基于物联网技术的远程智能灌溉系统的设计与实现

李兴华+宋鹏宇+王想实+周薇

摘要：随着当前农业的规模化发展，传统的以人为主的粗放型灌溉方式已经不能满足农业的信息化需求，该文设计并实现了一种基于物联网环境下的智能灌溉系统，以ARM平台为基础，采用ZigBee 技术，将终端传感器采集的农植环境数据信息，同步上传到服务器端进行决策分析后反馈到客户端，远程客户端可以实时监控农植的生长情况，进行相应的灌溉控制。系统具有远程控制和可视化功能，功耗低，稳定性好的特点，具有较好的市场前景。

关键词：灌溉；物联网；ZigBee；监控

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）08-0169-02

1 背景

目前农植的非自动机械式的灌溉需要消耗大量的水资源和人力，尤其是在温室生长环境中，植物处于一个半封闭的非自然体系，温室的环境复杂，湿度相对变化缓慢，风速较低，各个环境因素呈现一种独特的复杂性。同时，针对不同的植物种类、生长期、生长需水量等存在较大的差异，如何综合考虑各类因素，进行智能灌概，是当前农业信息化的重要内容之一。尤其是温室内植物灌灌不能按照自然大田灌概要求，需要充分利用有限的水资源进行智能化灌溉，一般的解决方案是在构建植物生长环境参数模型的基础上，采用科学管理、智能决策；根据温室内的生长条件，进行自动控制调节，在保持植物正常生长所需的用水量情况下，实现智能灌概，以最小的用水量获得最大的收益。

目前国内在开发灌溉自动控制系统方面还仅处于研制试用阶段，能实际投入应用且应用较广的灌溉控制器还不多见；主要是从理论上解决了灌溉的时间问题，而关于适宜的灌溉量问题，依旧缺乏比较中肯的解决策略。这其中的大部分因素是目前的智能灌溉体系仅仅凭借自动控制完成，一是并没有考虑到农植物生长过程中的复杂因素，终端采集数据不够精准；二是当前的灌溉系统的基本应用的有线规划策略，对于整个系统的安装和维护成本比较高。本文应用远程通信技术WIFI，基于ZigBee通信技术，实现智能灌溉控制系统，移动终端可以利用网络进行远程监控灌溉操作；同时，在网络受限的换进下，也可以通过GSM方式来进行控制。实现了当前大鹏浇灌的全面智能化，精准进行大鹏环境信息的采集，将信息通过有线或无线方式传输给控制终端，实现无人监控下的自动灌溉。

2 灌溉系统基本工作原理

农植传统的灌溉方式主要采用半自动的机械操作方式，这主要源于对整个农植环境信息如温湿度、的采集主要通过人工肉眼的观察方式，信息的收集不够全面和精准，也无法实现远程控制。目前，人们开始研究农业设施远程测控系统，远程智能灌溉系统应运而生，在一定程度上实现了无人作业的智能灌溉模式。当前智能灌溉的模式一般采取三层架构的方式，如图1所示：

在本系统中采用CC2530芯片作为数据采集端，与 Internet 数据服务器通过网络通信即移动/联通基站进行连接，实现一对一的数据交互，这样就可以避免远程有线网络布线及维护成本高。同时，采集端的传感器端可以适应多重采集环境，不仅可以采集土壤等的常规信息，也可以采集复杂种植环境如树皮、植被腐蚀等种植环境的信息，具有较大的适应范围。客户端可以利用远程通信技术WIFI，进行远程监控操作；同时，在网络受限的换进下，也可以通过收发短信的方式来进行控制。

3 系统开发环境

本系统的服务器端主要采用以FriendlyARM H43为 可移植Linux平台，开发智能灌概网关与Web服务。FriendlyARM开发板是一款高性能，低功耗的一体化平台，Linux内核是一个开源的、采用虚拟技术，可跨平台移植的嵌入式操作系统，具有完善的图形用户界面。服务器端系统环境创建的主要任务为编译UBOOT和Linux内核，将编译完成后的内核烧写到开发板。

客户端系统在AndroidEclipse环境下开发，采用开放源代码的、基于Java的可扩展开发Eclipse平台，这里需要安装Android专属的软件开发工具包 SDK ，包含Java Development Kit和Java Development Kit。

数据采集端主要使用ZigBee实现无线传感器网络通信，遵循IEEE 802.0.4技术标准和ZigBee网络协议，低功耗的 ZigBee 技术适合作为无线传感器网络的一种标准，适合承载数据流量较小的业务，特别适合采集农植生长环境的基础信息以及快速传输工作，配合路由器，可以方便扩充采集面积的范围。

4 系统功能模块实现

智能灌溉系统使用范围广泛，自动控制系统的规模大且集成度高，逐步实现了比较健全的浇水灌溉机制。因此，本系统提出利用传感器采集湿度、温度和光照强度，从多种环境因素考虑农植的生长情况，进而通过远程终端即手持终端控制来达到智能灌溉的目的。系统可实现的功能如下：

（1）实时的检测土壤的湿度值、空气的温度值和大气的光照强度，利用 ZigBee 的无线通信技术上传给服务器。

（2）终端传感器采集端点模块依据服务器端反馈的信息，实时控制继电器的开启和关闭，进行智能灌溉。

（3）协调器节点与 服务器机相连，将采集到的信息转化成可以显示的数据界面，便于客户端及时观察农植的生长环境信息。

（4）整个系统都采用无线控制技术，彻底解决了过多布线带来的不便，降低安装和维护成本。系统功能的结构如图2所示。

系统主要分为三个功能模块：数据采集端、客户端和服务器端，在具体实现过程中，服务器与数据采集端通过串口连接，而客户端与服务器同过Socket进行数据传输，服务器端分别对据采集端和客户进行交互控制。在同一局域网的情况下，客户可以在登录客户端连接服务器的情况下执行操作，服务器接收客户端发送过来的命令并解析再进一步控制底层。如果在较远的地方或者外地，客户无法连接服务器，则可以通过发送短信的方式来进行控制，服务器连接的GSM MODEM模块接收客户端发送过来的短信，服务器进行解析并发送命令达到控制目标。

5 实验与结果分析

个系统的实验基地是无锡锡山区生态实验基地调试完成，分别对整个系统的ZigBee子节点、无线传感器网络、客户端和服务器的数据通信、客户端与服务端通信以及系统整体稳定性进行测试，通过不断的调试与完善，实验证明整个系统运行正常，通信及时，可在多种环境下使用，尤其是当前封闭环境下的大鹏农作物种植、长期无人看管的花园，草坪等灌溉频率比较高的环境下，需要耗费大量的人力进行的管理，这在当前信息技术日益发达的情况下，已经无法满足区域化的灌溉需求，本新型的前端采集可以精准采集各类复杂种植环境的信息。将信息上传到客户端，灵敏控制碰头的开闭时间。同时，采用Zigbee技术，支持的节点数量多，扩展性强，低功耗，安全可靠。其次，具备移动端远程控制设备（无网络可支持GSM），可实时通过摄像头传回的视频观看当前植物状态，整个装置具有方便易用，自动远程控制，安装维护成本低廉的特点。

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