基于物聯網技術的智能農業灌溉系統

李昊，岳譚，孫想成，李港，吳全恒，陶啟宏

（蚌埠學院 計算機與信息工程學院，安徽蚌埠，233000）

0 引言

基于物聯網和開源的硬件和軟件結合的概念，已經研究出了各種傳感系統和監測系統。硬件系統的可用性和相對較低的成本,以及軟件組件的可移植性和易用性,允許使用更多的潛在用戶，之前無法實現的傳感技術和實時監控技術，現在都可以加以實現。電子監控的進步和不斷發展的蜂窩通信技術越來越多地為遠程監控提供了非常多、較為便捷且價格便宜的選擇。然而，由于2G 和3G 蜂窩網絡服務沒用太久就將停止，大量已經有的監測系統將需要新的完善與構造，以在替代蜂窩網絡上運行。開發了一種土壤濕度監測系統，包括更新的開源Arduino Stdio 微控制器和最近引入的LTE Cat-M1 蜂窩網絡，通過蜂窩網絡傳輸傳感器測量數據，以訪問互聯網網站。該監控系統的電子電路建設成本約為1500 元，蜂窩網絡接入和數據傳輸成本為每月不到10 元的優勢的物聯網技術，以進行精確的土壤墑情檢測和需水量預測為核心，進行了智慧節水灌溉。

1 智能農業灌溉系統設計

1.1 硬件結構設計

利用了物聯網應用技術系統的硬件構成進行設計，如圖1 所示。耕地里配了主控制單元STM32 單片機處理裝置，依賴于發電裝置系統提供電源和重置的功能。GSM/4G 系統和以太網形成了相對完備的農業生產與灌溉網絡系統。主控單元包括電磁閥門、傳感變頻器等傳感器，通過土壤溫濕度裝置傳感器將所收集的土壤數據發送到信號處理與收發機之中，數據在信息平臺處理后再發送到現場的管理單位STM32，移動端可以到現場智能的調節平臺進行完整的多功能智能的灌溉操作。

圖1 智能農業灌溉系統硬件結構圖

1.2 模塊設計

(1)邊緣計算模塊

邊緣分析和數據處理、灌溉條件計算、數據分析、電機工作功率確定后，自動啟動電機開始工作。

(2)儲水裝置管理模塊

蓄水管理系統主要負責灌溉雨水等，利用水的保存儲蓄。

(3)農田狀況監測模塊

農田狀況監測系統主要監測農田青菜的生長狀況，判斷是否需要灌溉，以及需要多少灌溉。例如土壤溫濕度、農作物生長狀態 、光照強度等。

(4)自動灌溉管理模塊

自動灌溉管理系統主要是由監控模塊傳輸的數據，與不同農作物的習性數據進行比較，自行判斷是否需要灌溉。

(5)用戶平臺管理模塊

用戶管理平臺可以方便用戶管理灌溉系統，根據農戶的經驗自主操作灌溉，并方便監控自動灌溉作業。

(6)錯誤提示信息模塊

故障反饋模塊檢測每個設備的操作狀態是否出現異常，并在裝置系統出現故障時通知用戶并采取緊急措施。

(7)串口通信模塊

無線發送和接收模塊將收集的數據發送到云層備份，接收結果，然后與每個模塊工作。

物聯網智能灌溉系統的模塊功能框架如圖2 所示。

圖2 物聯網智能灌溉系統的模塊功能框架圖

1.3 軟件設計

為確保參數變化能符合實際情況，實際土壤含水量IN1是通過實時監測得到的。然后針對不同的作物情況，結合大數據分析確定最佳的土壤含水量IN2；計算出在各種情況下的誤差和變量后，從而編寫出一個微控制器程序來管理硬件電路的所有傳感器測量、數據傳輸和電源管理功能。該程序是使用開源的Arduino IDE 編寫的，它從Arduino 項目下載并安裝在個人電腦上。該程序運行開始說明包括程序模塊包含與硬件設備接口的例程（庫），包括蜂窩調制解調器和微控制器的內部實時時鐘。這些設備初始化之后，配置了程序變量和輸入/輸出引腳。此外,還必須充分考慮土壤溫度、濕度等關鍵因素,來判斷是否需要啟用智能農田灌溉系統。而物聯網的智慧農田灌溉系統核心控制算法流程,如圖3 所顯示。

圖3 物聯網智能灌溉系統核心控制算法流程圖

1.4 系統技術路線

技術路線在對農業種植進行深入調查之后，在現有的基礎上，初步設計農業灌溉管理系統。系統面向大型農業種植體系，數字化管理農業種植，合理取消傳統用水漫灌的方式，改為區域噴灌，提高水的利用率，大大節省了水資源。用戶可以在終端端查看農田狀態，遠程操控灌溉農田。

例如在農田系統中種植低矮農作物，將溫濕度傳感器設置在低矮農作物生長環境周圍，每隔五米設置一個傳感器并將傳感器埋入低矮農作物根部附近距離地面50cm 處，實時監測土壤的數據并進行分析；在農田周圍空曠處設置兩個光敏電阻傳感器，來判斷光照強弱來判斷低矮農作物代謝狀態分析是否需要補水；在農田中每隔十米布置一個噴水裝置，噴水頭可根據電動機工作功率的改變而改變其噴水距離的遠近和水量的多少。如模型示意圖4、5 所示。

圖4 模型示意圖

圖5 模型示意圖

系統中采用硅濕敏電阻作為檢測土壤濕度傳感器，在農田中每隔5 米設置一個傳感器，通過檢測不同區域土壤的濕度判斷該區域的農作物是否缺水，從而對缺水的區域定點灌溉，避免水資源的浪費；在農田兩端設置光照傳感器，判斷光的強弱，當判斷光照強烈時無論土壤干燥與否，都不進行灌溉，避免因在灌溉農田時光照過強而燒死農作物。并采用兩套溫濕度傳感器，一套置于土壤中用于檢測土壤溫濕度，控制灌溉程度；另一套置于地面上用于檢測空氣中的濕度，判斷是否降雨，從而避免降雨前的灌溉造成資源的浪費。

1.5 系統功能設計

1.5.1 溫室環境實時監控

土壤水分監測系統開發在本研究中部署在農業領域種植在農業部的農業研究服務，由生長季節監測水分的條件來確定灌溉的時間應用程序。在每個部署位置，土壤濕度傳感器安裝在四個深度；土壤表面以下1、2、3 和4 英尺（約30、60、90 和120 厘米）。木樁被推到傳感器附近的土壤中，并在離土壤表面約20 厘米高的木樁上安裝了一個防風雨的塑料外殼。傳感器導線通過彈簧端子塊被連接到監測系統電路板上，電池被連接到電路上，完成的監測電路被放置在防風雨外殼內。

1.5.2 異常報警

在數據傳輸成功后，該程序終止了互聯網和蜂窩數據服務。微控制器的內部實時時鐘被重置，并指定下一次測量時間，并使微控制器、傳感器電路和蜂窩調制解調器進入低功耗睡眠模式。該電路保持在低功耗模式，直到下一次測量時間，間隔兩小時，當發出內部報警時，微控制器被喚醒。設施通電，并進行重復測量和數據傳輸的過程。

1.5.3 遠程自動化控制

提供移動客戶端。采用了遠程自動控制,使用者便能通過手機遠程管理溫室設備。該控制系統還能夠自定義規則,以進行對溫室設備的智能化管理,例如在土壤溫度和濕度過低時,溫室的農田灌溉系統便會自動澆水。

1.5.4 歷史數據分析

特定時期的環境信息能夠在不同的環境下實現分類、對比和檢索。系統提供列表與圖標兩個檢索方式,讓使用者更直接的掌握歷史數據。本系統對農作物生產信息進行了統一的數據模型,利用信息統計分析、數據挖掘等手段對信息做出合理的分類,從而更有利于農作物生長發育、合理增加糧食作物生產的指導信息。

2 面向智能灌溉的物聯網應用

本研究開發的土壤水分監測系統可作為開發其他遙感或控制系統的基礎。微控制，物聯網程序和蜂窩屏蔽的進展是服務于各種項目的基本組件，軟件庫和編程也有同樣的效果，如用于傳輸數據和低功耗睡眠模式，其程序已經編寫好，可以在其他應用程序中重用。廉價、可靠和準確的傳感器，設計為易于與可編程微控制器接口，并可能在農藝和環境監測、灌溉和用水等領域感興趣。更強大的微控制器的擴展能力為傳感器集成提供了更多的機會，由于更高的處理速度和增加的內存，數據收集和分析的復雜性，以及在電池供電下更長的無人值守操作時間。

3 結語

本文著重的講述了硬件結構、模塊設計、核心控制算法和技術路線，以及物聯網在農耕田地節水灌溉中的功能實現。在物聯網技術引用下構造的智能農耕灌溉系統，既能對農耕地的溫度濕度進行具體分析，也可以在系統中的傳感器將采集到的數據通過部署的物聯網節點傳送到本地終端設備，用戶終端設備在接收到數據后進行判斷處理，判斷農田的所需，將所得到的結果上傳到云端，農戶根據云端的結果，進行灌溉操作，實現智能灌溉；能夠對缺水區域定點灌溉節約水資源；對農田智能檢測，保證了農作物生長對水量需求提高農作物的質量。