光电子信息处理的智能灌溉监控系统研究

江苏省东台市水利档案信息中心 贲婷华

我国农业灌溉问题一直困扰着农业经济的发展，为了有效的提高农业灌溉效率，降低投入成本，提高农业经济，我国积极的研究了智能灌溉监控系统，此系统以光电子信息处理为主，通过将光能转化为电能，为系统提供运行所需要的能量。本文通过对光电子信息处理的智能灌溉监控系统的硬件设计、软件设计以及将堤东灌区运用此监控系统取得的成果作为案例，充分表明了监控系统能够对灌溉系统实行有效的监控，且运行效果稳定。

1 智能灌溉监控系统与光电子技术的简单介绍

智能灌溉监控系统是利用无线传感网络技术、信息化技术和计算机技术等，通过监控系统对灌溉系统实施远程监测，根据监测的结果来进行水量的调节，并通过自动开启和关闭阀门，来避免因人员疏忽而造成的不必要的水资源浪费，最终实现了节水的目的。总之通过有效的应用智能灌溉监控系统，除了保证了农田能够得到合理的灌溉，又在最大限度上使水资源得到了充分的利用，节约了灌溉成本的同时还提高了灌溉效率，增加了农作物的产品，帮助农民增加了经济收入。可以说对灌溉监控系统进行研究是一本万利的项目，具有深远的意义。

光电子技术是由蓄电池、光伏、微电子等技术共同组合而成的，在很大程度上实现了光能转化成电能的功效。当前，光电子技术的应用范围也已经非常普遍，不仅在农业方面有所应用，同时在通信和医疗等行业也发挥着重要的功能。在农业领域中用光电子技术将光能转化成电能，为农业灌溉提供了其所需的能量，这样就可以将灌溉所剩余的电量输入电网中供其他项目所用。尤其在当前提倡节能减排的社会号召下，充分利用此技术将能够很好的解决能源危机这一难题。

2 硬件设计

2.1 系统的总体结构

对于智能灌溉监控系统来说，其设计方案可分为以下几步：第一，此系统主要是由执行模块、用户界面模块、光伏电池、中央控制中心和采集模块共同组成的；第二，本系统主要是通过无线传感网来实现对智能灌溉系统的动态监控以及数据的传递、数据的采集过程；第三，系统运行所需要的电能都是通过光伏电池给予的。

2.2 光伏电池

光伏电池的主要组成部分分别是蓄电池、光收发机、阳光传感器三部分构成，其利用光电子技术的优势使光能转变成电能。首先，阳光传感器是用来追踪太阳光线的，由于时间不同，太阳的光照角度也不同，光线的强弱也随之进行变化，而阳光传感器就负责对光照信息进行收集，使电池始终保持最高的充电效率；其次，蓄电池它是由24节电池串联组成的，既能输出电能，又能将多余的电量进行储存，以便在无光照的情况下把早已储存好的多余电量释放出来为系统运行提供所需电能。

通常情况下，阳光传感器的电路电压一般为12V，电池组中具有的电压一般为24V，数据采集模块中具有的电压一般是5V，为了使负载电压得到一定的程度上的满足，一般会采用对电路降压的方式来满足它的需求。

2.3 数据采集模块

此模块的组成部分包括A/D转换器、ZigBee无线传感网、pH值和湿度传感器、采集温度四部分组成。在组成部分中pH值和湿度传感器节点主要负责对土壤范围内的pH值和温湿度进行采集。由于采集的数据不能直接被识别出来，需要把接受到的数据通过A/D转换器转换成能够被识别的数值，然后再经网络传递出去。ZigBee无线传感网具有复杂度低、能耗低、成本低以及能够使数据实现双向传递的重要优势，所以在智能灌溉监控系统中被作为数据传递的有效方式。

2.4 执行模块

执行模块的主要组成部分分别是水泵、阀门、电磁阀三部分，主要是用来完成自动操作，实现自动灌溉功能的。通常情况下，执行模块在接到中央控制中心下达的灌溉指令的时候，根据指令的要求，在继电器的控制下对水泵的电磁阀阀门实行控制功能。其中电磁阀的电路图将在(图1）中具体的体现出来一般在通电的情况下，继电器处于闭合状态，这时候电磁阀就已经开始工作了，灌溉系统也随之将灌溉功能启动；当处于断电的情况下时，继电器也处于断路的状态中，这时候电磁阀也会随之停止一切工作，灌溉系统同样也会对灌溉功能进行关闭。

图1 电磁阀电路图

2.5 用户界面模块

此模块主要是将计算机与波形显示、数据存储、界面参数集于一体，当土壤的数据信息被传递到计算机中以后，数据的变化趋势就会随着实时显示出来，同时计算机会将这些数据进行自动存储，以便后期需要的时候可以对历史数据随时进行查看。

2.6 中央控制中心

智能灌溉监控系统的中央控制中心其实就是该系统的核心部位，其主要是通过PLC来实现控制功能的。中央控制中心会对通过设定的数值来对比采集到的数据，通过对比分析以后得出结果，然后将结果传递给执行模块，执行模块再根据指令来进行灌溉；与此同时，用户界面会将分析结果和数据进行实时显示，最终实现实时监控和智能灌溉的目的。

3 软件设计

智能灌溉系统能够成功的实现实时监控其中最重要的前提条件就是是否有可靠的数据传递为其提供保障。一般情况下，无线传感网络的数据在进行传递的过程中是通过等间距的Huffman算法来完成传输数据的过程的，但是在传递数据的过程中，如果利用此计算方式会因为采集点较多而造成碰撞现象的发生，这种碰撞主要是由于汇聚点数据太多而造成的，这样会消耗大量的能量；同时在存储数据的时候，也会存在类似的重复的数据，占有过多的存储空间，造成空间浪费。所以，应该采用非等间距的Huffman算法来完成传递数据的过程。

本算法的研究对象一般是湿度和温度的控制，首先，在去除环境中多余的重复的数据时可以采用多阈值的方法进行判断，然后通过Huffman算法对数据进行压缩，最终得到的环境信息将是被压缩以后的信息。这样既能使数据在传递的过程中始终保持准确性，又能保证数据是以最小量进行发送的，从而实现降低能耗的目的。

4 案例

堤东灌区续建配套与节水改造骨千工程项目共涉及项目28个，计划分3年来实施完成，其中2017年计实施完成1项（东台新抽水站工程），2018年实施完成13项，2019年完成剩余工程。堤东灌区信息化系统属于一个大型的系统工程，为避免重复投资或成为信息孤岛，一定要进行统一的规划。整体性规划的不完善或实施不利将会导致各个系统的兼容性差，信息流不畅，使自动化的大量投入所建设的仅仅是一个信息孤岛。需要合理调配整个系统的功能划分，使系统各部分能统一协调行。因此，要充分利用光电子信息处理的智能灌溉健康系统实现资源的最大化利用，为农业科技进步做出最大的贡献。

此系统的建设过程中，充分利用了江苏省和东合市相关单位已建设系统中环境、硬件、软件和数据资源，避免了重复建设，同时本项目的建设成果也应与相关单位共享。为实现信息资源的有效整合，本项目中所需要的数据资源需要统一汇总管理，有本项目中建设的数据存储和管理平台进行统一的存储、管理和汇总统计，实现系统各项资源和数据的高度整合和共享，系统所有针对数据的读取、操作，均来用统一的数据接口实现，数据存储和管理平台针对各个接口建立严格的权限管理和控制机制，结合多网络层级的管理，实现数据资源的安全管理。

结束语：综上所述，通过对智能灌溉监控系统的设计过程进行分析，并对其硬件设计和软件设计的过程展开剖析，可知，系统在众多模块的相互作用下共同发挥作用，最终实现了对智能灌溉系统的实时监控，并结合实际案例分析得知，采用此技术在很大程度上能够做到节能减排，节约水资源，从而促进农业科技的不断发展。