基于GPRS的农田灌溉系统

崔天时，孙建伟，吕信超，郑　铁，孟祥远，李昕洋，林　珊

(1.东北农业大学 电气与信息学院，哈尔滨　150030；2.黑龙江省电力有限公司建设部，哈尔滨　150090)



基于GPRS的农田灌溉系统

崔天时1，孙建伟1，吕信超1，郑铁1，孟祥远1，李昕洋1，林珊2

(1.东北农业大学 电气与信息学院，哈尔滨150030；2.黑龙江省电力有限公司建设部，哈尔滨150090)

摘要：农业灌溉用水所占比例较高，且浪费现象十分严重。本系统为基于无线数据传输的、应用于田间数据采集与传输的系统，能够实时感知、监测农作物、土壤及气象等信息。系统的下位机应用控制器自身A/D转换器采集农田土壤湿度的数据信息，利用基于TCP/IP协议的GPRS通信技术实现多节点数据通信，将各节点的土壤信息传递给上位机，用户可通过上位机观测到农作物的信息，并控制其出水电磁阀的开关，实现对农作物灌溉适时、适量的控制，达到节水灌溉的目的。

关键词：灌溉系统；农田；TCP/IP；GPRS通信

0引言

水是生命之源，而淡水资源更是人类生活不可或缺的重要资源。我国是13个淡水资源比较贫乏的国家之一，水资源严重短缺，淡水资源的人均占有量仅是世界人均占有量的1/4[1]，大部分水资源用于了农业灌溉，而水的利用率很却很低。就全国范围而言，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家己达70%～80%[2]。因而，对于我国而言，在农业上合理利用水资源、提高水资源的利用率尤为重要。

随着物联网技术和计算机技术的快速发展，国外以色列、日本、美国等在节水灌溉方面已经取得了很大的成绩。特别是以色列这个干旱国家，目前全国农业土地基本上实现了灌溉管理自动化，并且普遍推行自动控制系统，按时、按量将水、肥直接送入农作物根部，水资源利用率和单方水的粮食产量都达到了较高水平[3]。

国内的农田灌溉系统与国外的系统相比还有相当大的差距，在传感器精度低、远程控制性能差等条件的影响下，需要一套完整的节水灌溉系统对农田进行灌溉。本系统就是针对农业用水方面的浪费问题而研发的一种基于GPRS的农田灌溉系统。

1系统结构

基于GPRS的农田灌溉系统分为下位机和上位机两个部分，整体结构图如图1所示。

图1　系统整体结构图

下位机由控制器、传感器及GPRS模块等部分组成，通过多种传感器采集农田的气象信息及土壤信息，可通过GPRS模块连接至服务器，将采集到的数据信息通过GPRS无线通信方式远程传输至服务器终端。下位机利用太阳能电池维持所需电量，白天将太阳能转化成电能存储在蓄电池中，以供夜晚或阴雨天气维持工作。

上位机由服务器和客户端所构成，服务器可识别不同下位机所传输的数据，并将接收到的数据信息进行分类、存储至数据库中。一旦客户端成功连入服务器后，就可以接收到服务器传输的数据信息。用户可在任意地点和任意时间内登录客户端，即可观测到农田内的农作物信息，并根据农作物的生长情况进行分析和判断，决定是否需要为农田进行灌溉。

2系统设计

2.1　下位机设计

系统的下位机由控制器、传感器、电磁阀、GPRS模块和电源模块5部分组成。

2.1.1控制器

下位机的主控制器为STM32单片机，它是ST公司生产的一款低成本、低功耗、高性能的32位单片机，拥有2个12位的16个通道的A/D转换器、8个定时器、多个I/O端口及13个通信接口。其具有丰富的外设，快速的中断处理能力，对于实时控制具有极大的优势；配合ST公司发布的库文件，可以大大缩短开发周期，降低开发成本[4]。

2.1.2传感器

下位机上连接了1个风速传感器、1个风向传感器、1个大气温湿度传感器和1个土壤水分温度传感器。土壤水分温度传感器SMS-50功耗低、响应速度快、测量精度高，水分误差测量精度为±3%，温度测量误差精度为±0.4℃，输出电压为0～2V。传感器均输出模拟信号，控制器通过自身所带的12位A/D转换器进行数据采集。

2.1.3电磁阀

系统的电磁阀采用了常闭型直动式电磁阀，可根据实际需要调节电磁阀孔径大小。利用单片机的I/O口来控制电磁阀的开关，其中应用了光耦TLP521，可以使信号单向传输、输入与输出完全实现电气隔离，并对电路进行隔离保护。应用电路如图2所示。

图2　电磁阀工作电路

2.1.4GPRS模块

GPRS通信技术是一项基于TCP/IP协议的无线通信传输技术，系统采用的GPRS模块的型号为SIM900A。GSM的访问速度为9.6kb/s，而GPRS则达到171.2kb/s的访问速度； GSM连接网络需要10 ~ 30s，而GPRS只需要很短的时间就能够接入网络；对于费用而言，GSM是按连接时间计费的，而GPRS只需要按数据流量计费[5]。由于系统的检测可以间断进行，使用字符串进行数据传输，因而使用GPRS模块成本更低。

相对于固定IP的网络连接方式，本系统采用域名连接的方式进行网络连接。固定的公网IP地址需要花费很高的金额，通过域名连接的方式可以避免使用固定的IP地址，系统中采用花生壳将本地IP与域名绑定在一起进行网络连接。

GPRS模块与控制器之间采用了串口通信的方式进行连接。控制器通过发送AT指令与GPRS模块进行通信[6]。串口通信方式简便，传输速度快，准确性高，经常被应用于控制领域。串口通信的电路如图3所示。

图3　串口通信电路

2.1.5电源模块

系统的电源模块包括太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池3个部分。太阳能电池板的主要材料为硅，可以将接收到的太阳光通过光电效应转换为电能；太阳能控制器则是电源部分的中心环节，可以将太阳能电池板产生的电能供应给蓄电池储能，并为外部用电器供电。太阳能控制器采用了串联式PWM充电电路，具有高效的充电效率和长时间的使用寿命等优点，可以起到过充、过放、电子短路、过载保护等自动控制。蓄电池的放电标准为12V 7.2AH/20HR，可为系统提供12V的电源电压，同时保证系统可以在夜间或阴雨天气维持正常的工作状态。太阳能控制器电路如图4所示。

图4　太阳能控制器电路

2.2　上位机设计

2.2.1服务器设计

服务器使用Visual Basic语言进行开发，它是由Microsoft公司开发的一种面向对象的可视化、结构化、模块化的程序设计语言。Visual Basic语言语法简单，功能强大，拥有大量的第三方控件。

服务器中应用了Winsock控件进行网络通信，Winsock的作用在于为两个或多个网络节点建立链接并进行数据交换。Winsock支持两种通信协议：数据传输协议(TCP)和用户数据报文协议(UDP)。TCP协议只需连接两台计算机就可相互进行数据传输；而UDP方式不需要双方建立连接，一方就可直接向另一方发送数据，但是不能保证数据传输的可靠性。因此，本设计中选用TCP协议。在TCP协议中，建立连接的双方中，一方称为服务器，而另一方称为客户端。通信双方在连接时，必须使用同一个端口号[7]。

服务器中连接了Microsoft Access数据库。下位机所发送的数据格式为22位，服务器通过下位机的前3位来区分不同的下位机，并将下位机所发送的数据放入相对应的数据库中。服务器的工作流程如图5所示。

图5　服务器工作流程图

2.2.2客户端设计

客户端应用Java语言进行设计开发，它是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言。Java语言具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。随着我国Internet网络的迅速普及，网络编程领域的不断扩大，编程人员也在不断增加，越来越多的网络开发者选用Java语言。同时，一些C和C++程序员也转向了Java语言领域[8]。

客户端上应用了MySQL数据库，它是一种关系型数据库管理系统，体积小，速度快，成本低。因为它开放源代码，所以得到了广泛的使用。用户可在任意的时间、地点进入域名为www.neauirrigationsystem.com的网站，用户需要在登录界面输入用户名和密码进入主界面，主界面上显示着需要浇灌的农田，用户将光标移动到农田上即可显示出当前农田的种植信息，包括农作物的种植面积及生长适宜湿度等。

用户也可从主界面中看到实时显示的农田的风向、风速、光照强度、空气温湿度和土壤温湿度等信息。用户可根据植物生长所需要的湿度对农作物实行灌溉操作，远程控制农田里的水阀进行灌溉。这极大地方便了用户，使用户可以不用去农田便可对农作物进行适时适量的灌溉，节约了水资源，提高了灌溉效率。客户端的工作流程如图6所示。

图6　客户端工作流程图

3系统调试

3.1　试验结果与分析

选取不同时间段用下位机对农田气象信息和土壤信息采集进行实地试验，取大气温湿度、土壤温湿度及风速风向这6个指标进行测试。大气温湿度的数据对照表如表1所示，土壤温湿度的数据对照表如表2所示，风速风向的数据对照表如表3所示。

表1　大气温湿度数据对照表

表2　土壤温湿度数据对照表

续表2

表3　风速风向数据对照表

由表1～表3可以看出：本系统的大气温湿度、土壤温湿度和风速风向的测量误差精度均在3%的范围内，能够满足对农田灌溉的需求。经过反复的实地试验验证，系统具有很高的稳定性和准确性，能够满足对农田远程灌溉的要求，可以保证全天候的工作环境，对于节水灌溉的应用与推广具有很大的意义。

3.2　实物图

系统实物图如图7所示。

1.风向传感器　2.风速传感器　3.太阳能电池板

4结论

本系统利用GPRS无线通信技术，采用下位机、服务器、客户端三者结合的方式，完成了一个系统的、高效的、低成本、操作简便、便于推广的农田灌溉系统。

下位机采用STM32单片机进行农作物数据信息采集，服务器接收下位机传输的数据信息并将其存入数据库。客户端采用通用网页的形式，以一种友好的人机交互界面为用户提供了远程监测农田环境信息、控制农作物灌溉需求的好途径。

试验表明：该系统可以很好地完成对农作物生长环境的信息采集与传输任务，精度高、传输速度快、工作稳定，实现了低功耗、低成本、人机界面友好及节约用水等目标；解决了传统灌溉系统成本高、安装过程复杂、维护困难等问题，使人们可以在随时随地获取农作物的信息，适时适量地对其进行灌溉。系统对于农业水资源的合理利用和节水灌溉控制技术的使用和推广具有重要意义。

参考文献：

[1]徐杰.基于无线传感器网络的农田喷灌控制系统的设计[D].哈尔滨:东北农业大学, 2014.

[2]张永强, 张伟,刘艳.基于GPRS DTU的农业灌溉监控系统的研发[J].仪器仪表学报, 2008,29(4): 187-190.

[3]李定.农田灌溉无线控制系统的设计研究[D].石河子:石河子大学, 2013.

[4]张卫华,马孝义.基于STM32的灌区图像采集终端的研究[J].农机化研究,2013, 35(4):191-194.

[5]陈上明.基于GPRS的自动灌溉系统硬件设计[J].实验室研究与探索,2012,31(6):10-13.

[6]贺园园,冯春贵,祝诗平.基于GPRS的茶园环境参数无线监测系统的设计[J].农机化研究,2012,34(9): 120-123.

[7]孙燕,陈宁.Visual Basic 6.0程序设计[M].北京:髙等教育出版社, 2000.

[8]耿祥义,张跃平.Java程序设计实用教程[M].北京:人民邮电出版社, 2010.

The Irrigation System Based on GPRS

Cui Tianshi1, Sun Jianwei1, Lv Xinchao1, Zheng Tie1, Meng Xiangyuan1, Li Xinyang1, Lin Shan2

(1.College of Eectricity and Information, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2.Ministry of Construction, Electric Power Company of Heilongjiang Province, Harbin 150090, China)

Abstract：Proportion of agricultural irrigation water is higher, but very serious waste phenomenon. This system based on wireless data transmission is applied in the field of data acquisition and transmission system, real time perception, monitoring of crop, soil and meteorological information, etc. System of the application of the controller itself A/D converter of farmland soil moisture data information, the use of GPRS communication technology based on TCP/IP protocol implementation multi-node data communication, each node of the soil information is passed to the PC, the user can be observed through the upper machine crop information, and control the water solenoid valve switch, the control system for the crop irrigation timely, right amount, achieve the goal of water-saving irrigation.

Key words：irrigation systen; farmland; TCP/IP; GPRS communication

中图分类号：S274.2；S126

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0193-05

作者简介：崔天时(1967-)，男，哈尔滨人，副教授，博士，(E-mail)tscui@neau.edu.cn。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B04-2-9)

收稿日期：2015-10-13