基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田滴灌遠程控制系統(tǒng)的研發(fā)*

胡天讓

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 武威 733006）

近年來，由于氣候變化和人類活動，河西地區(qū)可利用地表水資源數(shù)量急劇減少，產(chǎn)生土壤次生鹽堿化、河道徑流減少和地下水位下降等問題。從而導致大量農(nóng)田、林地和草場不同程度的退化，嚴重制約著該地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高。因此，為有效節(jié)約水資源，應重點關(guān)注農(nóng)業(yè)用水。而農(nóng)田滴灌是最有效的節(jié)水灌溉方式之一，對水資源的利用效率極高，可以達到 95%左右[1]。目前，農(nóng)田滴灌雖然廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有效實現(xiàn)了對農(nóng)田的節(jié)水灌溉，但智能化程度低，人力資源浪費嚴重。基于此，課題組結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)滴灌遠程控制系統(tǒng)，以有效解決當?shù)厮Y源稀少的問題，提高農(nóng)業(yè)水資源利用率，促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、生態(tài)恢復保護、農(nóng)民脫貧致富。

1 滴灌系統(tǒng)開關(guān)環(huán)境及檢測因素確定

1.1 滴灌系統(tǒng)開關(guān)環(huán)境

課題組基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行農(nóng)田滴灌系統(tǒng)服務器端設計，主要利用Friendly ARM H43作為系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)Web服務和智能灌溉網(wǎng)關(guān)的設計。其中，F(xiàn)riendly ARM作為一體化平臺，具備低功耗、高性能等優(yōu)點，可以利用虛擬技術(shù)將嵌入式操作系統(tǒng)移植到平臺當中，形成用戶界面。同時，服務器端系統(tǒng)的環(huán)境設計主要完成了Linux內(nèi)核與UBOOT的變異，并將內(nèi)核燒寫到開發(fā)平臺上。數(shù)據(jù)采集端設計離不開ZigBee技術(shù)，其實現(xiàn)了無線傳感器的網(wǎng)絡通信服務，并進一步滿足了ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議以及ⅠEEE 802.0.4技術(shù)標準等方面的需求。此外，無線傳感器網(wǎng)絡的低功耗特點，不僅可以承載較小數(shù)據(jù)流量的業(yè)務，還能夠充分滿足對農(nóng)作物生長環(huán)境的基礎系統(tǒng)采集以及數(shù)據(jù)的快速傳輸，最后搭配合適的路由器，實現(xiàn)對采集范圍的擴大。

1.2 檢測因素的確定

1）溫度和濕度。土壤溫度與土壤濕度作為影響作物生長和灌溉的最主要因素，首先被確定為系統(tǒng)檢測因素。2）光照強度。光照對作物的蒸騰作用具有一定影響，如果夏季光照強烈時灌溉，將導致作物出現(xiàn)“生理干旱”，對作物生長造成較大影響，因此將光照強度作為一個重要檢測因素。3）灌溉水壓。受到泵站供水、地形起伏和局部水頭損失等因素的影響，灌溉水壓會發(fā)生一定變化。而水壓又會對滴灌帶壽命、滴灌穩(wěn)定性和自動施肥器工作造成影響，因此將水壓作為系統(tǒng)灌溉過程中的一個重要控制因素。4）滴灌帶水流。滴灌帶水流大小檢測主要用于對滴灌帶堵塞情況的控制。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田滴灌遠程控制系統(tǒng)的總體設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

農(nóng)田滴灌遠程控制系統(tǒng)運行時將受到環(huán)境變化干擾、通信能力不可控、芯片處理能力受限等因素的影響。因此，在設計時需要充分考慮系統(tǒng)的功能、通信能力、數(shù)據(jù)完整性、處理能力以及供電能力等方面的可靠性，增強系統(tǒng)的容錯能力，保證系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運行。控制界面設計應簡潔大方、操作簡單，方便用戶使用。系統(tǒng)研究時，應重點解決以下問題：運用傳感器模塊對農(nóng)田數(shù)據(jù)的采集、無線模塊的運用、觸摸屏界面與手機App客戶端的開發(fā)、模糊控制研究以及控制程序的設計與開發(fā)等。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出的一種農(nóng)田滴灌遠程控制系統(tǒng)，主要由太陽能光伏板、傳感器模塊、無線傳輸模塊、手機App和上位機、PLC控制模塊等多個部分組成，具體如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田滴灌遠程控制系統(tǒng)框架示意圖

2.2 系統(tǒng)主要功能模塊設計

2.2.1監(jiān)控模塊設計

系統(tǒng)監(jiān)控模塊設計，主要通過上位機軟件與云服務器系統(tǒng)兩者進行連接，從而將現(xiàn)場數(shù)據(jù)一起同步到云服務器當中。這時，可以利用微軟系統(tǒng)和安卓系統(tǒng)將對應的監(jiān)控軟件安裝到PC和手機上，用戶只需要在設備上登錄到云服務器當中，就能夠通過監(jiān)控軟件對農(nóng)田現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，如土壤濕度、溫度、光照強度以及滴灌時間和電磁閥狀態(tài)[2]。

2.2.2傳感器選擇

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田滴灌遠程控制系統(tǒng)的傳感器設計，主要分為光照、溫濕度以及水流量等傳感器和壓力變送器等方面。首先，光照傳感器的設計選擇MAX4409型號環(huán)境光傳感器為主[3]。其次，溫濕度傳感器的設計主要選擇瑞士生產(chǎn)的SHT20型號數(shù)字式傳感器，此傳感器具備I2C總線接口、低功耗等優(yōu)點，能夠?qū)⑾到y(tǒng)監(jiān)測的結(jié)果直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號輸出。再次，壓力變送器的設計以通用型壓力變送器為主，它不僅能夠滿足RTU協(xié)議的標準，還能夠?qū)崿F(xiàn)0~0.6 MPa范圍測試。最后，水流量傳感器的設計，以YF-S201型號的流量傳感器為主以實現(xiàn)農(nóng)田水流量傳感器的設計，同時此傳感器具備耐水壓能力。電磁閥的選擇以DC12V4分常電磁閥為主，實現(xiàn)了對農(nóng)田滴灌系統(tǒng)的灌溉的啟停控制。

2.2.3無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設計

針對無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計，選擇利用具有超低功耗和透傳能力的跨陣M4物聯(lián)網(wǎng)模塊所裝配的WiFi模塊，為物聯(lián)網(wǎng)應用和手機App應用提供基礎依據(jù)。而該模塊通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)通信，當模塊向軟件發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)時，只需要利用TCP連接就能夠進行數(shù)據(jù)傳輸，并對物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)田滴灌系統(tǒng)進行遠程控制操作[4]。

2.3 手機App設計

針對手機遠程控制App設計，主要通過安裝平臺利用Java語言開發(fā)而成，并利用無線透傳方式實現(xiàn)農(nóng)田間的設備與用戶手中的遠程控制App之間的數(shù)據(jù)通信。當App接收到關(guān)于農(nóng)田的數(shù)據(jù)后，可以通過對設備定時的方式下達相應的任務，這樣一來就能夠在固定的時間實現(xiàn)對農(nóng)田灌溉的工作。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用，在為App提供良好的體驗時，還能夠讓用戶隨時隨地通過App進入云端平臺查看與分析農(nóng)田智能設備的數(shù)據(jù)，并將土壤濕度數(shù)據(jù)和水位情況實時上傳到上位機顯示界面上[5]。而App的設計，還為用戶提供了遠程控制農(nóng)田中電磁閥的啟停的功能，實現(xiàn)了農(nóng)田排水與灌溉。

2.4 硬件設計

節(jié)點作為物聯(lián)網(wǎng)傳感層當中的一項基本組成單元，具有信息傳輸功能和環(huán)境感知功能。可以借助不同類型的傳感器實現(xiàn)實時采集周圍環(huán)境的狀態(tài)信息，還能夠控制農(nóng)田自動化灌溉。而節(jié)點硬件的設計以微處理器為核心，通過采集傳感器采集數(shù)據(jù)，并將其反饋到遠程服務器上。同時，節(jié)點的設計主要具備供電電路、擴展電路、無線通信模塊、控制電路以及傳感器信號轉(zhuǎn)換電路等功能。而網(wǎng)關(guān)的設計主要承擔了人機交互功能、數(shù)據(jù)信息傳輸以及邏輯控制等，以模塊化結(jié)構(gòu)設計的網(wǎng)關(guān)硬件，實現(xiàn)對復雜情況的處理。如在某個全面覆蓋4G網(wǎng)絡的農(nóng)田當中，利用4G網(wǎng)絡通信模塊，可以實現(xiàn)對農(nóng)田的遠程控制滴灌操作。

3 模糊控制智能算法研究

3.1 模糊控制設計

傳統(tǒng)農(nóng)田滴灌系統(tǒng)，主要通過人為手動控制電磁閥的啟停，缺少了對農(nóng)田滴灌用水的精準控制。而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計的農(nóng)田智能滴灌遠程控制系統(tǒng)，通過上位機、App移動端就能夠?qū)崟r監(jiān)控農(nóng)田現(xiàn)場的情況，然后結(jié)合反饋得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行智能算法研究，再精準地調(diào)整農(nóng)田滴灌控制系統(tǒng)的輸出，達到高質(zhì)量、精準的灌溉狀態(tài)。但由于當前大部分算法是通過數(shù)據(jù)模型構(gòu)建而成的，只要滴灌系統(tǒng)進行農(nóng)業(yè)灌溉，就會發(fā)生不確定性與滯后性等問題。所以，課題組提出的模糊控制智能算法，并不需要構(gòu)建精準的數(shù)據(jù)模型，而是利用專家經(jīng)驗與專業(yè)知識設計的一款模糊控制器，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。此模糊控制器可以通過模仿人類的思維方式提供決策。而在現(xiàn)有的農(nóng)田滴灌遠程控制中，只能對輸入土壤濕度為模塊控制的輸入量進行控制。但對于農(nóng)作物的生長以及是否缺水情況的判斷，既需要充分地考慮當前土壤濕度問題，又需要充分考慮土壤自身受到的降雨量、滲漏量以及蒸騰量等方面的影響。所以，課題組提出的模糊控制器，融合了土壤濕度與土壤濕度變化率等數(shù)據(jù)為輸入量。通過構(gòu)建二維模型控制器，實現(xiàn)了對農(nóng)田的智能滴灌[6-8]。

圖2 模糊控制流程示意圖

3.2 模糊控制實現(xiàn)

利用MATLAB 2018部署工具[9]，為模糊控制器提供了相應的組件與函數(shù)，借助函數(shù)和組件的向?qū)Ь幊蹋瑢崿F(xiàn)了對農(nóng)田智能滴灌模糊控制智能算法的設計。同時，利用部署工具將智能算法打包成文件庫，并生產(chǎn)對應的程序集，然后結(jié)合上位機軟件上接口，可以實現(xiàn)外部互聯(lián)。通過將土壤濕度傳感器所傳輸?shù)默F(xiàn)場數(shù)據(jù)和智能算法兩者結(jié)合，可以計算出需要對農(nóng)田滴灌的時間，并向系統(tǒng)發(fā)出準確的滴灌指令。

3.3 上位機與下位機模塊設計

3.3.1上位機模塊設計

針對上位機模塊的設計，主要由PC機和臺式機兩個部分組成。其中，上位機的設計，通過配置農(nóng)田滴灌參數(shù)，可以遠程操作發(fā)送施肥命令和農(nóng)田灌溉命令。同時，借助上位機的顯示器，可以實時對農(nóng)田灌溉的情況以及環(huán)境變化參數(shù)信息進行監(jiān)控，借助設定的標準初始值，搭配模糊邏輯規(guī)制，實現(xiàn)了對控制命令的計算。針對控制系統(tǒng)的設計主要由兩個部分構(gòu)成：MySQL數(shù)據(jù)庫和Java編程語言，實現(xiàn)了對前端顯示功能以及后端邏輯控制功能的設計。針對農(nóng)田遠程控制系統(tǒng)的上位機設計，課題組選擇利用WinCC Flexible 2008組態(tài)軟件，實現(xiàn)了上位機控制界面的設計。而上位機設計，一方面實現(xiàn)了對傳感器節(jié)點所上傳的數(shù)據(jù)進行實時記錄和顯示，另一方面實現(xiàn)了不同類型傳感器與系統(tǒng)中設定的值進行對比分析，可以對農(nóng)田的信息與智能滴灌系統(tǒng)是否正常運行進行判斷，為后續(xù)工作提供相應決策支持。上位機軟件部分設計主要包含了控制模塊、參數(shù)設定模塊、網(wǎng)絡通信模塊以及人機交互模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊、查詢模塊等六個部分。通信模塊的設計，實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡的建設以及對不同類型的信息進行傳輸、控制命令接收與發(fā)送、協(xié)議修訂，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)傳輸提供了保障。參數(shù)設定模塊設計，借助上位機界面顯示屏，可以實現(xiàn)對溫度標準參數(shù)、濕度參數(shù)以及EC和pH等指標進行設定，并可以根據(jù)農(nóng)田中不同節(jié)點農(nóng)作物的生長環(huán)境需求，對參數(shù)的上限值或者下限值進行調(diào)整。

3.3.2下位機模塊設計

下位機作為執(zhí)行端，針對該模塊的設計可以選擇利用單片機來實現(xiàn)相關(guān)功能，如利用AT89C51型號的單片機，這樣既可以有效節(jié)約成本，還能夠滿足不同功能需求。傳感器的應用實現(xiàn)了對農(nóng)田周圍環(huán)境信息的采集與傳輸，利用編碼器可以對所采集的信息進行編號處理和多點控制，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，最后在執(zhí)行端的LED顯示屏幕上進行顯示。這樣既充分保障了相關(guān)數(shù)據(jù)信息的實時更新，還能夠同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C的顯示界面上，并將對應數(shù)據(jù)存儲保存在云端數(shù)據(jù)庫與MySQL數(shù)據(jù)庫當中。同時，除去單片機的應用，還需要在下位機（執(zhí)行端）上接入多種類型的外圍設備，比如光照傳感器設備、無線網(wǎng)絡通信模塊設備、電源模塊、電磁閥、LED顯示器、溫度濕度傳感器等設備，以此構(gòu)建完整的下位機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對農(nóng)田的智能化遠程滴灌。本系統(tǒng)設計主要通過遠程自動控制方式和手動控制模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，所以通過上位機界面窗口顯示與其他硬件設計能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)田的溫度、濕度以及光照情況、灌溉水壓等方面進行設定與控制，達到農(nóng)田精準灌溉的目的[10]。

4 實驗結(jié)果分析

為了進一步驗證課題組設計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田滴灌遠程控制系統(tǒng)在實際應用中的可行性，結(jié)合某個地區(qū)的農(nóng)田灌溉對此遠程控制系統(tǒng)進行測試分析，并分別從ZigBee子節(jié)點、系統(tǒng)客戶端、服務器數(shù)據(jù)通信以及無線傳感網(wǎng)絡等多個方面展開了相應的實驗。最后，經(jīng)過多次反復測試、調(diào)試工作之后，證明了該農(nóng)田滴灌遠程控制系統(tǒng)在實際應用過程當中能夠保持正常運行，并且可以滿足不同類型環(huán)境的需求，尤其是針對花園、溫室蔬菜大棚等封閉的環(huán)境，本系統(tǒng)的應用既可以有效降低人力成本，還能夠充分滿足農(nóng)田區(qū)域化的灌溉需要。

5 結(jié)語

綜上所述，我國的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)在現(xiàn)代化水平上雖然取得了很大的進展，但相較于發(fā)達國家仍有差距。研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田滴灌遠程控制系統(tǒng)設計，從農(nóng)業(yè)傳感器、無線通信網(wǎng)絡和智能控制技術(shù)三個方面對現(xiàn)有滴灌控制系統(tǒng)進行改良。并通過在農(nóng)田中安裝滴灌控制傳感器節(jié)點和無線傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)了對農(nóng)田環(huán)境參數(shù)信息的采集，并為農(nóng)田滴灌智能控制提供了相應的基礎支持。而智能控制技術(shù)在農(nóng)田滴灌系統(tǒng)中的應用，實現(xiàn)了對農(nóng)田中的電磁閥啟停控制以及節(jié)水灌溉任務，從而保障了農(nóng)作物能夠時刻在適宜的環(huán)境中生長，推動了農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收，實現(xiàn)了智能化精準農(nóng)業(yè)。因此，本系統(tǒng)的設計具有一定的應用前景。