農田智能節水灌溉遠程監測系統的設計與實現*

閆海蘭，尚坡利

（蘭州石化職業技術大學，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著高新技術的發展，農業灌溉模式由人工粗放灌溉逐漸向智能灌溉發展［1］。西方部分發達國家在農業智能灌溉方面的研究較早，農戶可以在家里清楚了解農田濕度情況，遠程實施灌溉，并利用高新技術精準確定灌溉時長［2］。我國是缺水農業大國，全國受旱耕地面積因水資源短缺逐年增大［3］。加之我國的農業智能灌溉技術起步較晚，因此目前我國大部分農田仍采用人工粗放灌溉方式，這種方式導致水資源浪費大、忽略了降雨量對土壤濕度的影響且勞動強度大［4-5］。為解決這些問題，國內引進了西方發達國家先進的農田智能灌溉控制系統，可是經使用發現該系統不僅成本高，而且無法適應本土農作物所需。因此，研發一種適應我國農田的智能灌溉控制系統是非常重要的。

土壤濕度傳感器采集的土壤濕度信息為農田智能灌溉控制系統提供了基礎數據，因此土壤濕度傳感器的型號及灌溉控制方法的選擇至關重要。傳統的灌溉控制方法為：當檢測的土壤濕度高于土壤濕度設定值的上限時，立即停止灌溉；當檢測的土壤濕度低于土壤濕度設定值的下限時，立即開啟灌溉。但是大部分農田是不平的，且農田不同區域及不同深度的土壤濕度也是不一樣的。因此，傳統的農田濕度控制方式很難全面準確地反應土壤濕度情況。一方面，將土壤濕度傳感器深埋，可防止頻繁性的灌溉，但有可能導致久旱才能灌溉或農作物旱死；另一方面，將土壤濕度傳感器淺埋，這種方式則有可能導致經常性的灌溉，浪費水資源。因此，土壤濕度傳感器的分布及土壤濕度控制方式需要采取更好的方式。

基于上述問題，本論述提出了一種農田智能節水灌溉遠程監測系統。在該系統中，傳感器均勻分布在農田種植環境中，傳感器采集農田濕度信息和雨量信息，并通過無線通訊模塊遠程傳送到集控中心。集控中心利用LabVIEW開發了可視化的軟件平臺，并將網頁上的天氣預報引入智能控制系統。最終根據天氣預報、土壤濕度信息及農作物在不同生長階段的根系長度自主決策灌溉，當傳感器檢測到的土壤濕度信息高于設定值上限時，適當延長灌溉時間，使水能夠滲透到農作物根部。該農田智能節水灌溉遠程監測系統節約了成本，達到了節水、優質、增產的效果。

1 農田智能節水灌溉系統整體設計

農田智能節水灌溉系統設計時應考慮：（1）誤差小。選擇的傳感器測量精度必須要高，且傳感器應均勻分布在農田中進行多點采樣，以防因農田不平導致傳感器檢測到的信息不正確。（2）易操作。系統操作界面設計應簡潔、友好、易操作，并且在界面上清晰地顯示生長階段、手動控制按鈕、土壤濕度信息等。（3）模塊化結構。系統應使用模塊化結構，這樣當農戶需求發生變化或系統需要升級換代時，只需將不同的模塊進行連接即可。（4）傳送效率高。傳感器應實時將土壤濕度信息遠程傳送到控制中心，方便農戶準確掌握土壤濕度信息，決定是否灌溉。

實地調研及綜合考慮，對農田智能節水灌溉控制系統進行了整體設計，系統總體設計方案如圖1所示。

圖1 農田智能節水灌溉系統總體架構

從圖1系統總體架構可知，該系統整體主要有2部分組成，分別為傳感器模塊和集控中心。傳感器模塊主要用于農田信息的采集與遠程傳輸；集控中心主要負責農田信息的顯示、灌溉方式的選擇及灌溉控制過程。傳感器模塊包括傳感器和無線傳輸模塊，由于本系統要測量農田濕度和降雨量信息，所以該系統將用到土壤濕度傳感器和雨量傳感器。考慮到農田不平，本系統將農田劃分成了4個區域，因此需要4個土壤濕度傳感器。無線傳輸模塊傳輸信息降低了成本、維修更方便。集控中心包括電磁閥、繼電器、PLC模塊、PC上位機等。電磁閥作為執行元件用于執行灌溉。PLC模塊作為控制器，輸入端口采集傳感器信號，執行程序并最終輸出到輸出端口進而驅動電磁閥實時灌溉。PC上位機界面上有手動控制灌溉按鈕、自動控制灌溉按鈕，且可顯示天氣預報信息、電磁閥狀態信息和土壤濕度信息，并在該界面上可以選擇農作物的生長階段來自主決策灌溉。

該系統整體的工作流程為：首先傳感器采集土壤濕度信息和降雨量信息，然后無線通信模塊將傳感器采集的這些信息遠程發送到集控中心的PC上位機上，最后農戶可以根據PC上位機界面上顯示的土壤濕度信息執行手動灌溉。農戶也可以選擇農作物目前處于的生長階段，根據天氣預報信息、土壤濕度信息和農作物的生長階段，當需要灌溉時，驅動電磁閥開啟灌溉，并根據農作物的生長階段，適當地延長灌溉時間，使水滲透到農作物的根部。這種方法避免了傳統灌溉控制方式造成的頻繁灌溉或土壤長期保持在較濕的環境中，使得農作物爛根或病蟲害侵蝕。因此，該系統中以時間為變量的控制方法可以達到節水、增產和優質等效果。

2 農田智能節水灌溉系統實現

2.1 系統硬件實現

農田智能節水灌溉控制系統性能優劣的關鍵主要取決于傳感器信號采集的準確性，因此本系統選擇的傳感器適用性強且精度高。經多次比較和反復實驗，最終本系統選擇了圖2所示的土壤濕度傳感器。該傳感器設計小巧，攜帶方便，安裝、操作和維護都比較簡單。它可直接埋入土壤中，不受腐蝕。它的主要參數為：工作溫度為：-40℃～80℃，測量精度為：讀數的3%（0%～53%時）、讀數的5%（53%～100%時），相應時間：<1 s，輸出信號為：RS485/4～20 mA/0～5 V/0～

圖2 土壤濕度傳感器

10 V。

本系統選擇圖3所示的雨量傳感器。該雨量傳感器體積小，安裝方便，傳輸距離長，抗干擾能力強，且底盤內部設有水平調節泡，可以輔助底角將設備調整到最佳水平度。它的主要參數為：工作環境溫度：-20℃～80℃，承雨口徑為：φ200 mm，雨量測量范圍為：≤8 mm/min，分辨率為：0.2 mm，誤差：±2%，輸出信號為：單干簧管通斷。

圖3 雨量傳感器

傳感器采集的信號若采用有線傳輸，則因布線問題工作量會大大增加，且傳輸距離將會受到限制。因此，本系統利用無線通信技術［6］實現了傳感器信號向PC上位機上的遠程傳輸。本系統選用的無線通訊模塊如圖4所示。該無線通訊模塊通過RS485接收傳感器信息，將該信息發送到GPRS網絡，通過網關進入Inter?net，最終將信息傳輸給上位機得以顯示。

圖4 數據傳輸圖

DTU參數的正確配置是保證數據可靠傳輸的基礎，DTU主要的參數配置命令有：（1）開機初始化。設備開機需要進行初始化，當初始化完成時輸出“AT Ready”。（2）串口參數配置。根據系統要求配置波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位等。（3）服務器配置。配置服務器連接方式，端口號及服務器地址。（4）SIM卡的號碼配置。根據SIM卡的號碼配置“AT+REVNUM”，當回應OK時表示配置完成。當所有的配置完成后，一定要重新啟動無線傳輸模塊，將傳感器信號發送到目前配置好的服務器上。

PLC接收PC上位機發出的信號，然后驅動電磁閥實施灌溉或停止灌溉。因此，控制器PLC是確保可靠灌溉的基礎。本系統最終選擇了西門子S7-200 SMART PLC，該PLC與傳統PLC相比，增加了一個以太網端口，PC上位機與PLC可實現以太網通信連接［7］。

2.2 系統軟件實現

農田智能節水灌溉系統的監測過程主要是由PC上位機完成的，設計友好、功能齊全的開發平臺有助于提高系統的監測性能。本系統選用LabVIEW軟件開發平臺，可以實現手動控制灌溉，也可以實現自動控制灌溉。該系統界面具體包括：灌溉控制單元、參數設置單元、天氣預報單元、實時監測單元，如圖5所示。

圖5 系統界面組成

實時監測單元可監測農田土壤濕度信息和電磁閥狀態，農戶可清楚知道目前是否處于灌溉狀態以及農田各區域的濕度情況。將網頁上當地的天氣預報引入農田智能節水灌溉控制系統，灌溉時查看3 d內是否有雨，若有雨則等待下雨，若無雨則灌溉。這樣避免了灌溉完成后馬上下雨的現象，減小了降雨量對農田智能的影響，節約了水資源。灌溉控制又分為手動灌溉控制和自動灌溉控制，手動灌溉控制即農戶根據界面上顯示的土壤濕度情況手動點擊按鈕實施灌溉，自動灌溉控制即根據天氣預報信息、土壤濕度信息和農作物的生長階段自主決策灌溉。

灌溉控制的流程如圖6所示。首先根據農作物目前所處的生長階段，在界面上對應選擇。然后判斷是手動灌溉還是自動灌溉，若是手動灌溉，則直接執行灌溉，若是自動灌溉，則先獲取土壤濕度信息，并與土壤濕度的設定值比較，判斷是否需要灌溉。若需要灌溉，則再判斷3 d內是否有雨。若有雨則等待下雨，且在等待下雨的過程中，判斷土壤濕度是否達到水脅迫下限。若土壤濕度達到水脅迫下限，則少量灌溉，解除水脅迫下限，然后再繼續等待下雨；若土壤濕度未達到水脅迫下限，則無需少量灌溉。下雨時，用雨量傳感器檢測降雨量，并執行灌溉。灌溉過程中，應根據農作物的生長周期適當延長灌溉時間，使水能夠滲透到農作物根部。

圖6 系統灌溉流程

在系統灌溉控制的編程過程中，PLC和LabVIEW都需要分配明確的地址。由于本系統將農田劃分成了4個區域，因此需要為4個手動控制開關和4個電磁閥分配地址，即PLC的IO信號各為4個。LabVIEW中既要實現手動灌溉控制又要實現自動灌溉控制，因此需要為遠程手動控制開關和自動控制開關分配地址，地址分配具體見表1所列。

表1 PLC地址分配表

LabVIEW中設計手動控制程序，如圖7所示。首先在前面板添加區域一、二、三、四的手動灌溉閥、灌溉指示燈。然后將它們的數據類型都修改為布爾型，且將手動灌溉閥設置為“寫入”狀態，灌溉指示燈設置為“讀取”狀態。最后在程序框圖中進行相應的連線。

圖7 手動灌溉程序圖

3 農田智能節水灌溉系統功能測試

首先對數據的正確性進行測試。傳感器采集到的信息的正確性對灌溉控制有直接影響。為防止傳感器采集的數據向PC機遠程傳輸時出現數據丟失或誤差，需要測試PC機界面上顯示的土壤濕度信息與土壤濕度傳感器采集的土壤濕度信息是否一致。本系統選用的濕度傳感器輸出信號為RS485型，可以通過RS485接口連接到電腦上，通過配置工具對傳感器進行配置。

將土壤濕度的監測值與實際測量值進行比較，當土壤濕度的監測值為68.1%時，實際測量值為66.8%；當土壤濕度的監測值為67.6%時，實際測量值為66.4%；當土壤濕度的監測值為64.6%時，實際測量值為63.8%。經多次測量發現，誤差都未超過2%。因此，數據采集的準確性較高，滿足系統要求。

本系統界面上不僅可以選擇生長階段，實時顯示各區域的土壤濕度值，還可以控制手動灌溉閥按鈕和相應的指示燈等。對該系統界面上的這些功能都進行了逐一測試，測試結果表明：本系統界面簡潔、友好，當按下某個區域的手動灌溉閥按鈕時，可手動實施灌溉，且對應的指示燈點亮；該系統也可根據生長階段、土壤濕度信息、天氣預報自主決策灌溉，測試界面如圖8所示。

圖8 系統測試

4 結束語

目前我國大部分農田仍采用人工粗放灌溉方式，這種方式導致水資源浪費大。本論述設計與實現了一種農田智能節水灌溉遠程監測系統。在該系統中，傳感器均勻分布在農田種植環境中，采集農田濕度信息和雨量信息，并通過無線通訊模塊遠程傳送到集控中心。集控中心利用LabVIEW開發了可視化的軟件平臺，并將網頁上的天氣預報引入智能控制系統。最終根據天氣預報、土壤濕度信息以及農作物在不同生長階段的根系長度自主決策灌溉，當傳感器檢測到的土壤濕度信息高于設定值上限時，適當延長灌溉時間，使水能夠滲透到農作物根部。同時對系統進行了測試，測試結果表明：數據采集的準確性較高，手動控制灌溉和自動控制灌溉都可按要求工作。