慮灌溉不均勻的影響，對濕度區間進行調整，以此優化灌溉系統的用水效率。

關鍵詞：智能灌溉;實時監測;DTU;灌溉決策;LoRa模塊

1 引言

隨著中國農業和經濟的快速發展，水資源短缺的問題越來越嚴重。如何實現水資源的可持續利用成為中國經濟和社會發展的重要問題，為解決這一突出問題，國內外研究學者重點研究各類流體機械相關的優化問題，提高設備用水效率。農業作為我國國民經濟建設和發展的基礎產業，中國農業用水量約占全國總用水量的65%。發展智慧農業可以進一步優化用水效率，緩解水資源短缺問題，從而促進農業可持續發展。

智能灌溉是根據作物的實際需水量，應用自動控制技術和信息技術，實施合理的灌溉制度，提高灌溉精度和作物水分利用率的灌溉方法。自二十世紀80年代從美國開始發展，目前，智能灌溉系統在國外已經得到廣泛應用，但我國對其研究和應用還較少，與發達國家相比還有很大差距[1]。我國的灌溉系統大多依靠手工操作，部分灌溉系統應用了自動化控制，但灌溉時間和灌溉量的確定均由經驗方法確定，智能化程度很低。因此，我國的智能灌溉擁有很大的發展空間。

本文主要闡述一種農田智能灌溉系統，該系統是依托傳感器采集數據，通過檢測農田冠層土層中的濕度、溫度等參數進行判斷，可以在無人工干預的情形下實現自動灌溉，滿足作物的實時需水量，并達到節約水資源和人工成本的目的，最終取得較好的經濟效益。

2 控制系統的設計

本系統控制中心是基于天尚智控組態軟件編寫，采用西門子S7-200單片機作為中轉控制器[2]，串口數據通過GPRS WL-4010 DTU遠程連接控制中心，從而實現遠程控制的目的。GPRS DTU是一種應用廣泛的通信設備，其硬件組成部分主要包括CPU控制模塊、無線通訊模塊以及電源模塊，通過串口數據與IP數據的雙向轉換，可輕松實現遠程無線數據通信[3]。

系統通過傳感器進行模擬量采集，通過溫度傳感器、濕度傳感器、氮磷鉀傳感器以及PH值傳感器對監測農田的冠層土壤進行數據采集，經由LoRa模塊遠程傳輸至PLC。LoRa模塊為基于LPWAN的遠距離無線通信模塊，無需接入網絡即可實現遠程數據通信[4]。LoRa模塊的應用，解決了傳統模擬量采集有線連接的繁瑣性，提高了本系統的野外使用方便性與靈活性。由于傳感器與LoRa模塊功耗很小，故均采用蓄電池供電，無需引入有線電源，且更換電源十分便捷。數據接入PLC后，通過4G網絡傳輸至控制中心，在PC端、手機APP以及控制柜顯示屏上均可實時顯示。系統控制模式分為自動控制與手動控制兩種，以自動控制為主，可實時切換。自動控制模式下，根據實時采集的傳感器數據，由控制中心自動控制電磁閥開閉與水泵啟停;手動控制模式可由多個控制端進行控制，PC端、手機APP和控制柜觸摸屏均可控制電磁閥開閉。同時，系統設計了故障監測系統，當判斷出田間冠層土壤數據異常時，可自動報警，出發蜂鳴器與警報燈。系統控制原理圖如圖1所示。遠程灌溉系統控制柜如圖2所示。

3 系統工作流程

本文所設計的智能噴灌系統分為手動控制模式與自動控制模式，兩種模式相互配合。本系統的設計理念是針對在噴灌區域的不均勻灌溉現象做出的智能化環境調控，除此以外用戶可以在手動系統控制觸摸屏以及移動終端上進行模式切換選擇，便于用戶的多種情況使用。系統工作流程如圖3所示。

3.1 手動控制模式

手動控制模式所需硬件設備：濕度傳感器、溫度傳感器、氮磷鉀傳感器、PH值傳感器、電磁閥、開關、蜂鳴器、警報燈、噴灌系統、供水系統、給水泵、西門子S7-200 PLC、觸摸屏、DTU模塊、LoRa模塊。

手動控制流程：

1.各類傳感器采集模擬量數據，數據由LoRa模塊傳送至PLC，再通過DTU模塊經由虛擬端口傳送到移動端控制界面;

2.觸摸屏以及移動端控制界面上通過圖表的形式實時顯示土壤濕度、溫度等相關信息，并將系統運行的流程圖顯示在界面上，以便用戶查看系統的顯示情況;

3.供水系統給水泵的開關以及控制灌溉啟停的電磁閥連接PLC，PLC系統連接觸摸屏界面，實現觸摸屏界面控制系統各部分的電磁閥的啟停，以及控制硬件系統中的調節裝置，實現灌溉量的控制。

手動觸摸屏控制界面如圖4所示。

3.2 自動控制模式

自動控制模式所需硬件設備：濕度傳感器、溫度傳感器、氮磷鉀傳感器、PH值傳感器、電磁閥、開關、蜂鳴器、警報燈、噴灌系統、供水系統、給水泵、西門子S7-200 PLC、觸摸屏、DTU模塊、LoRa模塊。

自動控制流程：

3.2.1各類傳感器采集模擬量數據，數據由LoRa模塊傳送至PLC，再通過DTU模塊經由虛擬端口傳送到移動端控制界面;

3.2.2移動端通過組態軟件接收信號，通過判斷程序，確定此時土壤濕度數值、土壤溫度數值是否處在適宜區間，并由此發送指令給控制機構，進一步控制電磁閥開閉以及溫度調節裝置;

自動觸摸屏控制界面如圖5所示。

3.3 故障檢測系統

本系統采取的故障檢測原理是基于自動控制原理中基礎的閉環檢測，獨立于運行系統之外。檢測到系統故障時，啟動警報燈與蜂鳴器實現報警。

3.3.1在系統運行過程中，由PLC實時監測硬件運行狀態，判斷硬件狀態與設定值是否相同。A9A62B8A-0F04-4FB1-AF4C-B2B899D707E1

3.3.2在系統開始進行自動控制運行過程中，實時監測土壤濕溫度數據：（1）在調節土壤濕度過程中，監測土壤濕度隨時間變化曲線，當斜率不為正值，觸發報錯界面，顯示各硬件實現狀態情況界面;（2）當供水系統完成調節土壤濕度，控制開關自動關閉，此時監測土壤濕度隨時間變化曲線，若斜率出現正值，觸發報錯界面，顯示各硬件實現狀態情況界面。

3.4 數據采集系統

本系統基于實現遠程無線灌溉系統的控制基礎上，實現灌溉系統的智能化處理。目前根據國內外的灌溉系統調研，我們對幾類噴灌噴頭做了模擬實驗，發現在灌溉區域內土壤獲水量并不均勻，即按照我們設計的灌溉系統，在灌溉區域內當土壤濕度達不到要求，系統開啟調節系統，供水系統開啟，當測點土壤濕度達到要求，調節系統關閉，此時對于沒有安排測點的區域，土壤濕度未必處在適宜溫度內。本系統所作的智能化處理，是對于常規噴管區域做樣點規劃，合理設置樣點，放置土壤濕度傳感器，將數據通過DTU，存儲在SQL軟件中，通過設置多組實驗，計算最佳濕度的調整值，用于運行系統中。

4 數據處理及灌溉決策

數據采集系統實時采集農田冠層土壤溫度和濕度，以及土壤氮磷鉀含量、土壤PH值，將數據經由數據傳輸模塊傳送至控制中心，進行存儲與調用，土壤溫度及濕度信息經過模糊決策后用于農田作物的智能灌溉。

4.1數據處理

數據采集系統上傳的數據將最先接入組態軟件中，在PC端及手機APP上以圖表形式實時顯示。此外，實時數據將存儲在SQL軟件中，SQL與組態軟件對接，可以實時存儲與讀寫數據。對所監測的農田一般設置四個測點，根據農田的形狀具體確定測點分布位置，最終移動端顯示數據由四個測點數據加權得出。

4.2灌溉決策

本系統所設計的灌溉決策模塊基于實時采集的農田冠層土壤溫濕度數據，根據不同的農田作物種類確定適宜濕度區間，最后根據模糊決策理論[5，6，7]確定所需要的灌水量。

以揚州地區主要經濟作物油菜的盛花期為例，該階段油菜適宜濕度區間為78-87%[8]。系統實際運行時，首先將設定濕度區間調整為78-87%。灌溉決策模塊調用SQL中存儲的冠層土壤實時溫度與濕度數據，利用MATLAB計算求出土壤濕度持水量的調整系數，并由四個測點的數據計算得到土壤平均含水率。按照油菜這一作物預設的溫濕度比例權重確定模糊決策模型，最終得出實際需求灌水量。

5 系統優勢

（1）實現監測系統運行情況簡便化、可視化。本系統的設計思路分為手動控制部分以及自動控制部分。手動控制通過觸摸屏控制無線控制集成柜，連接電磁閥等控制部件，土壤濕度數據以及各類硬件運行狀態可以實時傳輸顯示在觸摸屏上，便于用戶監視系統運行情況。自動控制通過網絡虛擬端口將土壤溫濕度數據以及各類硬件運行狀態傳送到SQL中存儲起來，組態軟件可以調用SQL中數據，通過組態軟件的編程制作出方便用戶監視的PC端與移動端界面，實現遠程運行情況監視。

（2）實現自動控制灌溉系統的智能化。本系統基于大量參考文獻，使用模糊決策得出揚州地區油麥菜作物的最佳適宜土壤濕度持水量，以該持水量作為數據參考，在實驗灌溉區域進行仿真實驗，為解決由于灌溉不均勻引起的局部濕度不合理現象，通過MATLAB編程計算引入最佳適宜土壤濕度持水量的調整系數，得出調整后的最佳適宜土壤濕度持水量，用于自動控制系統。

（3）實現精確控制灌溉水量，節約水資源，合理化作物灌溉。對于傳統的灌溉系統以及目前進行智能化的灌溉系統，一直在優化土壤濕度的范圍，得出合理的灌溉方案。而在實際過程中灌溉區域里噴頭的布置會影響灌溉區域內噴水的均勻性，可能在設定的灌溉量下，局部區域的土壤濕度會過高，而有些局部區域的土壤區域卻達不到要求，盡管是按照最佳適宜的灌溉量進行噴灌，但效果可能并不好。本系統基于智能化模塊中對于數據的采集與存儲，利用MATLAB編程程序對灌溉區域的仿真實驗數據進行處理，得出最佳適宜土壤濕度持水量的調整系數，這可以有效的避免水資源的浪費，也使得灌溉系統的工作更加合理。

（4）系統具有故障檢測系統。本系統在運行過程中設立有獨立的系統運行狀態監視裝置，對于系統中各工作硬件，實行實時檢測，并且將信息傳輸至終端，用戶可以在觸摸屏以及連網終端實時查看，并且當系統運行過程中出現異常會實時觸發警報燈與蜂鳴器，可以及時進行維修。

（5）野外使用方便性與靈活性。本系統使用LoRa模塊替代控制柜與數據采集模塊之間的連線，解決了以往農田位置偏僻從而線路布置困難的問題，提高了系統的適用性與方便性。此外，采用蓄電池為傳感器與LoRa模塊供電，無需引入有線電源，更換電源十分便捷，系統搭建成本低。

結束語

基于DTU模塊遠程監測的農田智能灌溉系統依托傳感器采集數據，通過對農田冠層土壤溫濕度等數據的實時監測，應用灌溉決策模塊，可在無人工干預的情形下實現自動遠程智能控制灌溉，在提高水資源利用率和節約人工成本上有顯著優勢。該系統符合現代智慧農業的發展規律，將有很大的發展空間。

參考文獻

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[8]錢熙，高人俊，王傳周.土壤濕度對油菜生長發育、結實性狀及產量的影響[J].浙江農業科學，1965（01）：22-25.

作者簡介：雷彤（2001-），男，漢族，安徽安慶人，揚州大學本科在讀，研究方向：能源與動力工程

基金項目：2020年江蘇省大學生創新創業訓練計劃“基于大數據云端的農田智能噴灌系統研究”（202011117062Y）A9A62B8A-0F04-4FB1-AF4C-B2B899D707E1