基于物聯網的精準農業灌溉系統監控軟件開發

周海蓮，張軍國，楊睿茜，賴小龍，呂靜霞

（北京林業大學工學院，北京 100083）

我國人均水資源匱乏，被列為世界上13個貧水國家之一。農業灌溉是水資源消耗的重要組成部分[1-2]。據統計，近幾年我國農業灌溉用水量占農業總用水量的90%，占全國總用水量的63%。傳統農業灌溉主要依靠經驗進行定時灌溉，存在水資源利用率低下的問題。

精準農業灌溉技術實現了灌溉的精準性及可控性，有效地解決了這一問題。物聯網技術是一種新型的信息處理方式，具有覆蓋范圍廣、數據處理效率高等優點，廣泛應用于環境監測、智能家居領域[3]。本文基于物聯網技術構建了精準農業灌溉系統，重點對系統監控軟件進行了開發，以實現對灌溉系統的遠程監測控制。

1 基于物聯網技術構建的精準農業灌溉系統

基于物聯網技術構建的精準農業灌溉系統由五部分組成，分別為：傳感器網絡、電磁閥陣列、灌溉監測控制器、GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務技術）模塊、遠程監控計算機。系統結構如圖1所示。

圖1 精準農業灌溉系統結構圖

圖1中，傳感器網絡由數百個土壤水分傳感器組成，用于監測不同區域、不同深度的土壤水分。灌溉監測控制器控制土壤水分傳感器是否采集數據以及電磁閥是否打開。由于農田面積大，需要控制的土壤水分傳感器及電磁閥多，因此采用分區控制的方法，每個控制區域設有一個灌溉監測控制器。當某一控制區域內傳感器測得土壤水分超出設定的灌溉閾值時，灌溉監測控制器控制電磁閥打開或關閉。遠程監控計算機使用戶能夠遠程監測控制農田的灌溉狀況，它與灌溉監測控制器通過GPRS進行通信。

作為用戶與精準灌溉系統進行信息交互的平臺，遠程監控計算機監控軟件的好壞決定系統是否能夠準確按照既定灌溉方案執行灌溉。本文基于監控軟件的設計展開詳細討論。

2 監控軟件功能需求分析

該監控軟件需要實現對電磁閥的遠程控制、實時顯示土壤含水量、存儲歷史數據及報警數據、切換系統灌溉模式。同時，由于監控軟件實現人機交互，因此需要有友好的人機交互界面[4-5]。

監控軟件分為四大模塊，分別為：用戶設置、參數設置、數據管理、采集控制，如圖2所示。

圖2 監控軟件組成圖

3 監控軟件各模塊設計與實現

3.1 用戶設置模塊設計與實現

用戶設置模塊的功能包括多用戶登錄、添加新用戶、刪除用戶、修改密碼[6]。用戶登錄程序的流程如圖3所示。

圖3 用戶登錄程序流程圖

系統初始化時存在兩個已有用戶：一個默認用戶，一個超級用戶對監控系統進行特權級操作。系統登錄時，程序獲取用戶輸入信息，并與已有用戶的信息進行比對。若二者一致，登錄成功[7]。其中，已有用戶信息按統一格式保存在文檔中。

超級用戶不僅具有監控系統運行狀態等權限，還可以進行多用戶信息的管理，例如添加新用戶、刪除用戶等。刪除用戶程序的流程如圖4所示。首先，將待刪除用戶的用戶名及密碼組合成用戶信息保存的標準格式。逐行讀取用戶信息并與待刪除的用戶信息進行比對，若不同，表明該用戶不是待刪除用戶，將該用戶信息保留；若相同，則該用戶即為待刪除用戶，該用戶的信息不再寫入保存用戶信息的文檔。

圖4 刪除用戶程序流程圖

添加新用戶程序的流程如圖5所示。添加用戶對話框需要用戶輸入新添加用戶信息，包括用戶名、真實姓名、密碼、確認密碼。確保超級用戶輸入的信息有效后，逐行讀取已有用戶信息與待添加用戶的用戶名進行比對。若出現相同用戶名，則提示用戶該用戶名已存在；若沒有出現相同用戶名，則將待添加用戶的用戶名及密碼寫入保存用戶信息的文檔中。

圖5 添加新用戶程序流程圖

用戶設置模塊還可以實現密碼的修改。密碼修改程序的流程如圖6所示。修改密碼時需要用戶輸入原始密碼、新密碼、確認密碼。另外，超級用戶可以修改普通用戶的密碼，因此在修改密碼時需要輸入用戶名。系統確認所有信息均有效后，逐行讀取用戶信息，找到待修改密碼的用戶，用新密碼替代原有密碼，密碼修改完成。

圖6 修改密碼程序流程圖

3.2 參數設置模塊設計與實現

參數設置模塊是對短信設備、灌溉監測控制器、傳感器參數的設置。參數設置模塊組成如圖7所示。遠程計算機監控系統與灌溉監測控制器間通過短信設備進行通信時需要設置通信的參數，例如選擇短信設備接口和波特率。初始化系統時，系統將可選擇的短信設備接口及波特率加載到下拉列表中。短信設備接口可以選擇COM1、COM2、COM3、COM4。波特率可以選擇9 600 bps、14 400 bps、19 200 bps、38 400 bps。

圖7 參數設置模塊組成圖

灌溉監測控制器控制流程如圖8所示。灌溉監測控制器的主要參數包括工作模式、灌溉任務等。每個灌溉監測控制器都有特定的通信手機號，與遠程計算機間通過GPRS通信。灌溉監測控制器設有兩種工作方式：手動控制、自動控制。若用戶選擇自動控制模式，灌溉監測控制器自行決策灌溉開始或結束，不需要用戶通過遠程計算機發送命令打開或關閉電磁閥。灌溉任務是自動控制模式下灌溉監測控制器自行決策的一個依據。相反，若用戶選擇手動控制模式，用戶通過讀取灌溉監測控制器傳回的實時土壤含水量決定是否開始灌溉。用戶發送灌溉開始命令后本次灌溉持續時間由灌溉時間長度決定。

圖8 灌溉監測控制器的控制流程圖

每個控制區域內設有多個電磁閥及傳感器。用戶可以設置傳感器的含水量報警上限、含水量報警下限、灌溉閾值。當傳感器檢測到某一時刻的土壤含水量低于（高于）含水量報警下限（上限）時，灌溉監測控制器向遠程監控計算機發出報警信號，提示用戶決策是否灌溉。在自動控制模式下，除灌溉任務外，灌溉閾值是灌溉監測控制器自行決策的又一依據。

3.3 數據管理模塊設計與實現

數據管理模塊管理灌溉監測控制器發送至遠程計算機的所有數據。數據管理模塊的組成如圖9所示。

首先，管理傳感器采集的不同時間下土壤含水量。傳感器采集到土壤含水量后傳送至灌溉監測控制器，灌溉監測控制器將其控制區域內所有傳感器采集的數據匯總后傳送至遠程計算機。由于同一控制區域內傳感器的位置及埋放深度不同，因此采集的數據具有可對比性。遠程計算機接收到數據后將其保持至數據庫中，方便用戶統計某天或某周的土壤不同深度下含水量變化，以便考量精準灌溉系統的有效性。

圖9 數據管理模塊組成圖

其次，管理報警信息，包括報警控制器、報警區域、報警類型、報警時間以及是否已進行處理。報警信息主要針對手動控制模式，提示用戶進行決策。若用戶在某段時間里沒有進行監控，可以通過查看歷史報警信息得到未處理的報警信息并做出處理。

3.4 采集控制模塊設計與實現

采集控制模塊的功能是向灌溉監測控制器發送控制命令，包括打開或關閉灌溉電磁閥及傳感器開始采集數據。采集控制模塊工作流程如圖10所示。

圖10 采集控制模塊工作流程圖

控制命令的發送以控制區域為單位。在手動控制下，用戶通過向灌溉監測控制器發送命令對執行機構電磁閥進行操作。同一小區內有多個閥門，用戶進行操作時需依據傳感器采集的土壤含水量情況決定打開或關閉閥門的個數，使灌溉更加精準。

用戶可以根據需要控制傳感器開始采集數據。同一控制區域內埋放的數個傳感器的區別不僅在于埋放位置，而且埋放深度也不相同。用戶對傳感器采集數據的控制以控制區域為單位，當用戶發送開始采集數據的命令時，某一控制區域內所有傳感器均開始采集數據。用戶可以根據傳感器采集到的某一控制區域不同位置、不同土壤深度下土壤水分決定是否開始灌溉。這種決策方式比只依據埋放在不同位置傳感器采集的數據決定某一控制區域是否灌溉更合理。

4 監控軟件實驗運行結果

監控軟件實驗運行時的界面見圖11、圖12。

圖11 傳感器屬性設置

圖12 傳感器采集數據列表

5 結束語

基于物聯網的精準農業灌溉系統具有實時控制系統運行狀態的優勢，現代精準農業灌溉多采用此方法。本文介紹了一種基于物聯網的精準農業灌溉系統監控軟件的開發方案，提出該監控軟件的設計需求及各模塊的實現方案。實驗表明，本文介紹的精準農業灌溉系統監控軟件運行良好，實現了多用戶管理、節水灌溉系統硬件設置、歷史數據管理及采集控制功能。然而，在不間斷工作一定時間后，系統性能的穩定性問題還有待進一步改進。

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