淺談基于物聯網的遠程灌溉技術研究

馮 偉

一、概述

利用無線傳感網絡獲取田間的環境變化信息配合GPRS模塊來將數據傳送到遠端主機電腦上，逐漸取代了傳統有線或區域網絡，來即時監控預防防止旱害發生。由于農作物不同時期的灌溉水量不同，不同地方的農作物的需水量不同，設計并實現了基于Zigbee和GPRS的農業灌溉系統，該系統具有系統管理、環境監測管理、灌溉管理、統計查詢、報警管理等功能。通過系統的實施可以提高服務農民和農業的水平，為農民增產增收提供技術支持，可以能夠有效地減輕了農業工作人員的負擔，能使灌溉工作更加便捷化、智能化、高效化、規范化，可有效推進灌溉工作的新型發展。

二、系統總體設計

由于傳統的數據收集是由工作人員去現場拿回記錄器來解讀，而這些現場可能地處偏遠或交通不便的地方，造成數據的收集既費時又費力，這些數據若是具有時效性，傳統的做法就顯然不符合需求，這就成為研究準備發展遠端灌溉系統的動機。遠端監控系統的預警設備大多設置于主控端，主控端與監測端不在同一個位置，可能會因通訊問題而產生錯誤警告，致使灌溉系統無法發揮預期作用，所以除在主控端設有通信設備外，還要在遠端數據收集器上設置通信設備，增加系統的可靠度。而由于遠端數據收集模塊可能設置在偏遠地區，無法經常更換電池，故須有太陽能板來對其電池進行充電，以維持系統正常運轉。

圖1是以GPRS和Zigbee為基礎的通訊系統方塊圖，監控主機位于后端監控中心，GPRS模塊經由RS-232與PC連接，GPRS收發控制模塊負責監控端的命令發射與數據接收，當控制中心由GPRS收發控制模塊撥通至監控端GPRS收發控制模塊時，監控中心即可獲得監控地的實時的數據。西南地區電信比較強。監控中心與數據的收發都須經過電信公司基地臺的放大與傳送。

三、遠程監視系統功能

遠程監視系統主要負責向用戶提供土壤水分顯示，實時環境監測數據，歷史數據查詢，報警信息設置，以及報警等功能，現介紹以下幾種功能：（1）進入監視系統需要用戶名和密碼；（2）主界面顯示，將各個塊的采集節點采集到的信息顯示到界面上，方便用戶進行觀察；（3）歷史數據查詢，點擊不同的地區，會顯示該塊自采集節點安裝好之后采集的所有數據；（4）報警信息設置，對于農作物不同時期對水量需求的不同，可以對報警信息進行設置，當低于標準值時會發出報警；（5）發送報警信息，當土壤水含量小于或大于標準值時，首先主界面報警塊會變色，然后向工作人員手機發送報警信息。

四、系統硬件設計

1.GPRS數據收集預警模塊設計

GPRS無線數據收發器是一款可獨立運作的設備，運用簡單，讓各種遠端設備能快速有效地通過GSM/GPRS與Internet相互通訊。搭配GPRS網關軟件在客戶端跟遠端設備端中間建立一個通順的GPRS數據傳遞通道，方便連接各種遠端設備，達到數據收集及雙向傳遞溝通的目的。

2.ZigBee傳輸設計

該研究儀器采用無線網絡傳感ZigBee產品。應用機器對機器的無線通訊產品（M2M），同時通過Mesh、Star、Cluster-tree等彈性網絡拓撲，更提升網絡拓撲的安全性，充分滿足各種不同距離下無線應用的需求。ZigBee除了可利用拓撲路徑或點對點方式進行短距離數據傳輸，ZigBee的節點也可直接與GPRS儀器連接，進行遠距離無線數據傳輸搭配整合，具備控制器的功能提供數據交換，并可與所有其他設備通信且控制。

五、灌溉控制邏輯

采用自動灌溉，土壤內部水分分布較為均勻，使土壤水分達到農作物生長的適宜條件，有利于農作物的生長，而且只限于在作物附近土壤進行灌溉，減少了水分的流失浪費，灌溉系統同樣可以與施肥結合在一起，直接把化肥的養分輸送到植物的根部附近，在減少水分流失的同時，也能使化肥少量高效運用，以達到科學少肥、高效低碳的目的。自動灌溉系統實現了自動化控制，大大減少了人力物力。

遠程灌溉系統由遠程監控系統和灌溉設備組成，灌溉控制主要是由電磁閥控制，遠程監控通過Internet網絡與灌溉設備的GPRS模塊進行連接，遠程監控系統接受傳感器節點采集的土壤含水量值，低于標準值的時候進行報警，監控系統處理后，通過監控系統編制的接口程序可以實現與灌溉系統的接口進行命令的發送，向灌溉設備發送命令，進行遠程灌溉控制。

本文通過遠程灌溉控制來進行灌溉，根據設定好的土壤含水量標準值和土壤含水量傳感器當前采集到的土壤含水量的值由模糊控制算法進行計算得出灌溉量并進行自動灌溉。整套系統包含了可以提供系統操作人員檢視干旱Profile線圖以及土壤干旱預警分析的數據顯示模塊、可將土壤干旱相關數據儲存至數據庫的數據處理模塊、提供系統操作人員設置土壤基本數據的數據設置模塊、管理儲存于主電腦的各種數據的數據庫管理模塊，最后，當系統操作人員使用土壤數據分析系統時，同樣需要有一窗口界面可以很輕易地提供給操作者使用，因此，最后還有一個接口整合管理模塊用來統合上述所有的軟件模塊，負責連接各項模塊功能，當操作人員欲執行某個工作選項時，只需執行相對的選項即可。在土壤診斷系統中，本文所涉及的主要四項干旱預警機制定義為：

式中：Ttransformer—土壤含水量；

Tcal—正常含水量對照值；

Tthreshold—含水量門檻值；

Tout—大氣含水量；

Trise1—絕對含水量門檻值；

Trise2—比例含水量門檻值；

ηrated—額定含水量門檻值。

上述中的含水量門檻值（Tthreshold）、絕對含水量門檻值（Trise1）、比例含水量門檻值（Trise2）、及額定含水量門檻值（ηrated），這四項門檻值參數為土壤在進行干旱預警程序處理時的重要判斷條件。針對這幾項干旱預警機制的設計方式做以下介紹：

圖1 以GPRS通訊系統為基礎的監控系統方塊圖

1.Ttransformer（k）＜=Tthreshold

不論在任何外氣含水量或土壤干旱百分比的情況下，當土壤含水量小于90×103m3且連續維持一段時間的情況時，土壤即已經進入到危險區域，隨時都有毀損的可能性。故當此狀況的預警機制連續維持N1個取樣時刻時，則土壤即有干旱疑慮，因此，所設計的Tthreshold預設值設置為 90×103m3，N1的預設值設為 4，即此狀況連續維持60min即產生預警。

2.Ttransformer（k）-Tout（k）＜=Trise1

根據土壤灌溉規范，當土壤含水量減去外氣含水量若超過60×103m3時，則土壤即有干旱的情況發生。故當此狀況的預警機制連續維持N2個取樣時刻時，則土壤即有干旱疑慮，因此，所設計的Trise1預設值設置為55×103m3，使其達到預警的效能，N2的預設值設為4，即此狀況連續維持60min即產生預警。

3.Ttransformer（k）-Tcal（k）＜=Trise2

上述兩項預警機制在干旱端為重載的情況時，是有可能會觸發的預警機制，不過在輕載的狀況下要發生該情況卻是不容易的。因此，在設計理念上，第三條預警機制主要是針對輕載的土壤，若在含水量30×103m3、土壤50×103m3的干旱百分比時，其正常的含水量應為40×103m3左右，其含水量已超過正常含水量一個范圍時，該土壤其實已有干旱的可能性。此狀況連續維持N3個取樣時刻，此土壤即有干旱疑慮，所設計的Trise2預設值設置為20×103m3，使其達到預警的效能，N3的預設值設為4，即此狀況連續維持60min即產生預警。

六、總結

該研究已成功發展出遠端無線干旱預警與灌溉系統技術，利用ZigBee技術來監控環境變化，在干旱環境模擬試驗中，依據干旱不同的狀態擬定出其供水策略，若水源在受限制的情況下，其控制策略可在當干旱開始發生時，即時提供第一段供水處理，來達到最少用水量的效果■