基于物联网的智能灌溉管理技术研究

沙 玥 李佳婧 李冰如 盛子涵 赵 瑞 杨小令

(扬州大学水利与能源动力工程学院 江苏 扬州 225100)

基于物联网的智能灌溉管理技术研究

沙 玥 李佳婧 李冰如 盛子涵 赵 瑞 杨小令

(扬州大学水利与能源动力工程学院 江苏 扬州 225100)

本作品是基于基于物联网的智能灌溉管理技术的研究，主要是用于检测水稻的缺水情况，采用线阵CCD茎直径微变传感器及安装技术、GPRS数据采集通讯模块及软件、服务器VB软件、手机APP客户端软件。利用200倍的电子显微镜的放大技术来检测水稻茎直径缺水变化的数据和气象仪所测得的数据，然后采用JAVA算法编制的APP将数据显示出来，其中数据包含了土壤水分、空气湿度、温度、天气等八项，然后根据这些情况来计算出水稻的缺水情况。

线阵CCD茎直径微变传感器；手机智能APP；GPRS数据采集通讯模块；服务器、气象仪

一、研究背景

传感器是实现精良灌溉的重要途径，现代社会的开展就是信息科技社会的发展。目前，传感器产业已被国内外公认为具备发展出路的高技术产业，它以经济效益高、市场前景广、渗透力强、技术含量高等特点为世人所注目。物联网的标准化将成为攻克物联网最高点关键之一。

二、设计

本作品包括wifi图像显微镜、气象站及安卓手机APP。

1)根据指导老师讲述的项目方案内容，了解到本作品主要有三部分组成，分别是WiFi图像显微镜、气象站以及安卓手机APP。

2)我们小组成员在暑假期间利用闲暇时间来对Java语言进行零基础的入门学习，并在小组成员都基本掌握了Java程序语言原理并且实践操作编写简单程序后，组内成员进行线上讨论学习，讨论进一步的Java学习目标，包括安卓手机APP需求及手机界面设计的方案讨论。

3)根据采购计划采购200倍WiFi显微镜无线电子数码显微镜。在组内五个成员交流讨论并上网查阅了资料以后，我们成功地拍摄了直径偏细的物品，操作成功后，我们一同去学校附近的水稻田里选择了一株直径适当的水稻并拍摄了其直径面的半视图。

4)根据采购计划采购高精度家用电子温度计室内温湿度计无线室外测温计气象站。我们小组成员一起对气象站使用说明进行研读。我们在熟悉了气象站的使用方法后，利用已学的APP设计知识将这八种数据类型反映到安卓手机APP界面上，并操作成功。

三、设计原理

(一)传感器。就我们研究的水稻茎直径传感器来说,经过多次实验结果表明,水稻叶水势是以黎明最高(负值最小),早上较高,上午降低幅度较大,中午缓慢下降,下午13～14时降至最低,随后在傍晚逐渐回升至晚上,黎明和早上又出现最高值。叶水势的日变更与外界环境条件,如空气相对湿度,土壤湿度,温度和光照等关系非常紧密。根据其水势的早晚变化及其影响因素,通过传感器，反映电信号,并由物联网传输至服务器,经过计算转换,最终使数据在手机APP上显示。

1.新型茎直径微变传感器的原理。CCD的工作过程分为电荷储存、光电转换、电荷检测、电荷转移。

光电转换即把光信号转换成电信号，CCD内部由许多光敏像素构成，每个像素就是一个光敏二极管，检测像素上产生的电荷，入射光的强度和曝光时间与产生的信号电荷的数量成正比例。

2.WIFI图像显微镜。WIFI显微镜，是采用CCD图像传感器，机身轻便，因此它利于随身携带和操作，有线网络在操作上的不便被无线WIFI与手机对接而取代，拓宽了显微镜的使用范围。

(二)气象仪。本作品主要有雨量计、温湿度记录仪、GPRS无线传输模块等。气象仪与太阳能电池板公用一个支架，太阳能电池板在其上方，但要保证太阳能电池板不会影响其正常工作，特别是不能遮挡住雨量计。

(三)手机APP。首先，第一步是形成APP的想法。针对我们的课题，我们的想法是将服务器端用Vb程序计算好的数据传输至手机app，并能通过手机app反馈给用户。同时，我们的数据做到实时更新。

再者，我们根据这些想法来设计APP的主要功能和构思APP界面。

接着，我们编写了大功能模块代码和界面模块。

而后，把大致的界面和功能联系后，app的雏形就产生了。这样我们就有了基本的界面。

最后，我们对各个界面进行完善和功能的实现，并对其中的bug测试和修复。

四、创新特色

根据现有茎直径微变传感器的已有知识储备，考虑到国内的传感器技术相对落后，中国市场上的中高端传感器进口占比达80%，我们将着手研究一种新型茎直径微变传感器，采用国外研制的日趋成熟的CCD图像传感器技术，致力于研发出一种可以根据CCD传感器所收集的图像信息来实时监控植物需水情况，从而及时改变灌溉水量的新型灌溉处理系统。

(1)将线阵CCD技术应用于测量作物茎直径微变，简化了系统的复杂性，缩短了获取图像的时间，提高了测量效率。

(2)支撑杆、抱茎环组成的传感器固定方式不影响作物生长。

(3)利用GPRS数据采集通讯模块、服务器及VB软件、手机客户端APP软件构造基于物联网的智能灌溉管理系统，使农民可以及时获取作物缺水程度以及需灌溉量的信息。

五、应用前景

目前世界水资源总量面临的形势是，虽然总水量很大，但是实际能利用的淡水资源总量稀缺，在此基础上，虽然我国的淡水资源总量较多，但是人均淡水资源量极少，其他大多发达国家和发展中国家人均淡水资源占有量较多，但是淡水资源用途甚广，淡水资源消耗速度不断增大，淡水资源剩余量日渐减少，水资源形势日趋严峻。

本作品是针对世界水资源总量稀缺现状而研发出的以茎直径传感器为基础的智能灌溉技术创新设计。在节水灌溉的同时，又能在灌溉水量对植物茎水势的影响有更为深入的研究发现，为日后植物水势及相关研究理论的进一步发展奠定了较好的前期实践基础。本作品既顺应了国家发展节水灌溉的政策，又能切实解决人民生产生活问题，是发展现代农业必不可少的装置，应用前景十分广阔。

六、结语

传统的看天气灌溉方法需水量太大，在现有的灌溉排水体系下很容易造成水资源未能充分利用的浪费现象，对我国现今的水资源匮乏的形势产生了更加不利的影响。

本作品是针对现代化的智能灌溉技术设计的新型智能茎直径传感器，根据现有茎直径微变传感器的已有知识储备，我们将着手研究一种新型茎直径微变传感器，采用国外研制并已投入使用的、日趋成熟的CCD图像传感器技术，致力于研发出一种可以根据CCD传感器所收集的图像信息来实时监控植物需水情况，从而及时改变灌溉水量的新型灌溉处理系统。从而很好地减少了农田灌溉的用水量。

本作品若开发成功，短期之内可能只适用于科技知识较为普及的农村和乡镇，对于知识普及率较低的农民可能不会有很好的推广预期。

最大的潜在市场是我国大量的农田地，但也不仅仅限制于农村，现代化城市较高的城市里，绿化面积多的区域也会更好的市场推广潜力，但目前我们首要的市场推广预期对象是农村的农田灌溉技术改进。

推广前期，理想状况是先从有大学生下乡的乡村入手，先提高一部分农村的智能灌溉技术普及率，再致力于推广受众面的范围，我们会针对智能灌溉的好处和优势向农民宣讲，争取打响推广智能灌溉技术的一炮。

若我们的作品能够预期完成，并在一定的时间里取得了极好的效果，带来的经济效益将会是巨大的，此外，我国的智能灌溉技术也将在世界灌溉技术上排在前列。

[1]刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2010

[2]戴守勤.现代农业智能化应用实例[C].浙江现代农业，2012

沙玥(1996-)，女，江苏淮安人，本科，研究方向：智能灌溉。