光電子信息處理的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)研究

江蘇省東臺市水利檔案信息中心 賁婷華

我國農(nóng)業(yè)灌溉問題一直困擾著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，為了有效的提高農(nóng)業(yè)灌溉效率，降低投入成本，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，我國積極的研究了智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)以光電子信息處理為主，通過將光能轉(zhuǎn)化為電能，為系統(tǒng)提供運行所需要的能量。本文通過對光電子信息處理的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及將堤東灌區(qū)運用此監(jiān)控系統(tǒng)取得的成果作為案例，充分表明了監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)喔认到y(tǒng)實行有效的監(jiān)控，且運行效果穩(wěn)定。

1 智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)與光電子技術(shù)的簡單介紹

智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)是利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息化技術(shù)和計算機技術(shù)等，通過監(jiān)控系統(tǒng)對灌溉系統(tǒng)實施遠程監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果來進行水量的調(diào)節(jié)，并通過自動開啟和關(guān)閉閥門，來避免因人員疏忽而造成的不必要的水資源浪費，最終實現(xiàn)了節(jié)水的目的。總之通過有效的應(yīng)用智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，除了保證了農(nóng)田能夠得到合理的灌溉，又在最大限度上使水資源得到了充分的利用，節(jié)約了灌溉成本的同時還提高了灌溉效率，增加了農(nóng)作物的產(chǎn)品，幫助農(nóng)民增加了經(jīng)濟收入。可以說對灌溉監(jiān)控系統(tǒng)進行研究是一本萬利的項目，具有深遠的意義。

光電子技術(shù)是由蓄電池、光伏、微電子等技術(shù)共同組合而成的，在很大程度上實現(xiàn)了光能轉(zhuǎn)化成電能的功效。當(dāng)前，光電子技術(shù)的應(yīng)用范圍也已經(jīng)非常普遍，不僅在農(nóng)業(yè)方面有所應(yīng)用，同時在通信和醫(yī)療等行業(yè)也發(fā)揮著重要的功能。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中用光電子技術(shù)將光能轉(zhuǎn)化成電能，為農(nóng)業(yè)灌溉提供了其所需的能量，這樣就可以將灌溉所剩余的電量輸入電網(wǎng)中供其他項目所用。尤其在當(dāng)前提倡節(jié)能減排的社會號召下，充分利用此技術(shù)將能夠很好的解決能源危機這一難題。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

對于智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)來說，其設(shè)計方案可分為以下幾步：第一，此系統(tǒng)主要是由執(zhí)行模塊、用戶界面模塊、光伏電池、中央控制中心和采集模塊共同組成的；第二，本系統(tǒng)主要是通過無線傳感網(wǎng)來實現(xiàn)對智能灌溉系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)的傳遞、數(shù)據(jù)的采集過程；第三，系統(tǒng)運行所需要的電能都是通過光伏電池給予的。

2.2 光伏電池

光伏電池的主要組成部分分別是蓄電池、光收發(fā)機、陽光傳感器三部分構(gòu)成，其利用光電子技術(shù)的優(yōu)勢使光能轉(zhuǎn)變成電能。首先，陽光傳感器是用來追蹤太陽光線的，由于時間不同，太陽的光照角度也不同，光線的強弱也隨之進行變化，而陽光傳感器就負責(zé)對光照信息進行收集，使電池始終保持最高的充電效率；其次，蓄電池它是由24節(jié)電池串聯(lián)組成的，既能輸出電能，又能將多余的電量進行儲存，以便在無光照的情況下把早已儲存好的多余電量釋放出來為系統(tǒng)運行提供所需電能。

通常情況下，陽光傳感器的電路電壓一般為12V，電池組中具有的電壓一般為24V，數(shù)據(jù)采集模塊中具有的電壓一般是5V，為了使負載電壓得到一定的程度上的滿足，一般會采用對電路降壓的方式來滿足它的需求。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

此模塊的組成部分包括A/D轉(zhuǎn)換器、ZigBee無線傳感網(wǎng)、pH值和濕度傳感器、采集溫度四部分組成。在組成部分中pH值和濕度傳感器節(jié)點主要負責(zé)對土壤范圍內(nèi)的pH值和溫濕度進行采集。由于采集的數(shù)據(jù)不能直接被識別出來，需要把接受到的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成能夠被識別的數(shù)值，然后再經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳遞出去。ZigBee無線傳感網(wǎng)具有復(fù)雜度低、能耗低、成本低以及能夠使數(shù)據(jù)實現(xiàn)雙向傳遞的重要優(yōu)勢，所以在智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)中被作為數(shù)據(jù)傳遞的有效方式。

2.4 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊的主要組成部分分別是水泵、閥門、電磁閥三部分，主要是用來完成自動操作，實現(xiàn)自動灌溉功能的。通常情況下，執(zhí)行模塊在接到中央控制中心下達的灌溉指令的時候，根據(jù)指令的要求，在繼電器的控制下對水泵的電磁閥閥門實行控制功能。其中電磁閥的電路圖將在(圖1）中具體的體現(xiàn)出來一般在通電的情況下，繼電器處于閉合狀態(tài)，這時候電磁閥就已經(jīng)開始工作了，灌溉系統(tǒng)也隨之將灌溉功能啟動；當(dāng)處于斷電的情況下時，繼電器也處于斷路的狀態(tài)中，這時候電磁閥也會隨之停止一切工作，灌溉系統(tǒng)同樣也會對灌溉功能進行關(guān)閉。

圖1 電磁閥電路圖

2.5 用戶界面模塊

此模塊主要是將計算機與波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、界面參數(shù)集于一體，當(dāng)土壤的數(shù)據(jù)信息被傳遞到計算機中以后，數(shù)據(jù)的變化趨勢就會隨著實時顯示出來，同時計算機會將這些數(shù)據(jù)進行自動存儲，以便后期需要的時候可以對歷史數(shù)據(jù)隨時進行查看。

2.6 中央控制中心

智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的中央控制中心其實就是該系統(tǒng)的核心部位，其主要是通過PLC來實現(xiàn)控制功能的。中央控制中心會對通過設(shè)定的數(shù)值來對比采集到的數(shù)據(jù)，通過對比分析以后得出結(jié)果，然后將結(jié)果傳遞給執(zhí)行模塊，執(zhí)行模塊再根據(jù)指令來進行灌溉；與此同時，用戶界面會將分析結(jié)果和數(shù)據(jù)進行實時顯示，最終實現(xiàn)實時監(jiān)控和智能灌溉的目的。

3 軟件設(shè)計

智能灌溉系統(tǒng)能夠成功的實現(xiàn)實時監(jiān)控其中最重要的前提條件就是是否有可靠的數(shù)據(jù)傳遞為其提供保障。一般情況下，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)在進行傳遞的過程中是通過等間距的Huffman算法來完成傳輸數(shù)據(jù)的過程的，但是在傳遞數(shù)據(jù)的過程中，如果利用此計算方式會因為采集點較多而造成碰撞現(xiàn)象的發(fā)生，這種碰撞主要是由于匯聚點數(shù)據(jù)太多而造成的，這樣會消耗大量的能量；同時在存儲數(shù)據(jù)的時候，也會存在類似的重復(fù)的數(shù)據(jù)，占有過多的存儲空間，造成空間浪費。所以，應(yīng)該采用非等間距的Huffman算法來完成傳遞數(shù)據(jù)的過程。

本算法的研究對象一般是濕度和溫度的控制，首先，在去除環(huán)境中多余的重復(fù)的數(shù)據(jù)時可以采用多閾值的方法進行判斷，然后通過Huffman算法對數(shù)據(jù)進行壓縮，最終得到的環(huán)境信息將是被壓縮以后的信息。這樣既能使數(shù)據(jù)在傳遞的過程中始終保持準(zhǔn)確性，又能保證數(shù)據(jù)是以最小量進行發(fā)送的，從而實現(xiàn)降低能耗的目的。

4 案例

堤東灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造骨千工程項目共涉及項目28個，計劃分3年來實施完成，其中2017年計實施完成1項（東臺新抽水站工程），2018年實施完成13項，2019年完成剩余工程。堤東灌區(qū)信息化系統(tǒng)屬于一個大型的系統(tǒng)工程，為避免重復(fù)投資或成為信息孤島，一定要進行統(tǒng)一的規(guī)劃。整體性規(guī)劃的不完善或?qū)嵤┎焕麑?dǎo)致各個系統(tǒng)的兼容性差，信息流不暢，使自動化的大量投入所建設(shè)的僅僅是一個信息孤島。需要合理調(diào)配整個系統(tǒng)的功能劃分，使系統(tǒng)各部分能統(tǒng)一協(xié)調(diào)行。因此，要充分利用光電子信息處理的智能灌溉健康系統(tǒng)實現(xiàn)資源的最大化利用，為農(nóng)業(yè)科技進步做出最大的貢獻。

此系統(tǒng)的建設(shè)過程中，充分利用了江蘇省和東合市相關(guān)單位已建設(shè)系統(tǒng)中環(huán)境、硬件、軟件和數(shù)據(jù)資源，避免了重復(fù)建設(shè)，同時本項目的建設(shè)成果也應(yīng)與相關(guān)單位共享。為實現(xiàn)信息資源的有效整合，本項目中所需要的數(shù)據(jù)資源需要統(tǒng)一匯總管理，有本項目中建設(shè)的數(shù)據(jù)存儲和管理平臺進行統(tǒng)一的存儲、管理和匯總統(tǒng)計，實現(xiàn)系統(tǒng)各項資源和數(shù)據(jù)的高度整合和共享，系統(tǒng)所有針對數(shù)據(jù)的讀取、操作，均來用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲和管理平臺針對各個接口建立嚴格的權(quán)限管理和控制機制，結(jié)合多網(wǎng)絡(luò)層級的管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的安全管理。

結(jié)束語：綜上所述，通過對智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計過程進行分析，并對其硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的過程展開剖析，可知，系統(tǒng)在眾多模塊的相互作用下共同發(fā)揮作用，最終實現(xiàn)了對智能灌溉系統(tǒng)的實時監(jiān)控，并結(jié)合實際案例分析得知，采用此技術(shù)在很大程度上能夠做到節(jié)能減排，節(jié)約水資源，從而促進農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展。