基于物联网的农田灌溉系统设计——以甘肃省张掖市甘州区沿山灌区为例

张 明

（甘肃省张掖市甘州区安阳水利管理所，甘肃 张掖734000）

0 引言

中国作为世界上13个缺水国家之一，而农业用水比例占到了全国水资源使用量的3/5，其中超过90%的水量用于农田灌溉，但水资源利用率却低于世界平均水平［1］。随着农业的发展，农田灌溉作为水利工程建设的重点项目，解决灌溉过程中的水资源浪费、人工灌溉效率低等问题是未来工作的重心。就甘肃省张掖市甘州区沿山灌区而言，仍处于人工灌溉阶段，不仅灌溉效率低下，还存在灌溉过量或不足等情况，影响农作物的正常生长，造成减产。传统的灌溉方式实施过程可大致概括为以下步骤：

（1）水库向水管所供水。

（3）农户按水渠走向和水流方向依次打开个人农田进水闸门完成灌溉。

（4）灌溉结束，水利管理所停止供水。

传统灌溉方式中存在的问题分析如下：

（1）灌溉效率低，农户需依次通知或在田间等待，中间过程既耗时又浪费水资源。

（2）农户灌溉过程中，仍需手动开关闸门，并阻断水流向下游流失，费时费力。

（3）灌溉水量由农民根据经验控制，无法做到科学灌溉。

国家大力提倡的智慧农业理念，无疑是最科学有效的解决方案。智慧农业的发展得益于物联网技术的成熟，是物联网技术的典型应用之一，为我国农田灌溉方式由传统的人工灌溉向自动化智慧灌溉转型提供了良好的技术支持。

1.改制企业履约能力的法律风险。供应商的履约能力是物资采购工作得以顺利完成的保障。随着近几年来油田改制企业经营状况的不断变化，有些改制企业的能力堪忧，有时存在供货不及时、产品质量性能不稳定的情况，从而影响油田生产建设需要，给油田造成经济损失。

本论述着眼于传统灌溉方式存在的问题，提出了一种基于物联网的自动化农田灌溉系统［2］，来解决在农田灌溉过程中存在的问题，达到节水灌溉，科学灌溉的目的。

1 系统架构

1.1 系统优势及理论

物联网灌溉让农业灌溉实现了自动化和远程控制，将极大节约人力资源。同时，传感技术和云计算相结合，可实现实时数据采集，从而分析农作物长势，长期的数据积累将为农田灌溉提供真实的数据支持，推动智慧农业建设步伐。

物联网农田灌溉系统解决了长期以来农民按经验控制灌溉水量的问题。本论述使用定额法计算灌溉需水量，首先根据所种植作物的种类及种植地区确定灌溉用水基准定额和灌溉方式所产生的调节系数，计算不同保证率下的灌溉用水定额，再与种植面积相乘进而求得灌溉需水量［3］。

根据上述对灌溉需水量的描述，可通过数学建模，模拟计算出每块田地所需水量大小，水流速度传感器可获取田间进水口水流流速，系统通过控制灌溉时间，水流速度与时间的乘积即灌溉水量，然后根据农作物自身特性，测量土壤湿润度，对灌溉水量进行校准或补偿。

1.2 系统框架

农田灌溉系统分为感知控制层，传输层，数据管理层和应用层，系统框架如图1所示。

感知控制层包括各传感器数据和主控制器，本系统以STM32作为主控制器，实现传感器驱动、数据采集和预处理、数据发送等功能。水流流速传感器布设于农田入水口，采集水流速度，计算水量；水深传感器用来监测水渠供水量，方便控制中心对供水量进行把控；土壤湿度传感器通过监测土壤含水量来调节灌溉水量以达到更好的灌溉效果；水质传感器主要监测水质PH值，保证灌溉用水适合农作物生长，温湿度数据和光照强度数据用来辅助计算水分蒸发量［4］，方便后续进行灌溉水量补偿。

传输层选用NB-IoT模组实现系统传感数据实时发送和云端指令下发，模组通过UART连接MCU，将数据通过基站发送至云平台。

云平台对传感数据进行分类、整理、存储、分析，通过分析传感器数据模拟计算生成预期灌溉用水量，下发至设备端进行农田灌溉，起到辅助决策功能，也为后续农业生产提供数据支持，指导农民科学种植。

应用层主要为Web端，实时显示灌溉进度及各传感器数据和设备工作状态等信息，为人机交互提供窗口和媒介。

2 硬件系统设计

硬件系统由电源模块、MCU基本电路，传感器电路、电机驱动控制电路及通讯电路组成。硬件系统框图如图2所示。

图2 硬件电路系统框图

电源模块为系统运行提供电能，通过电压转换得到如5 V、3.3 V等不同电压，保证系统各部分供电充足。传感器使用IIC、SPI、UART等方式连接MCU实现数据传输，NB-IoT使用UART连接MCU完成数据交换。

系统选用STM32F103RCT6作为主控芯片，该芯片是一款基于ARM架构的32位微控制器，最高速率可达72 MHz，片上资源丰富，包括51个通用I/O，8个定时器、ADC、IIC、SPI、UART等，它与晶振电路、复位电路共同构成了单片机最小系统。复位电路采样高电平复位机制，时钟电路由8 MHz石英晶体震荡器和匹配电容、反馈电阻组成，为单片机提供稳定振荡频率，并作为锁相环倍频输出的基础频率使用。电路如图3所示。

NB-IoT模组选用M5310-A模块［5］，该模块由中国移动设计研发，是一款工业级的多频段窄带物联网无线传输模块，使用贴片封装，电路上需外接SIM卡座实现通信，电路中加入TVS二极管阵列为其提供良好的ESD保护，参考电路如图4所示。

图1 系统框架

图3 STM32F103RCT6最小系统

图4 外接SIM卡参考电路

电机负责控制田间进水闸门及水流阻断闸门的开合，电机驱动部分使用高性能MOSFET组成H桥驱动模块，最大驱动功率可达300 W，内置过压欠压保护电路、过热保护电路，安全可靠。硬件连接方式如图5所示。

图5 连接示意图

3 软件设计

3.1 NB-IoT程序设计

NB-IoT基于现有蜂窝网络进行组网［6］，功耗低、通信距离远、节点容量大、适合大面积布设。模块通过串口以AT指令的形式实现数据传输及指令下发，程序流程如图6所示。

图6 NB-IoT程序流程图

3.2 电机驱动程序设计

系统选择直流电机对闸门开合进行控制，单片机定时器输出PWM信号驱动电机，通过调节占空比改变电机转速来达到系统需求。首先使能单片机定时器，通过配置TH和TL设置定时初值，控制PWM频率，单片机输出高电平使能驱动，PWM信号通过两根控制信号线输入到电机驱动模块，驱动模块输出端连接电机，控制逻辑如图7所示。

图7 电机运行逻辑

3.3 系统程序设计

当系统接收到云平台下发的灌溉指令后，单片机首先初始化所有外设，然后打开田间进水闸门的同时阻断水渠中水流流动开始灌溉，并开始采集水流速度等传感器数据，实时发送到云端。系统通过云平台预先模拟的灌溉水量进行灌溉，当水量达到预定数量时，通过土壤湿度判断灌溉效果，云端同时根据灌溉过程中的环境和当前土壤湿度计算补偿数据，最终完成既定灌溉任务，关闭进水闸门，打开阻水装置使水渠中的水继续向下流，沿水渠走向依次进行完成灌溉，系统程序流程如图8所示。

图8 系统程序流程图

4 Web端设计

Web前端主要实现人机交互功能，是连接云端与用户端的媒介。前端通过HTML5、CSS3、jquery等技术进行搭建，首先从云端数据库获取传感器数据并显示，还设置了控制指令下发功能，方便用户在系统运行过程中进行人为干预。

针对不同用户开放的权限也有所区别，因此用户类型大致分为管理用户和普通用户。普通用户可获取到传感器信息和灌溉状态信息等基本信息，不对其开放系统控制权限；管理用户可根据实际情况对系统进行人为干预，并获取系统数据库所有数据进行比较分析。

5 结束语

本论述通过对国内农田灌溉现状的的分析，对传统灌溉方式存在的问题进行了阐述，提出了一套基于物联网，以STM32作为主控制器，NB-IoT为通信方式的智能灌溉系统设计理念，分析了智能灌溉系统的优势及灌溉原理。本论述从硬件、软件和Web端设计三方面进行阐述，展示了系统设计的所有硬件设施及软件设计思路，介绍了软硬件原理及关键器件选型详细说明了系统工作过程及效果。针对用户群体不同，系统会分配不太使用权限，在保证系统正常运行的前提下实现精细化管理。系统所选用的STM32物联网农田灌溉系统建设将极大程度上解决传统灌溉方式带来的水资源浪费、效率低下等问题，为推动智慧农业建设打下了坚实的基础。