基于AD HOC网络与传感技术的农业滴灌系统的研究与实践

唐勇

摘要：该文针对通信设施欠缺的地区，利用AD HOC网络的自组性和传感技术，研发了一套基于AD HOC网络的农业滴灌系统。该文详细介绍了滴灌系统的系统架构，阐述了滴灌系统的业务模块，描述了滴灌控制的流程。经过实践证明，该系统能有效满足滴灌过程中的各项业务需求。

关键词：AD HOC网络，传感；精准；滴灌

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）15-3674-03

农业，一直是我国第一产业。美国、加拿大等一些发达国家已经在大田粮食植物种植中实现了自动滴灌管理。在我国，东西地区经济差异大，西部落后地区，田间农业存在自动化严重不足的现状，我国农业的滴灌管理还处于全人工状态，所有滴灌活动全依农民直观经验而进行，即影响了农业的产量，又浪费了大量的资源。当前，物联网新技术的出现，给我国农业滴灌管理带来了新的机遇，利用物联网新技术、新产品可以大大提滴灌效率，提高农业产量，快速的推动我国农业现代化的进程。

1 我国农业滴灌存在的不足

1） 据中国水利部统计，目前我国每年农业灌溉用水在3400亿立方米至3600亿立方米之间，国民用水总量在5700亿立方米左右，农业灌溉用水占国民总用水量的60%以上。从全国范围来计算，现有农业灌溉用水有效利用了46%，有54%在输水过程中被消耗，利用率的确偏低。

2） 自动化管理落后。我国现行的农业生产模式大多是以家庭为单位，土地分布形式是一家一户条块分割的小田块，难以形成大规模的自动化田间管理。

3） 偏远地区通信基础设施欠缺，通讯不畅。尽管到目前为止，我国的通信行业得到了飞速的发展，各类通信基础设施日趋完善，但我国地区广泛，很多落后地区，尤其的偏远山区，基础设施依然不完备，通信依然是自动滴灌的瓶颈。

基于此，本文利用AD HOC網络技术和传感器技术，设计了一套低成本的农业滴灌系统，旨在解决基础设施不足的前提下，依然能够实现农业自动滴灌管理，以节约农业资源，提高农业产量。

2 AD HOC网络与传感器

2.1 AD HOC网络

AD HOC网络是一种独立的网络，其最大的特点是不需要基础通信基站的支持[1]，在AD HOC网络中，所有的网络中的节点均由通信主机构成，每个节点既是通信终端，可以处理各类信息数据，又可以承担通信中转站的任务，转发其他节点的信息，由于AD HOC网络无须建立基础通信基站，故广泛应用于各类通信基础设施欠缺和应急场合。AD HOC网络主要具有如下典型特征[2]：

①网络的独立性。网络的独立性是AD HOC网络最基本的特征，它不依赖任何的基础设施，自身节点通过自组织就可以形成一个独立的网络。

②网络拓扑的动态性。在AD HOC网络中，所有的节点可以随时加入和退出网络，并且节点之间可以随意移动。当有节点加入或者退出整个网络的时候，网络各节点会根据相邻节点重新计算网络拓扑，网络不因个别节点的加入或退出而瘫痪。

③多跳性。在AD HOC网络中，每个节点的传输距离是有限的，故当一个节点需要将信息发送到直接发送范围外的节点时，需要其他节点转发，通过传递的方式进行发送。

2.2 传感器

传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。每个传感器包括感测单元、数据处理单元、数据收发单元和供电单元四个部分[3]。

在四个模块中，感测单元是最重要的模块，由传感器和模/数转换器组成，传感器用于感知外界的信息，并通过模/数转换器转换为数字信号，传感器类型决定了节点所能监测的物理信号 [4]。

在本系统中，最核心的传感器是土壤水分传感器和土肥传感器。土壤水分传感器主要用来感知土壤的干湿程度，土传感器主要检测土壤中的氮、磷、有效钾、等各种有机质含量。

3 系统实现

3.1 系统架构

在本滴灌系统的系统架构中，主要根据物联网系统结构来设计，将系统一共分为三层，应用层、网络层和感知层。

① 感知层。感知层主要是架设各类传感器，将甘蔗地里信息感知出来，主要的传感器有水分传感器，主要用来感知土壤的湿度；化肥传感器：主要用来感知突然的各种化肥的含量，比如氮、磷、钾。二氧化碳传感器，主要用来感知植物周围二氧化碳的浓度，用以判断制度的生命状态。

② 网络层。本系统主要针对基础设施不完善地区而研发的。由于AD HOC网络具有独立性，不需要建立基础通信基站就可以通信，各个节点既是信息处理终端又是信息传输转发节点，适合在偏远的山区进行信息化作业。本系统采用AD HOC网络来进行数据传输，在系统布局的过程中，将传输节点与传感器直接捆绑在一起，AD HOC网络就可以将感知层感知的信息发送到应用层，并且将应用层的各类指令传递给感知层。，

③ 应用层。在本系统中，将应用层分成了业务层和数据层。数据层是各类业务数据库，主要用以存放各类业务数据，而业务层主要是各类业务操作和指令，是人和系统之间的接口。数据层和业务层分开，使数据具有独立性，是系统具有更好的拓展性。

3.2 系统的业务模块

本系统的业务可以分为水分控制模块、土肥控制模块、农业控制模块、分段控制模块和通讯模块五个大块。系统通过对各个控制子程序的访问实现滴灌控制系统分水份、水份、农药等进行滴灌，分地段、分时段进行滴灌，控制滴灌量、滴灌时间，监测滴灌液压状态，监测滴灌流量等一系列田间灌溉作业业务功能，实现甘蔗农业滴灌精细化管理。

① 水分控制模块：水份控制模块主要是控制土壤水份的模块，按照农业灌溉的业务流程，一共包含三个方面，水份监测，水位监测和水流量水压监测。水份监测是利用传感器对土壤中的含水量进行监测，水位监测是监测农田的水位，而水流量的监测是对农田灌溉时放入或者放出的水量。

② 水肥控制模块：水肥控制模块是针对植物需要的各类肥料元素而设计的，是滴灌系统最重要的模块之一。主要包含三个方面：水肥监测，是监测土壤中各类有机元素的含量，目前市面上主要用各种土肥监测仪来进行；水肥调配控制是指各种有机元素的配置比例，不同植物对不用有机肥的需求是不同的；流量液压监测则是对输入的水肥量进行控制。

③ 农药控制模块。在农业生产中，农药是必不可少的环节。在本系统中，农药滴灌控制包含两个方面，农药滴灌控制，就是将需要的农药按一定比例进行调配灌溉，滴灌状态监控是指在滴灌的过程中，对土地和植物的含药量进行监控，以免滴灌过多或者过少，从而达不到滴灌要求。

④ 分段控制模块。由于地形等多方因素，系统管理的不同模块需要不同的滴灌业务，某些模块需要灌水的同时某些模块需要施肥，针对不同需求的业务控制，需要分类管理，本系统将地段和时间设计成了管理的关键属性，分时间和地段进行管理。

3.3 系统滴灌控制设计

滴灌控制包含了水分、水肥、农药等滴灌控制，通过传感终端采集信息参数传回主控终端进行分析处理，计算出土壤参数然后与业务数据库进行参数对比，控制中心生成控制指令下发，采集终端进行液压、流量等信息参数采集并传回主控终端，主控终端通过控制 PLC控制器进行电磁阀控制实现远程智能滴灌。

4 使用效果

本系统在广西百色的偏远地区已经进行使用，实践证明，该能满足滴灌的各项需求，对农业种植起到了积极的作用。具体表现在如下几点：（1）能全程监测植物的生长状态，及时滴灌，时刻保证植物各种营养成分。（2）通过后台数据能够总结出植物生长规律，并提前预防。（3）大大的减少了人力物力，节约了资源，提高了农业产量。

5 结束语

滴灌是农业生产活动中最重要的一个环节，滴灌控制也是农业物联网系统中重要的一个模块，把传感器技术、网络技术、计算机技术和自动控制技术同微灌技术有机地结合起来，及时、准确地掌握作物的生长情况，更精确地控制灌概，对提高节水灌概的自动化水平，节约劳动力，提高农业经济效益具有重要的意义[5]。

参考文献：

[1] 郑少仁，王海涛.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005：105-111

[2] 黄浩军.无线Ad Hoc网络中能量优化的路由协议研究[D].电子科技大学，2012.

[3] 叶阿勇.无线传感器网络节点安全定位[D].西安电子科技大学，2009.

[4] 金美琴.基于管控一體化技术的滴灌控制系统设计与研究[D].南京理工大学， 2013.