物聯網技術的農業智能灌溉系統設計與應用研究

潘曉燕

（民勤縣水務局，甘肅 民勤 733399）

物聯網屬于現代信息技術發展的必然產物，也是互聯網時代下的必然趨勢。借助于數字化現代化的物聯網技術，結合農業生產作業實際需求，以信息技術為標準促進灌溉精確度的不斷提升，從而降低灌溉成本，推動物聯網農業智慧灌溉的發展。

1 智能灌溉系統設計

1.1 理論模型建立

構建更加現代化的農業智能灌溉體系，必須要結合農作物在實際生長中的蒸騰量，據此來實施灌溉管理工作。所以農作物根系吸水層屬于灌溉目標到達層，蒸騰數字模型建立如下：

ET0-農作物蒸發蒸騰量；Δ-溫度變化與飽和水汽壓的斜率關系；Rn-農作物表面的輻射量；G-土壤熱通量；γ-干濕表常數；T-選定參考高度處平均氣溫；μ-選定參考高度處平均風速；es-飽和水汽壓；ea-實際水汽壓。

在上述公式中，土壤濕度屬于重要指標，選擇不同時間土壤濕度的差異值和變化情況，借助于過程控制，設置多語言變量，同時構建農業生產智能化灌溉系統的控制理論公式如下：

算式中：Ke-誤差量化因子；Kec-誤差變化率的量化因子；Ku-模糊控制的比例因子；n1-誤差的模糊論域極值；n2-誤差變化率的模糊論域極值；m-信號輸出變量的模糊論域極值；emax-誤差的基本論域極值；ecmax-誤差變化率的基本論域極值；μmax-信號輸出變量的基本論域極值。

1.2 系統硬件配置

借助于物聯網技術的依托，對農業智能化灌溉系統的硬件電路實施設計，在圖1中能夠了解到田間設置STM，依靠供電系統給予電源和復位功能，GSM/GPRS以及以太網構成了一個相對完善的農業生產灌溉信息體系。關鍵性控制設備包含了電磁閥、變頻器和其他一些傳感器等，和STM連接的土壤濕度傳感器信號進行信息平臺處理之后能夠進入到田間智能化監管平臺中來，從而實現一次完整的智能灌溉作業。對于智能灌溉系統以及控制算法的選擇過程中，通過比例可以了解到為保證誤差變化能夠契合于實際土壤，給出圖2中物聯網智能化灌溉系統設計流程，另外還把土壤溫濕度以及其他相關因素充分考慮進入。

圖1 基于物聯網的農業智能灌溉系統硬件電路設計

圖2 物聯網智能灌溉系統核心控制算法簡圖

1.3 系統軟件控制

對于現階段物聯網時代下農業生產智能化灌溉系統的構建來說，其基本上關系到程序初始化、參數確定、溫濕度管理、電機控制和其他泵組的管理，另外還涉及到可視化智能灌溉系統的相關內容。

對于目前農業智能化物聯網管控角度下的相關問題，圖3為整個軟件布局。首先處于工作狀態之下時，利用總線接口、寄存器組件和其他能夠發送緩沖信號的模塊構成，發送部分往往會添加DNA控制，相應的信號、狀態數據以及FIFO進行緩沖處理之后可以直接發送到核心位置；在PHY位置傳輸之后通過相關信號狀態和緩沖，形成農田灌溉系統的流量控制機制。另外還需要對相關執行模塊的具體參數予以明確界定，例如說在表1中能夠看到農業智能化灌溉系統的相關信息數據，從表1中能夠了解到，借助于I2C地址或者訪問器、修改連接器等能夠實現對遠程數據信息的讀取，依靠GPIO模式和溫濕度的對比分析能夠了解到點泵機控制模塊能夠依靠GPIO以及PWM兩種途徑實現。

圖3智能灌溉系統軟件通信功能實現圖

表1 農業智能灌溉系統主要信息參數獲取方法

2 面向智能灌溉的物聯網應用

第一，以Zigbee無線傳感器網絡技術為基礎，打造棉花精準灌溉監控系統，能夠測量并獲取棉花莖稈直徑數據，系統主要構成部分包括無線監控網絡、遠程數據中心等。分析系統總體構架可知，不僅設置有無線傳感器網絡節點，也包括具體的軟件流程，借助系統我們能夠實時掌握棉花作物對水的需求情況，達到了精準灌溉的目的。因為選擇無線數據傳輸模式，系統相比于有線通信，解決了無法擴展與升級等問題，優勢在于降低了功耗，能夠靈活擴展。

第二，以精細農業相關應用與理論為基礎，設計專門的無線傳感器，能夠對農田水分含量與水層高度等進行監測，并形成農田水分無線傳感器網絡體系結構。在設計中應用水分無線傳感器網絡，打造智能節水灌溉控制系統，借助農田水分數據、農作物水分需求專家數據等，能夠形成灌溉決策，在系統應用中達到定量灌溉的目的。這類系統不僅非常高效，也能推動精細農業的發展，為水資源可持續利用奠定了良好基礎。

第三，應用ZigBee技術打造遠程智能節水灌溉系統，在基于ZigBee的無線局域網支持下，通過ZigBee節點獲取相關數據，加強對灌溉用水的控制，并與GPRS精細連接，借助GPRS向網絡或手機傳輸數據，最后進行有針對性的信息處理。這類系統不僅能夠穩定運行，也能夠完成遠程控制與智能灌溉，在農、林、園等領域具有廣闊的應用前景。

3 結論

以物聯網技術為支持所設計的農業智能灌溉系統，能夠結合土壤墑情進行具體分析，把握農作物生產周期，合理確定農作物生長的水量需求，進而優化利用灌溉控制系統功能，對農田實施灌溉控制，將灌溉水量誤差控制在1%以內，灌溉系統運行的智能化程度較高，與現代農業灌溉的自動化控制需求相符合。