基于多网融合的节水灌溉信息化管理系统设计

吴海燕，闵宇辉，沈 冰

（1.湖州市水利局，浙江 湖州 313000；2.浙江滴石信息技术有限公司，浙江 杭州 310052）

1 问题的提出

随着社会的不断发展，节水灌溉已经成为农业园区管理的重中之重[1-3]，在传统的喷灌、滴灌等基础上，结合农业灌溉实际面临的问题及需求，利用信息化技术对农业园区的各类环境数据进行监测，实现对各个设备的远程控制、自动控制和智能控制是现代农业节水灌溉发展的必然趋势[4]。因此，迫切需要设计一种适用于农业信息化、智能化发展的节水灌溉系统[5]。

本方案提出一种基于光纤网络、Zigbee 物联网和无线网桥组成的多网融合节水灌溉系统，不仅有利于农业灌溉信息化系统的组网，降低组网的难度和成本，而且能够提高系统运行的稳定性，达到节水灌溉智能化目的。

2 系统总体设计

2.1 系统总体架构

根据农业灌溉的实际生产需求和项目可行性等因素，系统总体架构由视频监控子系统、灌溉控制系统、土壤墒情和环境监测子系统3 部分组成（见图1）。3 个子系统模型根据物联网的经典3 层架构，组成感知层、传输层和应用层[6]。

图1 系统总体架构图

感知层通过终端连接的图像、流量、压力、照度、温湿度等传感器实时采集农业园区的各类数据信息并完成上报；传输层根据各自网络的协议进行网络部署，连接感知层和应用层，实现各子系统模型上传数据和下发指令的通信传输[7]，视频监控子系统和灌溉控制子系统采用基于光纤网与无线网桥融合的传输层，土壤墒情和环境监测子系统采用基于Zigbee 网络的传输层；应用层是系统的核心，可以配置农业专家系统，不仅能担负起各类数据存储和计算处理的任务，还能通过数据分析下发较优的执行命令至各个终端实现节水灌溉。

管理中心数据库服务器可以存储、处理各类田间数据，视频工作站、管理中心大屏和手机端通过网络可以接收到视频监控子系统、灌溉控制子系统以及土壤墒情和环境监测子系统传输的数据。

2.2 子系统功能

视频监控子系统是目前信息化和自动化建设的标配。考虑到农业生产的范围广，管理中心与田间存在一定的距离，因此将硬盘录像机设计在田间LCU 柜中，利用光纤连接摄像头，保证视频存储的可靠性，管理中心视频工作站通过无线网桥的连接可实时查看田间视频。

灌溉控制子系统采用可编程逻辑控制器作为主控单元，同样安装在田间LCU 柜中，支持实现本地和远程控制方式。可编程逻辑控制器采集压力、流量等数据，结合土壤墒情和环境参数，通过田间电磁阀和水泵的合理控制，实现田间作物自动灌溉、轮灌等，是节水灌溉系统的基础内容。

土壤墒情和环境参数监测是节水灌溉系统的重要组成部分。由于农业灌溉的范围较大，因此采用Zigbee 物联网设备自建无线网络方式，实现光照、土壤温湿度、空气温湿度等数据的实时采集传输，管理中心通过无线网关接收各类数据并存储至对应数据库。该方式具有低功耗、低成本、组网灵活和高可靠性等特点。

3 主要设备及原理

3.1 无线网桥

无线网桥利用无线传输方式实现在2 个或多个网络之间搭起通信的桥梁；无线网桥从通信机制上分为电路型网桥和数据型网桥。除了具备有线网桥的基本特点之外，无线网桥在2.4G 或5.8G免申请无线执照的频段工作，因而比其他有线网络设备更方便部署（见图2）。安装时不仅需要将无线网桥的天线对准，还应避免无线网桥之间存在较高的障碍物，确保接收信号的灵敏度较高，传输网络稳定。

图2 无线网桥安装图

由于无线网桥使用POE 供电，网线在传输数据的同时还需给无线网桥供电，因此网线过长或材质较差都会严重影响无线传输网络的质量。无线网桥与POE 的连接部分使用CAT5e（超5 类）或以上，长度控制在25 m 以内，交换机等设备与POE之间的网线长度控制在100 m 以内或用光纤传输。无线网桥与交换机之间的线路连接后，根据产品说明书设置各设备的IP 为同一局域网，即可正常实现无线通信。POE 具体接线见图3。

图3 POE连接图

3.2 Zigbee传感模块

自从马可尼发明无线电以来，无线通信技术一直向着不断提高数据速率和传输距离的方向发展。而当前被广泛研究的ZigBee 技术则正是一种为人们提供廉价、极低复杂度、低成本和低功耗的低速率无线通信技术。具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好、安全性能高、成本低和时延短等特点，受到广泛欢迎。本系统采用的Zigbee模块结构见图4。

图4 Zigbee传感模块结构图

CC2500 芯片，是TI（德州仪器）公司推出的一款超低功耗、低成本的无线收发模块，其载频范围在2.400～2.483 GHz，可用来实现多信道通信。

3.3 Zigbee无线网关

Zigbee 无线网关的基本功能是将基于TCP 协议的网络与基于Zigbee 协议栈的数据进行转换，从而将基于常用的以太网的数据发送到Zigbee 网络中，也可将Zigbee 网络中的数据发送到以太网中。Zigbee 无线网关组网具体结构见图5。

图5 Zigbee无线网关组网结构图

3.4 三网融合工作原理

根据图1 所示，一方面，系统利用光纤网络将枪机、半球机和一体化球机等视频信号保存至视频录像机中，利用无线网桥传输图像至监控中心大屏和视频工作进行显示，实现实时监控；另外利用光纤网络和无线网桥传输可编程逻辑控制器采集的压力、流量等数据。另一方面，通过中控系统下发指令，控制田间电磁阀和水泵启闭，实现远程灌溉，并通过Zigbee 无线网络将Zigbee 无线模块采集的土壤墒情及环境参数实时传输至监控中心服务器，为灌溉控制和规划提供数据支撑。将光纤网络和无线网桥以及Zigbee 无线网络融合在一起，不仅能够实现环境复杂的农业园区信息化系统建设，还可以根据地形地势灵活选择网络类型。

4 系统应用

系统开发完成后，在某农业园区进行试点应用，根据现场地形地势，通过合理布局多网融合实现信息化系统的建设。在平坦的种植区域安装摄像头、Zigbee 模块、传感器、控制柜、设备箱、电磁阀和水泵等设备，然后敷设光纤网络以及电缆，利用在监控中心安装Zigbee 无线网关实现种植区域土壤墒情和环境参数的采集以及灌溉控制；监控中心距离种植区域800 m 左右，且中间地势坑洼，高空无阻挡，因此采用无线网桥通信。多网融合的方式不仅实现园区信息化系统的组网，而且减少人工和设备投入以及建设工期，降低项目成本10%左右。

项目建设视频监控系统、灌溉控制系统以及土壤墒情和环境监测系统，并开发基于多位融合的节水灌溉的软件平台（见图6）。软件平台设计了轮灌区的设置以及灌溉计划的制定功能，设置参数后，系统能够根据土壤墒情和环境参数自动化节水灌溉，通过视频监控可实时查看灌溉画面，实现远程管理与无人值守，系统使用后为园区管理减少人员投入1/3 以上，同时降低用水量1/5 以上，实现节水和降成本的目的。

图6 基于多位融合的节水灌溉软件平台图

5 结 语

本系统充分结合和农业园区节水灌溉的实际情况与管理需求，利用多网融合的方式可有效解决信息化建设组网难、可行性、成本高等问题，通过视频监控、智能灌溉和环境参数监测，实时掌握园区运行情况。该系统不仅能用于大棚园区的管理，而且同样适用于露天园区和山地园区，适用范围广，还可以对田间作物长势进行实时监测，实时了解作物生长情况。为各类型的节水灌溉信息化管理系统建设提供有效的解决方案。