基于5G物聯網背景下精準水肥藥一體化灌溉控制系統分析

程學軍 趙子昂

摘要：當前，隨著生活水平提高，人們對農產品的要求越來越高，人們在追求更高品質的同時也更加關注農業的品質和安全。而作為農作物生長所必需的水肥是其中的重要組成部分，因此，如何實現高效精準的水肥配施成為當前急需解決的問題。該文主要研究基于5G物聯網背景下精準水肥藥一體化灌溉控制系統分析。

關鍵詞：5G物聯網;精準水肥藥一體化灌溉;控制系統分析

中圖分類號：TP311? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）16-0105-03

目前在國內很多地區都存在大量的農用水源被污染，導致水資源匱乏，這不僅浪費了寶貴的土地資源，而且還造成了環境的惡化和生態環境的破壞等一系列的生態問題。針對這些現象，國家相關部門已經開始采取措施，從源頭到使用都要做到精準控制。

1 精準灌溉控制系統的關鍵技術研究

1.1 精準灌溉控制原理

在農業生產中，農作物灌溉是最重要的環節之一，也是最基本的一項工作。而在傳統的灌溉模式下，由于沒有對作物的生長環境進行實時監測和監控，導致灌溉不均衡，造成浪費。針對上述問題，結合物聯網技術，本文采用智能控制，可以實現對水的精準管理，從而提高灌溉效率。通過物聯網的感知功能，將采集到的數據傳送到中央處理器，經過處理后發出指令，并根據實際情況調整施用量，使其達到最佳的澆灌狀態[1]。而對于農產品的施肥主要是利用射頻識別模塊，射頻識別芯片、傳感器等，然后將信息發送給單片機，再由單片機分析判斷，確定是否需要施肥。當土壤濕度超過設定的范圍時，則自動啟動噴灑農藥，使之回到預設的正常值，并開始噴灑農藥，直至及時補充所需的肥料為止。

1.2 精準灌溉控制模型

精準灌溉控制模型是一種基于單滴定額的控制方法，它是根據作物的實際需要，通過設定的程序自動地調節農作物的灌溉量，從而達到節水、節灌的目的而實現的一個過程。該系統的特點在于其能夠在一定的范圍內保證有效地節約水資源，并且能在很大程度上提高生產效率。目前，我國大部分的農產品都是以滴定額的方式進行的計量與管理，這種模式的優點就是可以對不同的農作物有很好的區分性，但是缺點也非常明顯，比如說，當溫度較高時就會導致水分的蒸發產生大量的浪費;當濕度較低時就會使土壤中的有機物質流失，造成土地的沙化。因此，要想解決這些問題，就要使用精準灌溉的技術，對農業用水的情況加以改善，使其更加合理。隨著科技的發展與進步，越來越多的智能產品逐漸被人們所接受，例如智能測控器、智能測溫測濕機等，其中，智能測控系統的出現為人們的生活帶來了極大的便利和滿足感。

1.3 精準灌溉控制策略

根據上述的水肥藥精準灌溉控制系統的控制對象，結合物聯網技術提出以下智能灌溉控制策略。1）基于物聯網的“智慧農業”灌溉控制系統。該系統通過對農作物生長環境的實時監測，實現對作物的合理澆灌。在保證不影響正常施肥的情況下，盡可能減少浪費和提高效率[2]。2）基于藍牙的無線傳感器網絡的精準灌溉控制系統。該系統利用藍牙傳輸協議，在一定距離范圍內可以將待測的數據傳回上位機，并進行處理，以確保測量的精度和穩定性。同時也可將采集到的信息傳回上位機，以便及時發現問題，采取相應的解決措施。3）基于物聯網的“云菜屋”的精準灌溉控制系統。該系統的核心是微控制器，它包括了溫度、濕度、光照度等模塊以及微噴器的驅動電路。當檢測到的信號被發送到微噴器時，微噴器就會自動工作，并發出指令，完成整個過程。

2 基于5G物聯網背景下精準水肥藥一體化灌溉控制系統需求分析

2.1 發展現狀及問題分析

目前，我國精準農業生產的發展還處于初級階段，主要包括以下幾個方面：1）灌溉方式落后，傳統灌溉模式依然占據主導地位。在現代科技的推動下，通過先進的科學技術和自動化設備可以實現對農作物的智能化管理，從而提高水資源的利用率，減少人力物力的浪費;2）由于水肥一體化系統的應用范圍不斷擴大，因此需要對其進行更加精細地控制和調節，才能滿足現代化的需求;3）隨著計算機技術的飛速進步，在精準灌溉過程中，采用計算機網絡通信技術，能夠有效地解決以往的問題并為后續的精確施肥提供參考依據。同時還能將各種傳感器的數據傳輸至上位機，以便實時監控和處理。但就目前來看，國內對于這一領域的研究較少，且精度較低，無法達到預期的效果;而國外的一些發達國家，如美國、日本等，已經基本完成了對水肥一體化控制系統的研發與設計，并已投入實際的使用當中[3]。

2.2 系統目標

基于物聯網技術的精準一體化灌溉控制系統是一種智能養魚的系統工程，它主要包括水箱、傳感器、壓力控制器和調節器等部分[4]。通過對水箱的檢測與分析，結合PID控制算法對水箱的實時狀態進行自動調整，使其能夠根據不同的水質和水量的變化而做出相應的處理動作。該系統的目標是實現對養殖池的實時監控，在保證水位穩定的情況下，減少人工用水的浪費并提高水資源利用率。本設計的目的是為水產的生產提供更加安全可靠的環境保障。該系統的核心在于微機的應用及發展，它將微機與計算機相結合，以微機為控制中心，使其具有較高的可靠性和穩定性，并能完成數據的采集以及傳輸，同時還可以將所測得的信息傳輸給電腦，以便于管理人員的觀察及決策。

2.3 系統設計的主要原則

1）可靠性。在系統設計中，要充分考慮其對設備的影響和運行的穩定性、靈活性，在系統的軟件和硬件的選擇上，要盡可能地采用成熟的產品技術，以保證其質量。2）易維護性。系統的使用環境要求良好，便于后期的升級與擴展，并盡量減少故障的發生概率。同時，也要避免由于頻繁的操作而導致的麻煩;系統的軟硬件配置也應具有可擴充的功能及方便的管理方法。3）先進性、易開發及兼容性好。本設計的水肥藥智能施肥控制系統在研發過程中，選用了最新的科技成果，并且能夠實現對施藥量的精確控制，使系統更加實用與穩定[5]。該控制系統的核心是微控制器，所以該控制系統的各個模塊都能正常工作，且能滿足所需的性能指標。

2.4 灌溉控制方法

通過上述分析和比較，可以看出，基于物聯網技術的智能灌溉控制系統具有較高的實用性和可靠性。在農業生產中，傳統灌溉模式已經不能滿足當前的需求和發展，所以需要對現有的灌溉方式進行創新，以提高水資源利用率，節約用水，實現高效節水。根據作物的生長特點，結合農作物的實際情況，提出以下幾種方法來實施滴灌。1）滴灌系統。在滴灌的過程中，將土壤濕度保持在一定范圍內，然后將其輸送到相應的管道中，最后由泵把水量輸送給指定的設備并完成循環。該方案主要是依靠微噴器來控制，并且使用了先進的自動控制技術，使整個流程更加自動化，同時也大大降低了成本。2）噴淋裝置。噴淋器是一種采用高壓電來驅動的噴頭，從而使液體從水中噴出，達到凈化的目的。而當液面低于所設定的值時，則由泵把液面的壓力傳遞給對應的設備并排出[6]。

3 基于5G物聯網背景下精準水肥藥一體化灌溉控制系統設計

3.1 灌溉控制管理

由于智能管理技術的應用使得水肥一體化灌溉系統更加高效，因此，在實際操作過程中，可以通過對設備進行優化，使其能夠滿足生產需求。具體方法如下：

1）在灌溉的開始階段，需要對水的流量和濕度等因素充分考慮，并將其作為一個重要的參考指標，然后根據這些數據來確定相應的閥門開閉的時間和間隔，從而達到有效調節水量的目的;2）當檢測到的水分超過設定的閥值時，就會發出警報，同時啟動報警裝置，并采取適當的措施來控制水位的下降;3）當監測到的溫度低于設置的上限值時，就會自動打開抽氣閥，抽氣的作用是讓管道內的壓力降低，使之保持恒定，這樣就能實現自動化的灌溉[7]。

3.2 傳感器節點與主電路

傳感器節點與主電路之間采用HC-SR04模塊，HC-SR04是一種可編程的傳感器芯片，它可以通過對單片機輸出的PWM波來控制電機的轉速和方向。HC-SR04的主要功能是檢測是否啟動水的開關信號，當水位低于設定的值時，蜂鳴器發出警報，同時將數據傳輸給單片機，然后單片機根據程序進行處理，最后將報警信息發送給相應的繼電器，從而實現對水的實時管理。在實際操作中，需要在系統中加入一個按鍵用來設置不同的模式和時間，當用戶使用的是手動模式或者自動模式時，就會有對應的鍵值，如果不存在，則直接默認為1，否則就會被強制執行，不允許再次按下，這樣做的目的在于防止因人為因素導致的誤動作，避免出現誤報現象。在本設計中，為了方便測試，我們選擇了兩個獨立的I/00 ，其中有三個1/0口分別用于顯示當前的狀態以及輸入的參數[8]。

3.3 遠程控制

智能噴施測控系統具有遠程控制的功能特點，在農作物的生長過程中，可以實現對其進行實時監控和管理。

在農業生產中，農戶可通過手機或電腦等設備隨時隨地地對農藥的使用情況、施肥量等參數的變化信息及時獲取與反饋，并根據所獲得的數據來調整相應的灌溉時間和施肥量，從而保證作物的高產穩產。目前，我國大部分的養殖場都安裝了計算機，但由于成本較高，普及程度較低，大多數農戶都沒有購買相關的軟件或硬件。因此，本設計的遠程控制主要是針對該體系的運行狀況，如：當土溫低于設定值時，自動打開水泵，將土壤濕度傳感器檢測到的信號輸入單片機，單片機發出指令給電機，使其啟動抽水泵，并同時發送報警短信。當溫度達到預設值，則停止抽水，待澆水量充足后，再開啟噴灑裝置，待水量充足后，再灌溉至指定的區域內[9]。

3.4 通信接口

對于數據的傳輸和處理，需要采用多模光纖，多模光纖具有較好的抗干擾性，同時也可以保證信號的質量和可靠性，因此在進行信息采集時，多模光纖是必不可少的選擇器件。

在農業生產過程中，不同作物的生長狀態會產生不一樣的土壤濕度情況，而這些都會影響農作物的生長狀況，所以在對農田灌溉的時候要根據具體的環境來調整澆水的時間以及水量的大小，以滿足實際需求。本系統的通信接口主要是由兩部分組成，分別為上位機與下位機的通訊模塊。其中，上位機的通信方式為串行口，它負責與PC端之間的通信;下位機的通信方式為光導儀，它將接收的實時溫度、壓力、光照強度等傳送給上位機上，并將其顯示出來，并通過串口把程序下載到單片機電路上，再將計算的值與之前的值做比較，從而判斷是否應該增加或減少相應的灌溉時間。

3.5 硬件電路

本系統的硬件部分由單片機、傳感器模塊、繼電器控制電路和電機驅動電路組成。其中，單片機是整個系統的核心部件，它提供了CPU和外設一的各種功能，通過對程序的編寫來實現對數據的處理并將其顯示在液晶屏上。

本設計的主要工作原理為：首先，在上位PC端設置好相應的參數值，然后將采集的信息發送給中央處理器，再由中央處理器根據設定的參數值進行分析，判斷是否需要啟動水泵，如果不需要，就可以關閉水泵，從而達到高效灌溉的目的;其次，當檢測到的實時濕度超過預設的閥值，則開始執行報警，并發出聲光提示，提醒農民及時發現水源中的污染物質，最后利用PWM脈沖輸出正弦交流電，來調節繼電橋的通斷，使其正常運行。

3.6 實驗參數設置

數據采集是精準灌溉控制系統的關鍵環節，在系統運行過程中，需要對傳感器的工作狀態進行實時檢測，并根據監測到的信息對相應的閥門和水箱的開關信號做出調整。在本項目中，主要通過以下幾點來實現對不同作物的智能施肥。

1）施肥間隔時間的設定：本節只考慮了土壤濕度、光照度等因素，而不涉及其他環境條件。因此，可以將農作物的施肥周期設置為10天，而不包括溫度、壓力等。同時，還可將農作物的生長情況與肥料的配比關系作為調節變量。2）噴滴距離的設置：為了保證噴滴器的穩定性和可靠性，應盡量選擇較近的噴滴器以便于控制。但由于實際操作中，受天氣影響較大，容易出現故障，所以應注意。此外，還應盡可能減少使用輔助裝置。3）施藥量的確定：在試驗前，要先了解所測的土體的含水量，然后再計算出所需的灌量，最后再把灌好的土樣裝入容器內。

4 結束語

本項目在智能供應鏈管理的基礎上，結合物聯網技術，實現對農產品的精準施肥。通過物聯網采集和處理數據，進行優化組合，從而達到提高效率的目的。同時，還可以根據不同作物的生長規律選擇合適的肥料品種，以滿足農作物的需求。最后，還可將整個過程的信息反饋給用戶，以便于及時調整灌溉方式。

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