基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统设计

摘 要： 光照监控与节水灌溉系统具有复杂性和滞后性的特征，传统控制方法的灌溉控制效率低，造成水资源浪费。设计一种基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统，系统主要由土壤湿度传感器、物联网采集终端、喷灌机控制终端、智能光照监控模块构成，通过物联网感应平台实现对农业浇灌配置的远程管控。利用智能光照监控系统使实际光照数据与理想数据接近，实现光照监控，介绍了终端采集模块的基本框架，给出GPRS通信模块和土壤湿度传感器的接口电路。软件设计中，分析了系统的功能模块，给出节水灌溉模式处理的部分关键代码，介绍了详细的软件设计流程。实验结果表明，所设计的节水灌溉系统可对光照情况进行精确监控，节水效率较高。

关键词： 物联网； 光照监控； 节水灌溉； 终端采集模块

中图分类号： TN926?34； TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）20?0149?05

Abstract： The light monitoring and water?saving irrigation system has the characteristics of complexity and lagging performance， and the traditional control method has low irrigation control efficiency， which may results in waste of water resource. An illuminance monitoring and water?saving irrigation system based on Internet of Things （IOT） was designed. The system is composed of soil moisture sensor， IOT collection terminal， sprinkler control terminal and intelligent illumination monitoring module. The remote control of agriculture irrigation configuration is realized by means of the IOT sensing platform. The intelligent illuminance monitoring system is used to approach the practical illumination data to the ideal data， and monitor the illuminance. The basic framework of terminal acquisition module is introduced. The interface circuits of soil humidity sensor and GPRS communication module are given. In software design， the function modules of the system are analyzed， the part critical codes of the water?saving irrigation pattern processing are given， and the software design process is introduced in detail. The experiment results show that the designed water?saving irrigation system can monitor the illumination status accurately， and has high water?saving efficiency.

Keywords： Internet of Things； illuminance monitoring； water saving irrigation； terminal acquisition module

0 引 言

当前我国的农作物干旱问题，对农业生产发展产生了不好的影响。在复杂的地理环境与光照的作用下，我国农业用水资源量和灌溉效率较低[1?2]。因此，设计一种光照监控与节水灌溉系统具有重要意义，已经成为相关学者研究的重点课题，受到了越来越广泛的关注[3?5]。

文献[6]提出的节水灌溉控制器利用红外线热电偶收集土壤信息，结合对大气湿度和土壤湿度条件的分析，使数据更精准，谋划更全面，由于控制器的价钱不符合农民的心里价位，因此比较难推广。文献[7]描述的模糊控制系统以编制好的管理程序为依据，对作物水量的需要进行灌溉，该系统的优点是管理准确，缺点是不符合中国现实情况，得不到全面发展。文献[8]的灌概操作系统在单片机基础上研发了闭环自动控制系统，它可以利用多点对土壤湿度进行收集，具有多种路径传输、不定期灌溉、定点按时灌溉的优势，系统的容错配置使系统在工作状态下更方便使用，同时在不同的环境条件下可以对模块重新排列组合，由于其过程复杂，现实中操作较难。文献[9]通过模糊控制理论设计的模糊推理节水灌溉方法，将作物的蒸发量和土壤水量作定为输入变量，将作物的需水量当成输出变量，能够及时精准地获取作物需水程度，具有一定的工程应用参照价值，缺点是易受到外部条件的干扰，收益率低。

针对上述方法的弊端，设计基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统，给出了系统的总体设计，通过物联网感应平台实现对农业浇灌配置的远程管控。利用智能光照监控系统使实际光照数据与理想数据接近，实现光照监控。介绍了终端采集模块的基本框架。软件设计中，分析了系统的功能模块，给出节水灌溉模式处理的部分关键代码，介绍了详细的软件设计流程。实验结果说明，所设计的节水灌溉系统可对光照情况进行精确监控，节水效率较高。

1 硬件设计与实现过程

1.1 系统硬件的总体逻辑单元结构设计

基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统主要由土壤湿度传感器、物联网采集终端、喷灌机控制终端、智能光照监控模块构成，详细结构如图1所示。土壤湿度传感器被埋至土壤中，以得到不同深度的土壤水分信息，同时将其变成0～5 V的模拟电压信号。智能光照监控模块使实际光照数据与理想数据接近，实现光照监控。物联网采集终端对土壤湿度传感器和光照监控模块的信号进行采集，通过GPRS 单元将采集的信息发送至监控中心。监控中心不断接收物联网采集终端传输的信息，通过分析获取最佳灌溉方案，将灌溉命令传输至喷灌机控制终端，实现节水灌溉。

1.2 物联网的逻辑结构硬件设计

物联网感应平台主要由智能传感平台、营运调控平台、网络传递平台和实际操作平台4部分组成。每个感应平台的构成都有不同的作用。首先，智能感应平台需要在智能图像操作系统和泥土湿度与温度视觉感应器的引领下完成对土壤中所含水分以及土壤冷热的检测。其次，营运调控平台主要用于对当季天气的旱涝情况进行预先报到，以便及时对庄嫁进行补救和产量的预测，它还具有远程操控浇灌作用，达到对水资源的节约利用的目的。再次，网络传递平台是整个物联网体系的根基，它由PAN 网络、LAN 网络、WAN 网络和网络传递标准组成。最后，利用实际操作平台把实时的天气和旱涝消息经过PAD、移动电话和互联网等其他网络工具传递给使用者。这样不仅实现了对农业浇灌配置的远程监控，也可使政府部门准确掌握农业天气变化，以便在宏观上了解农业生长状况，实现节水与调整的全方位处理。

1.3 智能光照监控模块的硬件设计

智能光照监控系统采用传感器节点收集温室里外环境的阳光、水分、浓度和温度，对农作物的环境情况、生态情况和种植作物的长势情况做出研究后，利用监控的对应功能对各种要素进行主动的管理，使光照条件和作物的生长情况相适应，达到准确合适的成长和增加产量与提升质量的目的。

总体结构示意图如图3所示。

系统通过自动控制模式与手动控制摸式对光照进行监控，两种模式可利用控制面板切换。手动控制模式较简单，由操作人员直接控制，通常用于调试异常情况。在自动控制模式下，计算机通过运行，将光照调控理想数据传输给寄存器，将实时监控数据和理想数据进行对比，智能操作光照控制机构的开关，使实际光照数据与理想数据接近，实现光照监控。

1.4 物联网信息采集单元的硬件设计

基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统的终端采集模块是物联网采集单元，其基本框架如图4所示。

土壤湿度感应器把收集到的土壤数据，通过镶嵌状的微控制器MCU操作后传送到采集单元，再经过GPRS 网络传输到管理中心计算机上，就会自动呈现出关于湿度的数值情况。子系统内的参数转换器 ADC接收到的土壤感应器信息是经过信号调理电路操作的最终数据。GPRS板块收到利用串行口反馈的数据后，通过网络关口将其传输到Internet上，与Internet相连的中心站计算机就会得到数据。

在该设计中，选择的 GPRS 通信模块接口均是TTL 电平接口，它能和ATmega128 单片机的串行接口直接相连，接口电路如图5所示。

GPRS模块需采用直流5 V电压供电，通信节点是TXD，RXD，能与AVR 单片机的串行接口直接相连，ONLINE是在线提示入口，与互联网接通后端口会发送一个低电平信息，利用74ALS04 完成反向处理后会驱动D1发光二极管，如果发光二极管变亮，说明GPRS模块和网络相连。

在物联网采集终端中，土壤湿度传感器接口输出的信号经线性转换操作后被发送至ATmega128的ADC1引脚，通过 ADC实现模数转换。土壤湿度传感器接口如图6所示。

由于湿度传感器传出的电压信号需经过远距离的电缆输送，缺少牢固性，易受到中高频率设备噪音的影响，因此需在电压信号传进电路后和进入ADC前利用低通滤波把噪声和干扰滤除。通过滤波器后的传感器输出信号首先通过R1与R3合成的分压电路变换成为0～4.09 V的电压信号，然后经一级缓冲，最终传输至操作器的ADC端口。

2 系统软件设计

2.1 软件功能设计

为了全面推广基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统的设计，让使用者更方便清楚地了解该系统，给出该系统的五大功能，系统功能图如图7所示。

（1） 地理信息空间展示功能：地理信息空间展示功能主要包括节水浇灌智能管理终端呈现和万亩方示范区数据信号呈现。其中水浇灌智能管理终端呈现的具体项目有井房管理、农业机井与节水状况监察测试点、天气变化监察测试点、幼苗生长监察测试点和农田里智能操作设备等基础配置空间显示。万亩方示范区数据信号呈现包括对地表轮廓数据显示、耕地分布与利用数据显示、耕种作物数据显示、行政单位规划数据显示、水利和道路车辆情况显示以及森林分布数据信息的显示。

（2） 信息综合查询功能：信息综合查询功能是把查找的最终数据与空间分布位置统一呈现出来的一种查找功能。

（3） 通信服务功能：通信服务功能主要包括两个方面：承担与井房管理站的信息传递，收集浇溉范围内的墒情、气象等传感器数据消息；保障墒情检测点信息的畅通，能够不间断传递灌区墒情数据情况。

（4） 农田节水分析决策功能：农田节水分析决策功能利用通信技术掌握灌区数据并对浇筑用时和灌水定点时间进行最终分析，它是整个系统的中心计划核心。它具有不同类型的灌溉决策样本，主要有按照时间定点的灌溉决策样本，按照感应器、气象数据和作物成长样本的智能灌溉决策模型，以及远距离非自动化的灌溉决策模型三种类型。

（5） 农田节水智能灌溉控制功能：农田节水智能灌溉控制功能主要有管理决定远距离输送和监管浇灌时的及时数据以及特殊情况下送水路径的预警提示。利用短信形式对出现的特殊浇灌情形进行提示，实现实时情况下对浇灌设施的管理。

2.2 灌溉控制处理模块软件设计

2.3 软件设计流程

灌溉操作的规划设计需按照土壤中所含水分的多少即旱涝状况来具体执行，这样能够及时获得准确的前沿土地数值，为具体负责单位提供参考根据，在此基础上再对各个地域的缺水情况做出整体全面的研究，提出解决方法。为了不浪费能源，使该系统发挥更好的作用，可以采用区域派遣形式对不同程度的干旱土地进行差异化灌溉。将先前收集到的土壤干旱程度和解决办法发送到传感器节点，按照得到的返回数据，通过传感器网络末端的终端信息，获取各区域具体需要的灌水量。详细的软件设计流程如图8所示。

3 实验结果及对比

为了验证本文设计的基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统的有效性，需要进行相关的实验分析。实验将传统广域灌溉系统作为对比进行分析。实验环境如图9所示。

将不同区域不同旱情的农作物作为研究对象，分别采用本文系统和广域系统对农作物进行节水灌溉，灌溉准确度曲线比较结果如图10所示。

分析图10可知，在不同区域的土壤环境下，采用本文系统的灌溉准确率一直高于广域系统，这主要是因为本文系统依据物联网关联技术，对不同区域土壤中的不同旱情进行了分析。详细统计结果如表1所示。分析表1可知，针对任意区域，采用本文系统的用水量一直远远低于广域系统，说明本文系统有很好的节水灌溉性能，有效弥补了传统系统的不足。

4 结 论

本文设计了一种基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统，系统主要由土壤湿度传感器、物联网采集终端、喷灌机控制终端、智能光照监控模块构成，通过物联网感应平台实现对农业浇灌配置的远程管控。利用智能光照监控系统使实际光照数据与理想数据接近，实现光照监控。介绍了终端采集模块的基本框架，给出了GPRS通信模块和土壤湿度传感器的接口电路。软件设计中，分析了系统的功能模块，给出节水灌溉模式处理的部分关键代码，介绍了详细的软件设计流程。实验结果说明，所设计的节水灌溉系统可对光照情况进行精确监控，节水效率较高。

参考文献

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