基于物聯網的農田滴灌遠程監控系統設計

劉育辰，李江全，左乾坤

（石河子大學 機械電氣工程學院，石河子 832000）

近年來，農田滴灌逐漸代替傳統灌溉模式成為農田灌溉的主要方式。目前農田滴灌有線控制自動化已廣泛應用于農業生產，實現了對農田的節水灌溉，并節約了人力資源。

在農田滴灌應用物聯網技術，可以通過無線傳感網絡實現田間環境信息和電磁閥工作狀態的遠程獲取，并控制電磁閥工作，使農戶免去有線自動化控制設施的安裝、維護費用，依據農田種植環境信息完成對農田的節水灌溉任務，實現智能化精準農業[1]。為此文中設計了基于物聯網的農田滴灌遠程監控系統。

1 遠程監控系統總體設計

1.1 系統結構

基于物聯網的農田滴灌遠程監控系統，采用物聯網體系經典的3層架構，依次為感知層、網絡傳輸層和應用層，整體結構如圖1所示[2]。

圖1 農田滴灌遠程監控系統結構Fig.1 Structure of remote monitoring and control system for agriculture drip irrigation

1.2 系統工作原理

農田安裝的多個感知節點利用ZigBee技術組成無線傳感網絡，實時監測田間作物生長環境信息和田間設備工作狀態信息，將采集到的信息發送至匯聚節點，匯聚節點接收傳感器采集的信息并通過內置的3G模塊傳輸至3G網絡[3]。3G網絡將數據通過互聯網傳輸至監控中心計算機。用戶端電腦、手機通過互聯網訪問監控中心計算機獲取田間信息，發送控制指令遠程控制田間電磁閥工作。

2 系統硬件設計

2.1 感知層硬件

感知層是物聯網技術的基礎，實現數據的采集處理和傳輸控制。感知層分為感知節點、控制節點和匯聚節點，其硬件結構如圖2所示[4]。

圖2 感知層節點硬件結構Fig.2 Hardware structure of perception layer node

2.1.1 感知節點

感知節點負責采集農田環境信息。采用D058-B型光照強度傳感器、SHT10型溫度傳感器、FDS100型濕度傳感器、YS1120B型風速傳感器和TDR-3型土壤水分傳感器等作為農田感知節點的傳感單元；選用PIC18F6722單片機作為感知節點控制器的處理單元；選用ZigBee 2530無線通信模塊作為通信單元[3-4]。感知節點集成了空氣溫濕度、光照和土壤水分等傳感器，其硬件結構如圖2（a）所示。

2.1.2 控制節點

控制節點用于控制田間電磁閥的工作。選用PIC18F6722單片機作為控制節點控制器的處理單元，選用ZigBee 2530無線通信模塊作為通信單元，以實現電磁閥開/關控制及電磁閥狀態信息反饋，其硬件結構如圖2（b）所示。

2.1.3 匯聚節點

匯聚節點傳輸感知節點和控制節點的信息，完成感知層與網絡層的連接。系統采用網狀拓撲結構進行組網，各感知節點采集的信息通過周圍控制節點進行中繼轉發，最終將數據發送到匯聚節點，并傳輸至3G網絡。

選用S3C2440單片機作為匯聚節點控制器的處理單元；選用ZigBee 2530無線通信模塊作為無線傳輸單元；選用EM560無線3G模塊作為網絡傳輸單元。其硬件結構如圖2（c）所示。

2.2 網絡層硬件

網絡層是感知層與應用層的橋梁。該系統選用基于GSM的CDMA200接入技術[5]，接收匯聚節點EM560無線3G模塊傳輸的數據并進行處理，再將數據通過基站傳輸到監控中心計算機。監控中心計算機位于連隊管理機房，主要用于田間信息采集、轉換處理、數據庫記錄以及報表統計。

2.3 應用層硬件

移動終端手機用戶通過手機實時掌握田間環境與電磁閥狀態信息，控制田間電磁閥工作。

3 系統軟件設計

3.1 感知層軟件設計

節點單片機程序基于ZigBee無線傳感網絡，使用C語言編寫。依據該系統功能需求，在實際農田環境下，節點數量少、部署間隔遠，節點硬件資源有限，故采用定時讀取數據方式獲取農田環境信息。

3.1.1 感知節點程序設計

感知節點上電后，首先進行系統初始化，加入ZigBee無線通信網絡，周期性采集農田環境信息并存儲，將采集到的數據發送至匯聚節點，然后清空感知節點存儲的數據信息。若在規定時間內，匯聚節點未接收到感知節點采集的相關信息，則該感知節點處于異常狀態，進行異常處理。

3.1.2 控制節點程序設計

控制節點用于周期性地查看是否有匯聚節點發送的控制指令，若有則執行指令實現電磁閥啟、閉控制；否則正常執行電磁閥狀態采集任務，將電磁閥工作狀態傳送至匯聚節點。其信息采集與數據傳輸的程序設計與感知節點類似?？刂乒濣c工作流程如圖3所示 （該圖去掉虛線框部分，剩下的為感知節點工作流程）。初始化中：time為時間變量，記錄感知節點工作時間；send＝0為未發送數據；val-sensor作為存儲傳感器采集的環境信息單元。

圖3 控制節點流程Fig.3 Flow chart of control node

3.1.3 匯聚節點程序設計

匯聚節點上電后，首先進行系統初始化，建立傳感網絡；控制節點和感知節點加入傳感網絡時，向匯聚節點注冊自身的網絡地址和物理地址、父節點的網絡地址等信息；匯聚節點再將這些信息通過接入網關轉發至移動網絡，并結合節點的位置信息直觀地繪制出網絡的拓撲結構，待網絡工作穩定后，再向控制節點發送鄰居表請求。監控中心計算機在獲得各控制節點的鄰居表信息后，建立起更為完善的網絡拓撲結構。當網絡感知到某個節點或鏈路發生變化，將向監控中心計算機報告，監控中心計算機據此動態更新網絡拓撲，從而實時反映網絡的運行情況[6]。

3.2 網絡層軟件設計

網絡層軟件由田間監測系統、數據獲取系統和監控中心系統組成。其中，數據獲取系統負責完成2個任務：管理傳感器節點；把采集到的田間環境數據按照相應協議規則，通過傳感網絡發送給田間監測系統。田間監測系統負責轉發由數據獲取系統收集的田間環境數據，至監控中心計算機，并根據相應規則，轉發監控中心計算機的信息至數據獲取系統[7]。

采用這樣的結構設計，可以解決多個監測區域同時上傳田間環境數據的問題，而且可以在多個傳感網之間建立網狀網絡，使單個設備出現故障時不會影響整個系統正常運行，提高了系統穩定性。

3.3 應用層軟件設計

3.3.1 功能設計

應用層軟件包括客戶端PC軟件和移動終端手機APP，為用戶提供感知層信息，通過網絡遠程控制電磁閥。

該系統按功能分為數據顯示模塊、閥門控制模塊、作業統計模塊、警報監聽模塊和用戶管理模塊。其中，數據顯示模塊用于實時顯示農田的環境信息參數及農田環境歷史數據；閥門控制模塊用于遠程控制田間的控制節點工作，驅動電磁閥對農田進行滴灌；作業統計模塊用于記錄農田的灌溉次數、灌溉時間、灌溉用水量；警報監聽模塊對傳感器采集的數據進行報警參數設置，超過設定值時進行報警；用戶管理負責識別用戶身份，給予用戶相關使用權限。

3.3.2 PC端功能設計

用戶獲取數據和遠程控制請求，通過http協議發送請求數據至監控中心計算機前端服務接口[8]，檢查用戶請求是否正確，正確則向監控中心計算機數據管理模塊發送請求數據，管理模塊根據請求進行相應處理，將結果返回給用戶。用戶請求處理流程如圖4所示。

3.3.3 手機端功能設計

手機客戶端運行的Android 4.0操作系統基于Android studio平臺采用Java語言開發[9]。田間設備與用戶APP間的數據通信，采用無數據點透傳方式[10]，設備上報數據協議見表1。其中，包長度len是從命令開始一直到校驗和的字節長度（包括命令和校驗和）；dev_status是需要透傳數據，可設置任意長度。

圖4 用戶請求處理流程Fig.4 Flow chart of user request processing

表1 設備上報數據協議Tab.1 Device reporting data protocol

APP接收到數據后，需要將16進制byte轉換為string，接收到的dataMap字典中有對應設備名稱的key，對應值即傳輸數據。用戶可通過給設備設置定時任務，讓設備在預定的日期、時間執行某些農田灌溉任務。

4 系統功能測試

為驗證遠程監控系統的功能，將系統安裝在某地5號泵房。該泵房已安裝計算機控制系統，可為140 hm2棉田實施自動化灌溉。

為實現遠程網絡監控，測試其系統功能，測試時在田間安裝了3個感知節點（分別安裝風速傳感器、雨量傳感器、光照強度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和土壤水分傳感器），2個控制節點 （可控制8個電磁閥的啟閉）以及1個匯聚節點（安裝3G模塊）。各節點通過ZigBee的數傳模塊進行數據通信，再將數據發送給匯聚節點。匯聚節點利用安裝的3G模塊發射3G信號，通過安裝在住宅區附近的信號塔將田間數據遠程發送至服務器，存儲在后臺數據庫。試驗現場如圖5所示。

圖5 試驗現場Fig.5 Experimental field

使用手機APP進行測試，點擊數據顯示按鈕可顯示當前監測實時數據，如圖6所示；點擊設備控制按鈕，在控制界面選擇電磁閥節點，可以控制電磁閥打開/關閉，如圖7所示。

圖6 數據顯示界面Fig.6 Display data interface

圖7 控制界面Fig.7 Control interface

可以在現場觀察到用戶通過手機選擇相應電磁閥發送開啟指令后，田間對應編號的電磁閥開啟，水流通過，電磁閥打開時間比發送指令時間平均延遲8 s，滿足灌溉控制要求。

5 結語

基于物聯網的農田滴灌遠程監控系統可使農戶通過移動終端手機遠程實時采集顯示農田土壤水分等相關環境參數，并且可以根據作物實際生長需要，通過手機開啟以及關閉電磁閥進行遠程灌溉。通過在農田應用物聯網技術可以做到既滿足作物生長發育的需要，又可提高農場職工農業信息化管理水平。

參考文獻：

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