农田智能节水灌溉远程监测系统的设计与实现*

闫海兰，尚坡利

（兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730000）

0 引言

随着高新技术的发展，农业灌溉模式由人工粗放灌溉逐渐向智能灌溉发展［1］。西方部分发达国家在农业智能灌溉方面的研究较早，农户可以在家里清楚了解农田湿度情况，远程实施灌溉，并利用高新技术精准确定灌溉时长［2］。我国是缺水农业大国，全国受旱耕地面积因水资源短缺逐年增大［3］。加之我国的农业智能灌溉技术起步较晚，因此目前我国大部分农田仍采用人工粗放灌溉方式，这种方式导致水资源浪费大、忽略了降雨量对土壤湿度的影响且劳动强度大［4-5］。为解决这些问题，国内引进了西方发达国家先进的农田智能灌溉控制系统，可是经使用发现该系统不仅成本高，而且无法适应本土农作物所需。因此，研发一种适应我国农田的智能灌溉控制系统是非常重要的。

土壤湿度传感器采集的土壤湿度信息为农田智能灌溉控制系统提供了基础数据，因此土壤湿度传感器的型号及灌溉控制方法的选择至关重要。传统的灌溉控制方法为：当检测的土壤湿度高于土壤湿度设定值的上限时，立即停止灌溉；当检测的土壤湿度低于土壤湿度设定值的下限时，立即开启灌溉。但是大部分农田是不平的，且农田不同区域及不同深度的土壤湿度也是不一样的。因此，传统的农田湿度控制方式很难全面准确地反应土壤湿度情况。一方面，将土壤湿度传感器深埋，可防止频繁性的灌溉，但有可能导致久旱才能灌溉或农作物旱死；另一方面，将土壤湿度传感器浅埋，这种方式则有可能导致经常性的灌溉，浪费水资源。因此，土壤湿度传感器的分布及土壤湿度控制方式需要采取更好的方式。

基于上述问题，本论述提出了一种农田智能节水灌溉远程监测系统。在该系统中，传感器均匀分布在农田种植环境中，传感器采集农田湿度信息和雨量信息，并通过无线通讯模块远程传送到集控中心。集控中心利用LabVIEW开发了可视化的软件平台，并将网页上的天气预报引入智能控制系统。最终根据天气预报、土壤湿度信息及农作物在不同生长阶段的根系长度自主决策灌溉，当传感器检测到的土壤湿度信息高于设定值上限时，适当延长灌溉时间，使水能够渗透到农作物根部。该农田智能节水灌溉远程监测系统节约了成本，达到了节水、优质、增产的效果。

1 农田智能节水灌溉系统整体设计

农田智能节水灌溉系统设计时应考虑：（1）误差小。选择的传感器测量精度必须要高，且传感器应均匀分布在农田中进行多点采样，以防因农田不平导致传感器检测到的信息不正确。（2）易操作。系统操作界面设计应简洁、友好、易操作，并且在界面上清晰地显示生长阶段、手动控制按钮、土壤湿度信息等。（3）模块化结构。系统应使用模块化结构，这样当农户需求发生变化或系统需要升级换代时，只需将不同的模块进行连接即可。（4）传送效率高。传感器应实时将土壤湿度信息远程传送到控制中心，方便农户准确掌握土壤湿度信息，决定是否灌溉。

实地调研及综合考虑，对农田智能节水灌溉控制系统进行了整体设计，系统总体设计方案如图1所示。

图1 农田智能节水灌溉系统总体架构

从图1系统总体架构可知，该系统整体主要有2部分组成，分别为传感器模块和集控中心。传感器模块主要用于农田信息的采集与远程传输；集控中心主要负责农田信息的显示、灌溉方式的选择及灌溉控制过程。传感器模块包括传感器和无线传输模块，由于本系统要测量农田湿度和降雨量信息，所以该系统将用到土壤湿度传感器和雨量传感器。考虑到农田不平，本系统将农田划分成了4个区域，因此需要4个土壤湿度传感器。无线传输模块传输信息降低了成本、维修更方便。集控中心包括电磁阀、继电器、PLC模块、PC上位机等。电磁阀作为执行元件用于执行灌溉。PLC模块作为控制器，输入端口采集传感器信号，执行程序并最终输出到输出端口进而驱动电磁阀实时灌溉。PC上位机界面上有手动控制灌溉按钮、自动控制灌溉按钮，且可显示天气预报信息、电磁阀状态信息和土壤湿度信息，并在该界面上可以选择农作物的生长阶段来自主决策灌溉。

该系统整体的工作流程为：首先传感器采集土壤湿度信息和降雨量信息，然后无线通信模块将传感器采集的这些信息远程发送到集控中心的PC上位机上，最后农户可以根据PC上位机界面上显示的土壤湿度信息执行手动灌溉。农户也可以选择农作物目前处于的生长阶段，根据天气预报信息、土壤湿度信息和农作物的生长阶段，当需要灌溉时，驱动电磁阀开启灌溉，并根据农作物的生长阶段，适当地延长灌溉时间，使水渗透到农作物的根部。这种方法避免了传统灌溉控制方式造成的频繁灌溉或土壤长期保持在较湿的环境中，使得农作物烂根或病虫害侵蚀。因此，该系统中以时间为变量的控制方法可以达到节水、增产和优质等效果。

2 农田智能节水灌溉系统实现

2.1 系统硬件实现

农田智能节水灌溉控制系统性能优劣的关键主要取决于传感器信号采集的准确性，因此本系统选择的传感器适用性强且精度高。经多次比较和反复实验，最终本系统选择了图2所示的土壤湿度传感器。该传感器设计小巧，携带方便，安装、操作和维护都比较简单。它可直接埋入土壤中，不受腐蚀。它的主要参数为：工作温度为：-40℃～80℃，测量精度为：读数的3%（0%～53%时）、读数的5%（53%～100%时），相应时间：<1 s，输出信号为：RS485/4～20 mA/0～5 V/0～

图2 土壤湿度传感器

10 V。

本系统选择图3所示的雨量传感器。该雨量传感器体积小，安装方便，传输距离长，抗干扰能力强，且底盘内部设有水平调节泡，可以辅助底角将设备调整到最佳水平度。它的主要参数为：工作环境温度：-20℃～80℃，承雨口径为：φ200 mm，雨量测量范围为：≤8 mm/min，分辨率为：0.2 mm，误差：±2%，输出信号为：单干簧管通断。

图3 雨量传感器

传感器采集的信号若采用有线传输，则因布线问题工作量会大大增加，且传输距离将会受到限制。因此，本系统利用无线通信技术［6］实现了传感器信号向PC上位机上的远程传输。本系统选用的无线通讯模块如图4所示。该无线通讯模块通过RS485接收传感器信息，将该信息发送到GPRS网络，通过网关进入Inter⁃net，最终将信息传输给上位机得以显示。

图4 数据传输图

DTU参数的正确配置是保证数据可靠传输的基础，DTU主要的参数配置命令有：（1）开机初始化。设备开机需要进行初始化，当初始化完成时输出“AT Ready”。（2）串口参数配置。根据系统要求配置波特率、数据位、停止位和奇偶校验位等。（3）服务器配置。配置服务器连接方式，端口号及服务器地址。（4）SIM卡的号码配置。根据SIM卡的号码配置“AT+REVNUM”，当回应OK时表示配置完成。当所有的配置完成后，一定要重新启动无线传输模块，将传感器信号发送到目前配置好的服务器上。

PLC接收PC上位机发出的信号，然后驱动电磁阀实施灌溉或停止灌溉。因此，控制器PLC是确保可靠灌溉的基础。本系统最终选择了西门子S7-200 SMART PLC，该PLC与传统PLC相比，增加了一个以太网端口，PC上位机与PLC可实现以太网通信连接［7］。

2.2 系统软件实现

农田智能节水灌溉系统的监测过程主要是由PC上位机完成的，设计友好、功能齐全的开发平台有助于提高系统的监测性能。本系统选用LabVIEW软件开发平台，可以实现手动控制灌溉，也可以实现自动控制灌溉。该系统界面具体包括：灌溉控制单元、参数设置单元、天气预报单元、实时监测单元，如图5所示。

图5 系统界面组成

实时监测单元可监测农田土壤湿度信息和电磁阀状态，农户可清楚知道目前是否处于灌溉状态以及农田各区域的湿度情况。将网页上当地的天气预报引入农田智能节水灌溉控制系统，灌溉时查看3 d内是否有雨，若有雨则等待下雨，若无雨则灌溉。这样避免了灌溉完成后马上下雨的现象，减小了降雨量对农田智能的影响，节约了水资源。灌溉控制又分为手动灌溉控制和自动灌溉控制，手动灌溉控制即农户根据界面上显示的土壤湿度情况手动点击按钮实施灌溉，自动灌溉控制即根据天气预报信息、土壤湿度信息和农作物的生长阶段自主决策灌溉。

灌溉控制的流程如图6所示。首先根据农作物目前所处的生长阶段，在界面上对应选择。然后判断是手动灌溉还是自动灌溉，若是手动灌溉，则直接执行灌溉，若是自动灌溉，则先获取土壤湿度信息，并与土壤湿度的设定值比较，判断是否需要灌溉。若需要灌溉，则再判断3 d内是否有雨。若有雨则等待下雨，且在等待下雨的过程中，判断土壤湿度是否达到水胁迫下限。若土壤湿度达到水胁迫下限，则少量灌溉，解除水胁迫下限，然后再继续等待下雨；若土壤湿度未达到水胁迫下限，则无需少量灌溉。下雨时，用雨量传感器检测降雨量，并执行灌溉。灌溉过程中，应根据农作物的生长周期适当延长灌溉时间，使水能够渗透到农作物根部。

图6 系统灌溉流程

在系统灌溉控制的编程过程中，PLC和LabVIEW都需要分配明确的地址。由于本系统将农田划分成了4个区域，因此需要为4个手动控制开关和4个电磁阀分配地址，即PLC的IO信号各为4个。LabVIEW中既要实现手动灌溉控制又要实现自动灌溉控制，因此需要为远程手动控制开关和自动控制开关分配地址，地址分配具体见表1所列。

表1 PLC地址分配表

LabVIEW中设计手动控制程序，如图7所示。首先在前面板添加区域一、二、三、四的手动灌溉阀、灌溉指示灯。然后将它们的数据类型都修改为布尔型，且将手动灌溉阀设置为“写入”状态，灌溉指示灯设置为“读取”状态。最后在程序框图中进行相应的连线。

图7 手动灌溉程序图

3 农田智能节水灌溉系统功能测试

首先对数据的正确性进行测试。传感器采集到的信息的正确性对灌溉控制有直接影响。为防止传感器采集的数据向PC机远程传输时出现数据丢失或误差，需要测试PC机界面上显示的土壤湿度信息与土壤湿度传感器采集的土壤湿度信息是否一致。本系统选用的湿度传感器输出信号为RS485型，可以通过RS485接口连接到电脑上，通过配置工具对传感器进行配置。

将土壤湿度的监测值与实际测量值进行比较，当土壤湿度的监测值为68.1%时，实际测量值为66.8%；当土壤湿度的监测值为67.6%时，实际测量值为66.4%；当土壤湿度的监测值为64.6%时，实际测量值为63.8%。经多次测量发现，误差都未超过2%。因此，数据采集的准确性较高，满足系统要求。

本系统界面上不仅可以选择生长阶段，实时显示各区域的土壤湿度值，还可以控制手动灌溉阀按钮和相应的指示灯等。对该系统界面上的这些功能都进行了逐一测试，测试结果表明：本系统界面简洁、友好，当按下某个区域的手动灌溉阀按钮时，可手动实施灌溉，且对应的指示灯点亮；该系统也可根据生长阶段、土壤湿度信息、天气预报自主决策灌溉，测试界面如图8所示。

图8 系统测试

4 结束语

目前我国大部分农田仍采用人工粗放灌溉方式，这种方式导致水资源浪费大。本论述设计与实现了一种农田智能节水灌溉远程监测系统。在该系统中，传感器均匀分布在农田种植环境中，采集农田湿度信息和雨量信息，并通过无线通讯模块远程传送到集控中心。集控中心利用LabVIEW开发了可视化的软件平台，并将网页上的天气预报引入智能控制系统。最终根据天气预报、土壤湿度信息以及农作物在不同生长阶段的根系长度自主决策灌溉，当传感器检测到的土壤湿度信息高于设定值上限时，适当延长灌溉时间，使水能够渗透到农作物根部。同时对系统进行了测试，测试结果表明：数据采集的准确性较高，手动控制灌溉和自动控制灌溉都可按要求工作。