光電子信息處理的智能灌溉監控系統研究

江蘇省東臺市水利檔案信息中心 賁婷華

我國農業灌溉問題一直困擾著農業經濟的發展，為了有效的提高農業灌溉效率，降低投入成本，提高農業經濟，我國積極的研究了智能灌溉監控系統，此系統以光電子信息處理為主，通過將光能轉化為電能，為系統提供運行所需要的能量。本文通過對光電子信息處理的智能灌溉監控系統的硬件設計、軟件設計以及將堤東灌區運用此監控系統取得的成果作為案例，充分表明了監控系統能夠對灌溉系統實行有效的監控，且運行效果穩定。

1 智能灌溉監控系統與光電子技術的簡單介紹

智能灌溉監控系統是利用無線傳感網絡技術、信息化技術和計算機技術等，通過監控系統對灌溉系統實施遠程監測，根據監測的結果來進行水量的調節，并通過自動開啟和關閉閥門，來避免因人員疏忽而造成的不必要的水資源浪費，最終實現了節水的目的。總之通過有效的應用智能灌溉監控系統，除了保證了農田能夠得到合理的灌溉，又在最大限度上使水資源得到了充分的利用，節約了灌溉成本的同時還提高了灌溉效率，增加了農作物的產品，幫助農民增加了經濟收入。可以說對灌溉監控系統進行研究是一本萬利的項目，具有深遠的意義。

光電子技術是由蓄電池、光伏、微電子等技術共同組合而成的，在很大程度上實現了光能轉化成電能的功效。當前，光電子技術的應用范圍也已經非常普遍，不僅在農業方面有所應用，同時在通信和醫療等行業也發揮著重要的功能。在農業領域中用光電子技術將光能轉化成電能，為農業灌溉提供了其所需的能量，這樣就可以將灌溉所剩余的電量輸入電網中供其他項目所用。尤其在當前提倡節能減排的社會號召下，充分利用此技術將能夠很好的解決能源危機這一難題。

2 硬件設計

2.1 系統的總體結構

對于智能灌溉監控系統來說，其設計方案可分為以下幾步：第一，此系統主要是由執行模塊、用戶界面模塊、光伏電池、中央控制中心和采集模塊共同組成的；第二，本系統主要是通過無線傳感網來實現對智能灌溉系統的動態監控以及數據的傳遞、數據的采集過程；第三，系統運行所需要的電能都是通過光伏電池給予的。

2.2 光伏電池

光伏電池的主要組成部分分別是蓄電池、光收發機、陽光傳感器三部分構成，其利用光電子技術的優勢使光能轉變成電能。首先，陽光傳感器是用來追蹤太陽光線的，由于時間不同，太陽的光照角度也不同，光線的強弱也隨之進行變化，而陽光傳感器就負責對光照信息進行收集，使電池始終保持最高的充電效率；其次，蓄電池它是由24節電池串聯組成的，既能輸出電能，又能將多余的電量進行儲存，以便在無光照的情況下把早已儲存好的多余電量釋放出來為系統運行提供所需電能。

通常情況下，陽光傳感器的電路電壓一般為12V，電池組中具有的電壓一般為24V，數據采集模塊中具有的電壓一般是5V，為了使負載電壓得到一定的程度上的滿足，一般會采用對電路降壓的方式來滿足它的需求。

2.3 數據采集模塊

此模塊的組成部分包括A/D轉換器、ZigBee無線傳感網、pH值和濕度傳感器、采集溫度四部分組成。在組成部分中pH值和濕度傳感器節點主要負責對土壤范圍內的pH值和溫濕度進行采集。由于采集的數據不能直接被識別出來，需要把接受到的數據通過A/D轉換器轉換成能夠被識別的數值，然后再經網絡傳遞出去。ZigBee無線傳感網具有復雜度低、能耗低、成本低以及能夠使數據實現雙向傳遞的重要優勢，所以在智能灌溉監控系統中被作為數據傳遞的有效方式。

2.4 執行模塊

執行模塊的主要組成部分分別是水泵、閥門、電磁閥三部分，主要是用來完成自動操作，實現自動灌溉功能的。通常情況下，執行模塊在接到中央控制中心下達的灌溉指令的時候，根據指令的要求，在繼電器的控制下對水泵的電磁閥閥門實行控制功能。其中電磁閥的電路圖將在(圖1）中具體的體現出來一般在通電的情況下，繼電器處于閉合狀態，這時候電磁閥就已經開始工作了，灌溉系統也隨之將灌溉功能啟動；當處于斷電的情況下時，繼電器也處于斷路的狀態中，這時候電磁閥也會隨之停止一切工作，灌溉系統同樣也會對灌溉功能進行關閉。

圖1 電磁閥電路圖

2.5 用戶界面模塊

此模塊主要是將計算機與波形顯示、數據存儲、界面參數集于一體，當土壤的數據信息被傳遞到計算機中以后，數據的變化趨勢就會隨著實時顯示出來，同時計算機會將這些數據進行自動存儲，以便后期需要的時候可以對歷史數據隨時進行查看。

2.6 中央控制中心

智能灌溉監控系統的中央控制中心其實就是該系統的核心部位，其主要是通過PLC來實現控制功能的。中央控制中心會對通過設定的數值來對比采集到的數據，通過對比分析以后得出結果，然后將結果傳遞給執行模塊，執行模塊再根據指令來進行灌溉；與此同時，用戶界面會將分析結果和數據進行實時顯示，最終實現實時監控和智能灌溉的目的。

3 軟件設計

智能灌溉系統能夠成功的實現實時監控其中最重要的前提條件就是是否有可靠的數據傳遞為其提供保障。一般情況下，無線傳感網絡的數據在進行傳遞的過程中是通過等間距的Huffman算法來完成傳輸數據的過程的，但是在傳遞數據的過程中，如果利用此計算方式會因為采集點較多而造成碰撞現象的發生，這種碰撞主要是由于匯聚點數據太多而造成的，這樣會消耗大量的能量；同時在存儲數據的時候，也會存在類似的重復的數據，占有過多的存儲空間，造成空間浪費。所以，應該采用非等間距的Huffman算法來完成傳遞數據的過程。

本算法的研究對象一般是濕度和溫度的控制，首先，在去除環境中多余的重復的數據時可以采用多閾值的方法進行判斷，然后通過Huffman算法對數據進行壓縮，最終得到的環境信息將是被壓縮以后的信息。這樣既能使數據在傳遞的過程中始終保持準確性，又能保證數據是以最小量進行發送的，從而實現降低能耗的目的。

4 案例

堤東灌區續建配套與節水改造骨千工程項目共涉及項目28個，計劃分3年來實施完成，其中2017年計實施完成1項（東臺新抽水站工程），2018年實施完成13項，2019年完成剩余工程。堤東灌區信息化系統屬于一個大型的系統工程，為避免重復投資或成為信息孤島，一定要進行統一的規劃。整體性規劃的不完善或實施不利將會導致各個系統的兼容性差，信息流不暢，使自動化的大量投入所建設的僅僅是一個信息孤島。需要合理調配整個系統的功能劃分，使系統各部分能統一協調行。因此，要充分利用光電子信息處理的智能灌溉健康系統實現資源的最大化利用，為農業科技進步做出最大的貢獻。

此系統的建設過程中，充分利用了江蘇省和東合市相關單位已建設系統中環境、硬件、軟件和數據資源，避免了重復建設，同時本項目的建設成果也應與相關單位共享。為實現信息資源的有效整合，本項目中所需要的數據資源需要統一匯總管理，有本項目中建設的數據存儲和管理平臺進行統一的存儲、管理和匯總統計，實現系統各項資源和數據的高度整合和共享，系統所有針對數據的讀取、操作，均來用統一的數據接口實現，數據存儲和管理平臺針對各個接口建立嚴格的權限管理和控制機制，結合多網絡層級的管理，實現數據資源的安全管理。

結束語：綜上所述，通過對智能灌溉監控系統的設計過程進行分析，并對其硬件設計和軟件設計的過程展開剖析，可知，系統在眾多模塊的相互作用下共同發揮作用，最終實現了對智能灌溉系統的實時監控，并結合實際案例分析得知，采用此技術在很大程度上能夠做到節能減排，節約水資源，從而促進農業科技的不斷發展。