基于物聯網農業灌溉系統精準控制模型的研究

劉志龍,張淋江,朱富麗,劉統帥

(河南牧業經濟學院,鄭州 450046)

0 引言

從國內外的調研情況來看,國外的灌溉技術較我國起步早,加之一些信息化手段的率先引用,可方便、高效地實現灌溉精準與科學節能;但是,我國一些高等院校已然正在加大關于智能灌溉與精準灌溉的指標投入。

從物聯網的技術平臺與技術應用來看,物聯網是實現物與物、物與人之間自動化信息共享與數據互通的集成性系統,其主要依賴專業化的灌溉控制與執行組件,通過對氣象參數進行獲取解析,運用傳感轉換裝置進行灌溉決策的合理化動作輸出。當前,我國的灌溉系統存在節水效果差、灌溉不夠均勻等問題,故盡快研制開發系統精準、運行穩定的灌溉裝備意義重大。

1 農業灌溉系統概述

農業灌溉系統是一種集成程度高、控制能力強的農作物自動灌溉設備,近年來隨著控制裝備的不斷應用,逐步呈現出精準化控制要求的趨勢。通常而言,傳統的農作物種植培養多以經驗感知為主,并結合量化的干旱指數。表1為我國農作物干旱指數衡量系數參照列表。其中,農田的土壤含水率參數對于農田實施灌溉決策有重要影響,當測得干旱指數大于5時,應當開啟智能灌溉系統。

表1 農作物干旱指數衡量系參照列表

對于不同的農作物培養對象,其灌溉要求不盡相同,但均是一種全套的控制配套設施,即通過在田間節點設置一定的采集儀器,經通信組件將土壤墑情信息數據合理轉化后進行灌溉控制中心,處理后進行有效的灌溉指令輸出,有些地區還增設了智能終端數據輸入功能。圖1為用于農業灌溉系統的通用布局框架,其執行命令的流程要求與上述表達一致。以中央計算機控制裝置為核心,充分結合農作物的生長環境特點及田間墑情信息展開;同時,配備各類水分傳感裝置、視頻及通信接口等,使得各項數據經灌溉控制器分解后進入灌溉系統,從而實現作業的精確性、高準度控制與調節。

圖1 用于農業灌溉系統的通用布局框架簡圖Fig.1 Schematic diagram of the general layout framework for the agricultural irrigation system

2 物聯網精準控制設計

2.1 模型建立

考慮灌溉系統的有效性實現需以正確的灌溉決策為基準,因此充分將物聯網的智能機理與雙模糊控制理論算法相結合,最大限度地降低數據信息采集的誤差及各過程環節的處理精度誤差。以灌溉調控的實時性為條件,設農作物實測的田間環境溫度值為自變量,以水分蒸發的程度為切入點,建立精準控制灌溉模型,即

(1)

式中ET—精準控制模型下的充分灌溉量;

Δ—精準控制模型下的飽和蒸氣壓曲線變化斜率;

Rn—農作物灌溉凈輻射參數;

G—農作物的土壤熱通量密度值;

γ—農作物的干濕表常數;

es—精準控制模型下的平均飽和蒸氣壓值;

ea—精準控制模型下的測定蒸氣壓值;

T—農作物灌溉的實測溫度值。

針對模型需要獲取的各個灌溉節點信息,展開物聯網技術的平臺聯通融合,從感知層、傳輸層到應用層逐層級進行對應設置,形成基于物聯網的農業灌溉智能控制模型簡圖(見圖2)。工作時,在感知層進行數據采集、灌溉控制、通信中繼等節點選取,在傳輸層進行信息接收、響應處理、物聯算法模塊分配,在應用層進行灌溉智能控制與決策的優化組合,確保灌溉設計控制模型的精準性。

圖2 基于物聯網的農業灌溉智能控制模型簡圖Fig.2 Schematic diagram of the agricultural irrigation intelligent control model based on Internet of things

2.2 系統軟件控制

借鑒系統劃分基礎,主體的軟件系統功能不變,設置為登錄接口、設備管控、分組管理、數據管理、定時灌溉及定量灌溉等模塊,選取無線通信方式,進行上位機、下位機的精準數據暢通控制實現;程序內部選取技術成熟的STC89單片機控制系列,并重新調整灌溉系統的驅動電路以實現軟硬件無縫串接。同時,為了強化輸入與輸出灌溉用水量的精準性,優化C#數據控制,并匹配一定的低耗能模式植入程序,實現軟件功能與視覺的友好化。

針對系統的物聯網平臺各層級通信數據實現,選取NB-IoT、以太網為通信實現核心路徑,并給出基于物聯網平臺的灌溉精準控制軟件流程,如圖3所示。此流程的關鍵在于對于農田環境監測各項參數的閾值獲取準確性,經物聯網平臺感知傳輸后形成下位機的數據處理顯示;當系統判定符合精準化執行條件,即開啟灌溉系統的硬件驅動裝置,表征出控制開關動作,同時指令動作信息將反饋于上位機監控端,構成閉環的灌溉系統精準化控制目標。

進一步,在軟件程序監控環節設置不同編號,實現不同的灌溉執行功能控制。其中,編號4和編號5用于實現灌溉系統的精準監控操作與參數設置;編號7和編號8用于監控農田作物溫度及農田土壤墑情。

圖3 物聯網平臺下的灌溉精準控制軟件流程簡圖Fig.3 Flow chart of the irrigation precision control software under the Internet of things platform

2.3 系統硬件布置

農業灌溉系統的智能控制終端將各控制參數信息呈現在平臺,各通信節點的回路及信息處理設定成為關鍵的匹配要素。通常而言,要素進行硬件性匹配應當做到全覆蓋及專業化。具體來看,其主要涵蓋手持終端設備、匯聚節點模塊、現場灌溉控制裝置、水泵閥組及LED顯示等,如圖4所示。其中,在物聯感知終端與灌溉控制之間增設了具有較強實現功能的通信協議轉化模塊,可將各串口、電源、接口等集成在一個主芯片上,后臺配置相應容量的存儲裝置,并對于各灌溉系統的精準控制動作設備進行參數區分,列出基于物聯網的農業灌溉系統精準化控制硬件參數內部設置命名情況,如表2所示。

圖4 基于物聯網的灌溉系統硬件配置及組成框圖Fig.4 Block diagram of the hardware configuration and composition of the irrigation system based on Internet of things

表2 基于物聯網的農業灌溉系統精準化控制硬件參數內部設置列表

3 灌溉控制實踐

3.1 作業條件

基于上述物聯網農業灌溉系統精準控制模型及系統的軟硬件匹配設計,選擇800m×2000m的試驗田,灌溉對象為土豆。依據農業灌溉系統的精準化控制實踐流程簡圖如圖5所示。

圖5 農業灌溉系統的精準化控制實踐流程簡圖Fig.5 Flow chart of the precision control practice of the agricultural irrigation system

針對灌溉土豆的通信參數距離節點、數據能耗速率以及中繼與匯聚的覆蓋范圍進行準確的逐一設定,展開物聯網下的精準灌溉實踐。其主要作業條件如下:

1)系統灌溉過程各監測參數數據準確無誤,過程關鍵監測參數設定合理、準確;

2)灌溉系統的控制程序執行與硬件動作一致、協調;

3)確保灌溉系統實踐過程中,各項數據記錄導出可信度與原始性。

3.2 過程分析

針對該物聯網農業灌溉系統精準控制模型下的作業過程,進行系統的運行可行性與效率性評價分析。從灌溉系統本體的設計與控制指標來看,嚴格執行物聯網的通信布局平臺,通過對不同測試動作次數進行取值,得到不同灌溉實踐次數下的物聯網平臺灌溉系統精準控制指標參數統計,如表3所示。

表3 不同灌溉實踐次數下的物聯網平臺灌溉系統精準控制指標參數統計

續表3

由表3可以看出:以數據傳輸與灌溉精準為原則,處理系統基礎節點、中繼節點與匯聚幾點,獲取系統灌溉參數與人工監測參數。以7組試驗為劃分,次數依次從10～30不斷按需遞增,測得的系統決策響應時間平均值為2.05s,最大值為2.17s,小于2.20s的灌溉系統設計要求;測得的系統偏差平均值為±4.05%,最大偏差為+4.25%,在±4.5%的偏差控制要求閾值內,滿足當前智能灌溉系統設計可行性要求。

根據各主要參數反饋的變化關系(如溫濕度、光照率、土壤含水率等)以及系統的效率性衡量規范,在物聯網智能平臺及精準控制模型的應用下,確保信息數據采集的及時性與可參考性,進一步選取該灌溉系統響應率、系統精準度、動作延遲率、灌溉作物合格率、灌溉節水效率作為關鍵評價參數,基于物聯網的農業灌溉系統精準控制模型進行應用前后性能參數對比,結果如表4所示。由表4可知:以強大、成熟的物聯網通信技術為支撐平臺,正確搭建灌溉精準控制模型,具有很好的優化實踐效果;系統響應率由86.50%提升為94.18%,系統精準度經控制模型的改進后由89.70%提升至95.95%;各系統硬件設備的動作延遲率得益于物聯網通信傳輸的效率性由4.21%降低至1.49%,且灌溉作物合格率相應地由83.79%提高為94.20%;由于灌溉系統動作的精準性與灌溉的均勻性優化,使得該系統的灌溉節水效率由85.50%提高為91.50%。

表4 基于物聯網的農業灌溉系統精準控制模型應用前后性能參數對比Table 4 Comparison of performance parameters before and after the application of the precision control model on the agricultural irrigation system based on Internet of things

4 結論

1)以農業灌溉系統的功能布局與組件設置為出發點,運用物聯網技術搭建精準控制模型,減少灌溉作業各過程監測數據的靈活性與連通性不足問題。同時,借鑒物聯網通信的優勢特點,克服灌溉環境的復雜性、不規則性困難,進行軟件設計與硬件配置,形成全新高效化的自動灌溉系統裝備。

2)以上述物聯網平臺為支撐,選擇此精準控制模型下的農業灌溉系統作為實踐對象,設定合理的作業條件進行系統性能評價分析。結果表明:基于物聯網技術的精準控制模型應用前后對比,系統響應率可相對提升7.95%,動作延遲率相對降低了2.72%,系統整體達到了很好的灌溉節水效果。

3)此物聯網技術下的灌溉系統優化提升設計理念,基于灌溉控制的本質化模型而展開,是在充分結合了灌溉作業機理及系統自動控制性能的前提下實現優化目標,對于我國農業的灌溉系統集成化速度提升起到一定的推動作用,更是智能化、人性化農作物管理培養的有效途徑,具有較為廣泛的應用與創新價值。