基于物联网技术的农田滴灌远程控制系统的研发*

胡天让

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

近年来，由于气候变化和人类活动，河西地区可利用地表水资源数量急剧减少，产生土壤次生盐碱化、河道径流减少和地下水位下降等问题。从而导致大量农田、林地和草场不同程度的退化，严重制约着该地区的经济发展和农业生产力的提高。因此，为有效节约水资源，应重点关注农业用水。而农田滴灌是最有效的节水灌溉方式之一，对水资源的利用效率极高，可以达到 95%左右[1]。目前，农田滴灌虽然广泛应用于农业生产，有效实现了对农田的节水灌溉，但智能化程度低，人力资源浪费严重。基于此，课题组结合物联网技术和现代控制技术，设计了一种基于物联网技术的农业滴灌远程控制系统，以有效解决当地水资源稀少的问题，提高农业水资源利用率，促进当地经济发展、生态恢复保护、农民脱贫致富。

1 滴灌系统开关环境及检测因素确定

1.1 滴灌系统开关环境

课题组基于物联网技术进行农田滴灌系统服务器端设计，主要利用Friendly ARM H43作为系统平台，实现Web服务和智能灌溉网关的设计。其中，Friendly ARM作为一体化平台，具备低功耗、高性能等优点，可以利用虚拟技术将嵌入式操作系统移植到平台当中，形成用户界面。同时，服务器端系统的环境设计主要完成了Linux内核与UBOOT的变异，并将内核烧写到开发平台上。数据采集端设计离不开ZigBee技术，其实现了无线传感器的网络通信服务，并进一步满足了ZigBee网络协议以及ⅠEEE 802.0.4技术标准等方面的需求。此外，无线传感器网络的低功耗特点，不仅可以承载较小数据流量的业务，还能够充分满足对农作物生长环境的基础系统采集以及数据的快速传输，最后搭配合适的路由器，实现对采集范围的扩大。

1.2 检测因素的确定

1）温度和湿度。土壤温度与土壤湿度作为影响作物生长和灌溉的最主要因素，首先被确定为系统检测因素。2）光照强度。光照对作物的蒸腾作用具有一定影响，如果夏季光照强烈时灌溉，将导致作物出现“生理干旱”，对作物生长造成较大影响，因此将光照强度作为一个重要检测因素。3）灌溉水压。受到泵站供水、地形起伏和局部水头损失等因素的影响，灌溉水压会发生一定变化。而水压又会对滴灌带寿命、滴灌稳定性和自动施肥器工作造成影响，因此将水压作为系统灌溉过程中的一个重要控制因素。4）滴灌带水流。滴灌带水流大小检测主要用于对滴灌带堵塞情况的控制。

2 基于物联网技术的农田滴灌远程控制系统的总体设计

2.1 系统结构设计

农田滴灌远程控制系统运行时将受到环境变化干扰、通信能力不可控、芯片处理能力受限等因素的影响。因此，在设计时需要充分考虑系统的功能、通信能力、数据完整性、处理能力以及供电能力等方面的可靠性，增强系统的容错能力，保证系统能长期稳定运行。控制界面设计应简洁大方、操作简单，方便用户使用。系统研究时，应重点解决以下问题：运用传感器模块对农田数据的采集、无线模块的运用、触摸屏界面与手机App客户端的开发、模糊控制研究以及控制程序的设计与开发等。

基于物联网技术提出的一种农田滴灌远程控制系统，主要由太阳能光伏板、传感器模块、无线传输模块、手机App和上位机、PLC控制模块等多个部分组成，具体如图1所示。

图1 基于物联网技术的农田滴灌远程控制系统框架示意图

2.2 系统主要功能模块设计

2.2.1监控模块设计

系统监控模块设计，主要通过上位机软件与云服务器系统两者进行连接，从而将现场数据一起同步到云服务器当中。这时，可以利用微软系统和安卓系统将对应的监控软件安装到PC和手机上，用户只需要在设备上登录到云服务器当中，就能够通过监控软件对农田现场的数据进行实时监控，如土壤湿度、温度、光照强度以及滴灌时间和电磁阀状态[2]。

2.2.2传感器选择

基于物联网技术的农田滴灌远程控制系统的传感器设计，主要分为光照、温湿度以及水流量等传感器和压力变送器等方面。首先，光照传感器的设计选择MAX4409型号环境光传感器为主[3]。其次，温湿度传感器的设计主要选择瑞士生产的SHT20型号数字式传感器，此传感器具备I2C总线接口、低功耗等优点，能够将系统监测的结果直接转换成串行数字信号输出。再次，压力变送器的设计以通用型压力变送器为主，它不仅能够满足RTU协议的标准，还能够实现0~0.6 MPa范围测试。最后，水流量传感器的设计，以YF-S201型号的流量传感器为主以实现农田水流量传感器的设计，同时此传感器具备耐水压能力。电磁阀的选择以DC12V4分常电磁阀为主，实现了对农田滴灌系统的灌溉的启停控制。

2.2.3无线数据传输模块设计

针对无线数据传输模块的设计，选择利用具有超低功耗和透传能力的跨阵M4物联网模块所装配的WiFi模块，为物联网应用和手机App应用提供基础依据。而该模块通过互联网实现了联网通信，当模块向软件发送相关数据时，只需要利用TCP连接就能够进行数据传输，并对物联网农田滴灌系统进行远程控制操作[4]。

2.3 手机App设计

针对手机远程控制App设计，主要通过安装平台利用Java语言开发而成，并利用无线透传方式实现农田间的设备与用户手中的远程控制App之间的数据通信。当App接收到关于农田的数据后，可以通过对设备定时的方式下达相应的任务，这样一来就能够在固定的时间实现对农田灌溉的工作。而物联网技术的应用，在为App提供良好的体验时，还能够让用户随时随地通过App进入云端平台查看与分析农田智能设备的数据，并将土壤湿度数据和水位情况实时上传到上位机显示界面上[5]。而App的设计，还为用户提供了远程控制农田中电磁阀的启停的功能，实现了农田排水与灌溉。

2.4 硬件设计

节点作为物联网传感层当中的一项基本组成单元，具有信息传输功能和环境感知功能。可以借助不同类型的传感器实现实时采集周围环境的状态信息，还能够控制农田自动化灌溉。而节点硬件的设计以微处理器为核心，通过采集传感器采集数据，并将其反馈到远程服务器上。同时，节点的设计主要具备供电电路、扩展电路、无线通信模块、控制电路以及传感器信号转换电路等功能。而网关的设计主要承担了人机交互功能、数据信息传输以及逻辑控制等，以模块化结构设计的网关硬件，实现对复杂情况的处理。如在某个全面覆盖4G网络的农田当中，利用4G网络通信模块，可以实现对农田的远程控制滴灌操作。

3 模糊控制智能算法研究

3.1 模糊控制设计

传统农田滴灌系统，主要通过人为手动控制电磁阀的启停，缺少了对农田滴灌用水的精准控制。而基于物联网技术设计的农田智能滴灌远程控制系统，通过上位机、App移动端就能够实时监控农田现场的情况，然后结合反馈得到的相关数据进行智能算法研究，再精准地调整农田滴灌控制系统的输出，达到高质量、精准的灌溉状态。但由于当前大部分算法是通过数据模型构建而成的，只要滴灌系统进行农业灌溉，就会发生不确定性与滞后性等问题。所以，课题组提出的模糊控制智能算法，并不需要构建精准的数据模型，而是利用专家经验与专业知识设计的一款模糊控制器，具体结构如图2所示。此模糊控制器可以通过模仿人类的思维方式提供决策。而在现有的农田滴灌远程控制中，只能对输入土壤湿度为模块控制的输入量进行控制。但对于农作物的生长以及是否缺水情况的判断，既需要充分地考虑当前土壤湿度问题，又需要充分考虑土壤自身受到的降雨量、渗漏量以及蒸腾量等方面的影响。所以，课题组提出的模糊控制器，融合了土壤湿度与土壤湿度变化率等数据为输入量。通过构建二维模型控制器，实现了对农田的智能滴灌[6-8]。

图2 模糊控制流程示意图

3.2 模糊控制实现

利用MATLAB 2018部署工具[9]，为模糊控制器提供了相应的组件与函数，借助函数和组件的向导编程，实现了对农田智能滴灌模糊控制智能算法的设计。同时，利用部署工具将智能算法打包成文件库，并生产对应的程序集，然后结合上位机软件上接口，可以实现外部互联。通过将土壤湿度传感器所传输的现场数据和智能算法两者结合，可以计算出需要对农田滴灌的时间，并向系统发出准确的滴灌指令。

3.3 上位机与下位机模块设计

3.3.1上位机模块设计

针对上位机模块的设计，主要由PC机和台式机两个部分组成。其中，上位机的设计，通过配置农田滴灌参数，可以远程操作发送施肥命令和农田灌溉命令。同时，借助上位机的显示器，可以实时对农田灌溉的情况以及环境变化参数信息进行监控，借助设定的标准初始值，搭配模糊逻辑规制，实现了对控制命令的计算。针对控制系统的设计主要由两个部分构成：MySQL数据库和Java编程语言，实现了对前端显示功能以及后端逻辑控制功能的设计。针对农田远程控制系统的上位机设计，课题组选择利用WinCC Flexible 2008组态软件，实现了上位机控制界面的设计。而上位机设计，一方面实现了对传感器节点所上传的数据进行实时记录和显示，另一方面实现了不同类型传感器与系统中设定的值进行对比分析，可以对农田的信息与智能滴灌系统是否正常运行进行判断，为后续工作提供相应决策支持。上位机软件部分设计主要包含了控制模块、参数设定模块、网络通信模块以及人机交互模块和数据显示模块、查询模块等六个部分。通信模块的设计，实现了无线网络的建设以及对不同类型的信息进行传输、控制命令接收与发送、协议修订，为系统的稳定运行和数据传输提供了保障。参数设定模块设计，借助上位机界面显示屏，可以实现对温度标准参数、湿度参数以及EC和pH等指标进行设定，并可以根据农田中不同节点农作物的生长环境需求，对参数的上限值或者下限值进行调整。

3.3.2下位机模块设计

下位机作为执行端，针对该模块的设计可以选择利用单片机来实现相关功能，如利用AT89C51型号的单片机，这样既可以有效节约成本，还能够满足不同功能需求。传感器的应用实现了对农田周围环境信息的采集与传输，利用编码器可以对所采集的信息进行编号处理和多点控制，并将其转化成数字信号，最后在执行端的LED显示屏幕上进行显示。这样既充分保障了相关数据信息的实时更新，还能够同时将数据传输到上位机的显示界面上，并将对应数据存储保存在云端数据库与MySQL数据库当中。同时，除去单片机的应用，还需要在下位机（执行端）上接入多种类型的外围设备，比如光照传感器设备、无线网络通信模块设备、电源模块、电磁阀、LED显示器、温度湿度传感器等设备，以此构建完整的下位机控制系统，实现对农田的智能化远程滴灌。本系统设计主要通过远程自动控制方式和手动控制模块实现对系统的控制，所以通过上位机界面窗口显示与其他硬件设计能够实现对农田的温度、湿度以及光照情况、灌溉水压等方面进行设定与控制，达到农田精准灌溉的目的[10]。

4 实验结果分析

为了进一步验证课题组设计的基于物联网技术的农田滴灌远程控制系统在实际应用中的可行性，结合某个地区的农田灌溉对此远程控制系统进行测试分析，并分别从ZigBee子节点、系统客户端、服务器数据通信以及无线传感网络等多个方面展开了相应的实验。最后，经过多次反复测试、调试工作之后，证明了该农田滴灌远程控制系统在实际应用过程当中能够保持正常运行，并且可以满足不同类型环境的需求，尤其是针对花园、温室蔬菜大棚等封闭的环境，本系统的应用既可以有效降低人力成本，还能够充分满足农田区域化的灌溉需要。

5 结语

综上所述，我国的农田灌溉系统在现代化水平上虽然取得了很大的进展，但相较于发达国家仍有差距。研究基于物联网技术的农田滴灌远程控制系统设计，从农业传感器、无线通信网络和智能控制技术三个方面对现有滴灌控制系统进行改良。并通过在农田中安装滴灌控制传感器节点和无线传感网络实现了对农田环境参数信息的采集，并为农田滴灌智能控制提供了相应的基础支持。而智能控制技术在农田滴灌系统中的应用，实现了对农田中的电磁阀启停控制以及节水灌溉任务，从而保障了农作物能够时刻在适宜的环境中生长，推动了农业增产增收，实现了智能化精准农业。因此，本系统的设计具有一定的应用前景。