基于物聯網的智能農業節水灌溉系統應用探究

劉嬌 羅凡 胡梅 張文

摘 要 智能節水灌溉設備依托于農業物聯網，借助4G遠程無線通訊技術，可將作物土壤環境數據上傳至客戶端，從而完成農業灌溉的智能化、現代化，在提高生產效率的同時，減少人力資源浪費。當前，智能農業小型節水灌溉系統有廣闊的應用空間，合乎我國農業信息化發展戰略。為了使農業生產更加便捷，可將節水灌溉系統小型化，以適應家庭用戶使用，意圖使其服務大眾，讓外出的用戶不用擔心家中作物枯死。因此，設計了一款結合用戶終端的智能家用給水設備，對該設備的系統方案、系統軟件設計、系統硬件設計進行介紹，并進行了設備測試，以促進農業信息化的普及。

關鍵詞 物聯網;4G;智能農業;節水灌溉

中圖分類號：F302.1 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.23.084

科學技術的不斷的發展與革新推動著農業從傳統化向現代化發展。物聯網的概念于1999年提出，2005年，國際電信聯盟（ITU）發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》，將之定義為將各種信息傳感設備與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡。

農業智能節水灌溉系統是物聯網投入現實應用的一個分支，受我國自古以來形成的農業習慣以及文化水平的限制，智能節水灌溉發展較晚。隨著國家的逐漸重視以及相關政策的大力扶持，當前智能節水灌溉得到快速發展[1]。

為了使農業生產更加的便捷化，可將節水灌溉系統小型化，以適宜家庭用戶使用。因此，設計了一款結合用戶終端的智能家用給水設備，對該設備的系統方案、系統軟件設計、系統硬件設計進行介紹，并進行了設備測試，以促進農業信息化的普及。

1 系統方案

基于物聯網技術的智能家用給水設備由數據采集處理部分、控制驅動部分、人機交互部分共3部分組成，整體系統結構如圖1所示。

1.1 數據采集處理部分

數據采集處理部分處于結構框圖的下側，使用5V/12V、DC/AC作為工作電源，主要由STC89C51單片機及附屬模塊以及多種土壤環境傳感器構成，由數據采集單元（各式傳感器）收集土壤環境指數并通過人機交互部分上傳至客戶端。

該部分主要用于采集并處理作物的土壤環境指標，如pH值、濕度、溫度等。模塊自帶存儲芯片（核心處理器通過訪問芯片寄存器地址獲取相關工作參數），同時包含了多個驅動接口（用于后期擴展），模塊本身也支持低功耗及休眠模式（能耗低）。

1.2 控制驅動部分

控制驅動部分位于結構框圖右上方，主要由繼電器及下屬的外部設備構成，當繼電器接收到特定驅動信號（高低電平）后，繼電器導通從而控制附屬的外部設備完成預定工作。

1.3 人機交互部分

人機交互部分負責與客戶端進行信息傳輸，打包所收集的數據，并以規定的格式匯聚成數據流（數據流下載鏈路與數據流上傳鏈路相同，僅數據流傳輸方向不同），數據流通過RS-485芯片抵達客戶端。客戶端可實時獲取數據監測節點所監測的土壤環境指數，同時為作物的合理種植提供數據基礎支撐。客戶端也可隨時修改數據監測節點的工作參數，使得用戶不在家中也不必擔心作物枯死。而至關重要的數據通信模塊采用當前成熟的4G技術，并嵌入TCP/IP協議棧，保證通信節點可以穩定高速運作。附屬的微型攝像頭可傳輸作物的影像，也可作為后續擴展的硬件基礎;LED指示燈主要分為電源、工作、數據交換指示3類，起提示作用。

2 系統軟件設計

2.1 流程圖

系統軟件設計流程圖如圖2所示。

2.2 監測軟件設計

監測軟件的功能框架如圖3所示。

軟件總體框架如圖4所示，可分為4個層次，即客戶端、服務層、業務層以及數據層。

1）數據層：作物土壤環境監測數據以及設備工作參數。

2）業務層：負責系統整體功能的實現，主要有農作物土壤環境指數在線監測和監測終端參數修改功能。其中監測功能主要包括監測作物所接入傳感器對應的數據;監測終端參數修改功能主要是通過客戶端界面操作向附屬設備發送指令從而實現參數修改的工作方案[2-3]。

3）服務層：向其他層提供數據服務。

4）客戶端：即手機應用程序，面向用戶，體現了較好的人機交互性。

3 系統硬件設計

系統硬件框圖如圖5所示。實際工作場景中，每個傳感器節點都可以獨立運作，以傳感器節點#1為例。電源模塊為各部分提供工作電源，其中處理模塊由STC89C51單片機和附屬模塊構成，負責收集并處理土壤環境監測傳感器監測的數據，而后數據經過RS485傳輸至通信節點，最后通信節點以4G的方式將數據傳輸至客戶端。

4 設備測試

經實際測試表明，該設備正常工作時，能夠準確監測作物土壤環境指數，并精確進行給水，傳送較為清晰的影像。同時，經各個部分處理后的數據流可以定時上傳到客戶端，為用戶的日常生活提供了便利。

5 結語

該設備能準確獲取作物的當前土壤環境指數，以當前土壤環境指數為參照實現工作，也可按用戶預設的方案工作，準確無誤地實現了作物土壤環境指數在線監測以及監測終端參數修改功能。同時，設備傳輸的影像數據，能在規定生存周期內上傳至客戶端。該設備設計合理，操作簡便，符合預期設想。

參考文獻：

[1] 薛巖，張建鋒，李鵬宇，等.基于需水模型的精細灌溉控制系統軟件設計[J].計算機工程與設計，2014，35（9）：3332-3336.

[2] 鄔智俊，劉美華，胡鋼，等.基于物聯網技術的泵站供水計量系統設計[J].江蘇水利，2018（9）：53-56，60.

[3] 劉嘉宇.無線傳感器網絡低功耗節點設計與實現[D].北京：北京交通大學，2015.

（責任編輯：趙中正）

收稿日期：2019-07-13

基金項目：四川省2019大學生創新創業訓練計劃項目資助（S201910640007，X2019007）。

作者簡介：劉嬌（1997—），女，四川三臺人，本科在讀，研究方向為通信工程。E-mail： njsywlx@163.com。