基于光電子信息處理的智能灌溉監控系統研究

徐靜瑋

摘 要 為節約水資源和提高農田水利灌溉效率，開展了基于大數據的節水智能灌溉系統研究。本文研究了采用傳感器、物聯網技術實現田間信息的實時采集和傳輸;采用嵌入式技術實現灌溉執行裝置的控制;采用大數據、GPRS、移動互聯網技術實現智能灌溉決策和監控。該系統的研究與應用，能夠降低灌溉工作量，提供更加科學的灌溉決策。

關鍵詞 智能灌溉;光電子信息處理;系統

引言

目前，我國仍然有很多的地區采用人工控制灌水閥進行漫灌，一方面土地濕度與農作物不匹配，另一方面一旦忘記關閥門，將會造成經濟損失和水資源的極大浪費。因此，可以依托發展的計算機和信息技術，將傳統的灌溉方式轉變為智能灌溉控制方式。智能灌溉監控系統結合了計算機技術、信息技術、無線傳感網絡技術等，采用多個傳感器節點監測灌溉用水量，自動開啟和關閉閥門，實現智能節水灌溉。通過遠程監控系統對農田灌溉區域進行實時監控，根據監控結果實時調節水量，既能保證農田的灌溉效率，提高水資源利用率，進而提高農作物產量，而且還能降低灌溉成本[1]。因此，研究智能灌溉監控系統具有重要意義。

1智能灌溉系統總體方案設計

智能灌溉系統是一種基于物聯網并結合自動控制技術、數據分析處理技術、通信技術和計算機技術而形成的新型高科技灌溉系統形式。系統應具有較強的實時性、高效性和實用性等特點，能夠提高農業灌溉的效率、減少水資源的浪費。系統主要由遠程監控中心和無線傳感網絡兩部分組成，利用了物聯網的感知層、網絡層和應用層等三層網絡架構進行設計。感知層采用溫濕度傳感器與微型ZigBee智能化傳感節點獲取農田灌溉過程中所需原始數據信息，為保證智能灌溉精準度，提供科學、有效的基礎[2]。以局域網、廣域網和互聯網為基礎建立的網絡層是一種無線數據傳輸通道，主要用于實現感知層與應用層之間的數據傳輸功能。采用無線數據傳輸的網絡通信形式同時也可避免農田、果林等不同農業種植環境下有線網絡布線帶來的各種問題。應用層可利用控制算法高效處理網絡層傳送來的大量農田環境數據信息，并做出合理的灌溉策略，控制電磁閥、水泵執行相應動作，實現智能化灌溉與遠程監控管理。

2基于光電子信息處理的智能灌溉監控技術

2.1 基于智能監控終端的多路信號采集與控制

智能監控終端實現傳感器和后臺監控系統之間的高精度數據采集、隔離轉換、監控與傳輸。通過軟件配置，智能監控終端可接入多種傳感器類型，包括電流輸出型、電壓輸出型等等。智能監控終端設置多路信號采集和控制，實現與現場設施的連接。終端內部包括電源隔離、信號隔離、線性化、A/D轉換和RS-485、RS-232串行通信等模塊。通訊方式采用ASCII碼字符通信協議。在智能監控終端內，所有用戶設定的校準值、地址、波特率、數據格式、校驗和狀態等配置信息都儲存在非易失性存儲器EEPROM里。信號輸入/輸出之間隔離。可承受3000VDC隔離電壓，抗干擾能力強，可靠性高。工作溫度范圍在-45℃～+80℃。

2.2 監控管理系統

監控管理系統是實現平臺與操作人員間的人機交互功能，系統能夠對平臺接收到的田間土壤含水率、土壤溫度、灌溉時田間水位、灌溉流量、田間氣候等信息以及水泵啟停、電磁閥開關、閘門開度等工況狀態信息進行展示、查詢和統計，便于業務人員遠程及時掌握田間信息，管理人員還能夠查詢和審核平臺自動生成的灌溉決策指令。平臺同時具有智能灌溉決策、自動灌溉（定時定量灌溉）、人工灌溉三種操作模式，可根據實際需要選擇其中一種模式進行灌溉操作。其中，智能灌溉決策模式完全由決策平臺做出灌溉決策和灌溉控制，不需要人工干預;自動灌溉模式由管理人員設定好灌溉時間和灌溉水量后，由平臺自動灌溉;人工灌溉模式完全由人員通過平臺遠程控制灌溉。

2.3 網絡通信系統

智能灌溉系統可靠性的關鍵環節在于前置機通信系統。前置機通信系統一方面負責與現場智能終端通信，實現數據采集和命令下發，另一方面要與后臺監控系統連接，實現數據的存儲和參數取出。與現場智能終端的通信需要制定一套數據鏈路層通信協議，并且要實現多種通信方式和通信設備（協議）的動態兼容。與后臺監控系統的通信需要制定一套應用層通信協議。網絡通信的上行數據包括：土壤溫度、濕度、氮磷鉀等養分含量、空氣溫度、濕度、電磁閥及各控制器的工作狀態等信息。下行數據是指由監控平臺向各控制終端發出的各種控制指令，包括指定電磁閥的開關指令、各終端的狀態查詢指令以及對各終端參數的下發等。

2.4 灌溉決策分析

決策分析平臺通過現場感知的田間數據及生態大數據進行灌溉決策，并控制水泵、變頻器、田間電磁閥、噴槍等設備，執行灌溉決策。利用實時監測到的田間多深度土壤水分及連續變化情況、地表及地下土壤溫度、作物活躍吸水根系位置及分布情況、氣象數據等，并與未來的降雨預測數據、農作物耗水規律數據、土壤水特征數據進行關聯分析，根據作物生長信息，自動分析根系活躍吸水位置及分布比例;智能識別作物缺水脅迫、田間持水量、飽和含水量;智能計算土壤有效儲水量、土壤蓄水潛力、土壤水滲透速率;智能預測未來的降雨量、作物需水量等信息，智慧做出一次灌溉延續時間、灌溉量、灌溉周期等決策。

3結束語

我國農業的快速發展造成了農業灌溉的用水量不斷增加，傳統灌溉方式已不能滿足當前智慧農業的需求。為解決這一矛盾，本文將農業物聯網技術應用于農田灌溉，建立一個智能灌溉遠程監控系統。其主要由遠程監控中心和無線傳感網絡兩部分組成，采用了物聯網的感知層、網絡層和應用層等三層網絡架構形式。結合農業灌溉的實際需求與智能灌溉系統總體設計方案設計了一套遠程監控界面，并分析了遠程監控平臺軟件功能。結果表明該系統能夠利用智能分析與顯示技術實現智能移動設備和PC設備對灌溉區的遠程實時監控，達到智能灌溉的目的，具有一定的實用價值。

參考文獻

[1] 王應海.土壤含水量（土壤濕度）數據在智能灌溉決策系統中的應用研究[J].節水灌溉，2017（4）：138-141.

[2] 王應海，劉勇兵.對智能灌溉的幾點認識[J].節水灌溉，2017（7）：123.