基于物聯網的精準噴灌節水監控系統

摘要：針對傳統農業的灌溉方式導致淡水資源利用率較低的問題，給出了基于物聯網的精準噴灌節水監控系統的實現方案。該系統由上位機程序、中轉服務器、子控設備三部分組成。子控設備用于獲取農田監測點的環境信息以及提供灌溉操作的控制接口。中轉服務器則負責管理各子控設備、完成上位機程序和子控設備之間的數據轉發。上位機程序實時的監控子控設備，用戶通過上位機程序可以十分容易的獲取農田的狀態以及控制灌溉操作。當上位機程序向子控設備發送灌溉命令時，子控設備根據農田的土壤濕度及上位機程序的給定濕度，智能的決定實際灌溉量，從而大幅度的降低水資源的浪費，提高了水資源的利用率，對現代農業的發展將會產生巨大的作用。

關鍵詞：智能農業；物聯網；精準噴灌；節水監控系統

中圖分類號：S27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

Based on the Internet of things Precise Irrigation Water Saving Monitory System

LIU Yi-zhen，WU Jun-ou，WEI Jia-yu，HE Hao-rong

（University of Electronic Science And Technology of China，Zhongshan Institute Computer Institute，Guangdong 528402，China）

Abstract：In view of the fact that traditional agricultural irrigation methods leads to low utilization rate of water resources，propose a precise irrigation water saving monitory system based on the internet of things .This system is composed of three parts，which are sub control device，transit server，upper monitor.The sub control device is used to obtain the environmental information（liked soil humidity） of monitoring site and provide irrigation operation.Finally，the transit server will pass it to the upper monitor.The transit server has responsibility to manage the sub control device and complete the data exchange between sub control device and upper monitor.The upper monitor will get the farmland environmental information in real time.Users can control the irrigating operation and obtain the farmland environmental information easily from that.On sending the irrigating command，the sub control device will control the actual irrigation volume smartly according to the current soil humidity and user desired ground humidity，which is greatly reducing the waste of the water resources and improve the utilization rate of that，it will play a great role in developing for a modern agriculture.

Key words： intelligent agriculture；internet of things；precise irrigation；water saving monitory system

0 前言

我國是人口大國，農業大國，同時也是貧水大國，雖然我國的淡水資源總量較大但人均占有量低，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。由于大量工業廢水污染了部分河流、地表的淺層水資源，并且有逐年加重的趨勢，進一步加劇了水資源緊缺的矛盾。農業作為國家的經濟命脈和“用水大戶”，由于人們長期以來對水資源的不重視，對農業現代化的投資和技術都比較少，這就導致我國的農業現代化水平不高。為了克服我國農業方面的水資源利用率不高的問題，綜合實際情況，利用嵌入式技術和物聯網技術，研發出一套用于農業灌溉方面的節水系統，該系統能夠實時獲取農田信息，并且根據農田的條件設定灌溉量，大幅度地提高水資源的利用率，節省大量人力，達到智能灌溉節水的目的。

1 系統總體設計方案

噴灌系統主要由上位機程序、中轉服務器、子控設備三部分組成。

子控設備主要用于獲取農田監測點的環境信息（如土壤濕度、光照強度）以及控制該監測點的水量灌溉（即控制灌溉操作）。

上位機程序本質是一個對話框程序，用戶通過該對話框程序可以十分簡單的獲取農田監測點的環境信息、控制監測點的水量灌溉操作（上位機程序發送對應的命令到子控設備，由子控設備執行相應的操作）。

中轉服務器用于管理各子控設備，并且實現上位機程序和子控設備之間的數據轉發功能。當上位機程序發送“獲取環境信息”命令到中轉服務器時，由中轉服務器將該控制命令發送給對應的子控設備。最后由子控設備將監測點的環境信息發送到中轉服務器，由中轉服務器反饋給上位機程序。

在上位機程序和子控設備的通信（即數據傳遞）之間引入中轉服務器的根本原因是，農田監測點與中轉服務器之間的距離較遠，不宜用WIFI進行數據的傳輸，故采用NRF905模塊實現中轉服務器與子控設備間的遠距離數據傳遞。一般來說，中轉服務器和電腦放在室內，因此上位機程序和中轉服務器之間的通信可以借助于WIFI。對于噴灌系統的各模塊之間的聯系如圖1所示。

圖1噴灌系統總體設計方案圖

2 系統硬件設計

2.1 子控設備板硬件設計

子控設備主要實現灌溉量的控制、獲取農田監測點的環境信息等兩個基本功能。硬件上主要包括ATmega16的最小系統、電機和電磁閥驅動電路、光照強度和土壤濕度檢測電路，這里主要介紹環境檢測電路硬件設計。對于農田環境的監測，可以通過傳感器獲得。這里采用光敏電阻和濕敏電阻分別測量光照強度和土壤濕度，這些電阻在受到特定信號的刺激時，會使自身的阻值發生變化，通過DS18B20溫度芯片可以十分容易的獲取農田的溫度信息，通過HC-SR501人體紅外模塊監測子控設備附近是否有人。最后為了計算出閥門是否堵塞，需要使用霍爾傳感器對水流量進行統計，其接口如圖2所示。

圖2 環境檢測接口電路圖

2.2中轉服務器硬件設計

中轉服務器的硬件電路主要分為lpc2138最小系統、TFT液晶接口、無線模塊接口、EPROM應

用電路，這里主要介紹無線模塊接口電路。

NRF905無線模塊具有SPI接口，通過ATmegea16的SPI接口，能夠方便的操作該模塊。由于單片機通過SPI接口下載程序，為防止NRF905對SPI總線占用而導致無法下載程序的的現象，需在MISO、MOSI、SCK引腳處添加阻值為10千歐

的隔離電阻，其接口電路如圖3所示。

圖3無線模塊接口電路圖

3 系統軟件設計

3.1上位機程序軟件設計

上位機程序將用戶命令發送到中轉服務器，由中轉服務器進行轉發。測試前中轉服務器先上電，并配置PC端的無線網卡連接到“SERVER”網絡，然后打開上位機程序并單擊菜單項中的連接按鈕，這時上位機程序會不斷的發送輪包給子控設備，只要子控設備收到輪詢包則必定給上位機發送應答，且通過應答包的data域反饋農田環境信息。通過上位機程序中的設備圖標便可知道子控設備是否在線且閥門是否阻塞。如圖4中的設備1的圖標顏色為紅色，表示閥門阻塞，其余設備的圖標為灰色，表示設備沒有在線。

圖4 上位機程序軟件界面圖

3.2中轉服務器軟件設計

中轉服務器的大體框架比較簡單，首先是調用DeviceInit函數初始化各硬件部分，然后程序進入死循環。每隔5ms檢測標志位，如果標志位被置位則表示可能有數據包到達，這時調用解碼函數對數據進行解碼。若解碼成功，表示收到上位機的控制包，這時根據Package結構的msg域可知消息內容，根據不同的消息的進行相應的操作。若解碼失敗，說明上位機沒有發送數據，這時服務器會自動發送注冊包給不在線的設備，進行輪詢注冊。其流程如圖5所示。

圖5中轉服務器的框架流程圖

3.3子控設備板軟件設計

控設備在復位后，調用個模塊的初始化函數，完成各模塊的初始化。每3ms輪詢NRF905無線模塊，檢測其是否收到數據，如果接收到數據則判斷該包是否發給本機。如果該數據包發給本機，則根據數據包中的消息類型判定其工作內容并進行響應，最后向中轉服務器發送應答包，其框架流程如圖6所示。

圖6子控設備程序流程圖

4 結束語

本文提出一個基于物聯網智能無線傳感器網絡技術的精準噴灌節水監控系統的設計與實現方法，本設計以WIFI無線技術為核心，結合嵌入式技術和節水灌溉技術，設計實現了通過子控設備節點實時采集田間土壤水分、溫濕度等各種數據，由WIFI無線傳感器網絡傳輸數據，通過開發節水灌溉上位機軟件計算，灌溉流量監測和電磁閥門堵塞的監測，輸出指令，自動控制灌溉的智能節水灌溉系統。本系統的先進性及創新點在于節能與智能化結合，基于單片機控制的智能節水灌溉監控系統制造成本低、體積小、結構簡單合理，而且只需在原供水裝置上增設自動控制電路即可實現，操作方便，運行可靠。此系統應用與實際情況相結合，實現了農林智能化節能化噴灌，有一定的實用價值和推廣前景。在實際應用中，還有不完善的地方，還需要做進一步的改善和提高。

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