基于5G物聯(lián)網(wǎng)背景下精準(zhǔn)水肥藥一體化灌溉控制系統(tǒng)分析

程學(xué)軍 趙子昂

摘要：當(dāng)前，隨著生活水平提高，人們對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，人們?cè)谧非蟾咂焚|(zhì)的同時(shí)也更加關(guān)注農(nóng)業(yè)的品質(zhì)和安全。而作為農(nóng)作物生長(zhǎng)所必需的水肥是其中的重要組成部分，因此，如何實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的水肥配施成為當(dāng)前急需解決的問題。該文主要研究基于5G物聯(lián)網(wǎng)背景下精準(zhǔn)水肥藥一體化灌溉控制系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：5G物聯(lián)網(wǎng);精準(zhǔn)水肥藥一體化灌溉;控制系統(tǒng)分析

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）16-0105-03

目前在國(guó)內(nèi)很多地區(qū)都存在大量的農(nóng)用水源被污染，導(dǎo)致水資源匱乏，這不僅浪費(fèi)了寶貴的土地資源，而且還造成了環(huán)境的惡化和生態(tài)環(huán)境的破壞等一系列的生態(tài)問題。針對(duì)這些現(xiàn)象，國(guó)家相關(guān)部門已經(jīng)開始采取措施，從源頭到使用都要做到精準(zhǔn)控制。

1 精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 精準(zhǔn)灌溉控制原理

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物灌溉是最重要的環(huán)節(jié)之一，也是最基本的一項(xiàng)工作。而在傳統(tǒng)的灌溉模式下，由于沒有對(duì)作物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控，導(dǎo)致灌溉不均衡，造成浪費(fèi)。針對(duì)上述問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本文采用智能控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水的精準(zhǔn)管理，從而提高灌溉效率。通過物聯(lián)網(wǎng)的感知功能，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到中央處理器，經(jīng)過處理后發(fā)出指令，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整施用量，使其達(dá)到最佳的澆灌狀態(tài)[1]。而對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品的施肥主要是利用射頻識(shí)別模塊，射頻識(shí)別芯片、傳感器等，然后將信息發(fā)送給單片機(jī)，再由單片機(jī)分析判斷，確定是否需要施肥。當(dāng)土壤濕度超過設(shè)定的范圍時(shí)，則自動(dòng)啟動(dòng)噴灑農(nóng)藥，使之回到預(yù)設(shè)的正常值，并開始噴灑農(nóng)藥，直至及時(shí)補(bǔ)充所需的肥料為止。

1.2 精準(zhǔn)灌溉控制模型

精準(zhǔn)灌溉控制模型是一種基于單滴定額的控制方法，它是根據(jù)作物的實(shí)際需要，通過設(shè)定的程序自動(dòng)地調(diào)節(jié)農(nóng)作物的灌溉量，從而達(dá)到節(jié)水、節(jié)灌的目的而實(shí)現(xiàn)的一個(gè)過程。該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于其能夠在一定的范圍內(nèi)保證有效地節(jié)約水資源，并且能在很大程度上提高生產(chǎn)效率。目前，我國(guó)大部分的農(nóng)產(chǎn)品都是以滴定額的方式進(jìn)行的計(jì)量與管理，這種模式的優(yōu)點(diǎn)就是可以對(duì)不同的農(nóng)作物有很好的區(qū)分性，但是缺點(diǎn)也非常明顯，比如說(shuō)，當(dāng)溫度較高時(shí)就會(huì)導(dǎo)致水分的蒸發(fā)產(chǎn)生大量的浪費(fèi);當(dāng)濕度較低時(shí)就會(huì)使土壤中的有機(jī)物質(zhì)流失，造成土地的沙化。因此，要想解決這些問題，就要使用精準(zhǔn)灌溉的技術(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)用水的情況加以改善，使其更加合理。隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，越來(lái)越多的智能產(chǎn)品逐漸被人們所接受，例如智能測(cè)控器、智能測(cè)溫測(cè)濕機(jī)等，其中，智能測(cè)控系統(tǒng)的出現(xiàn)為人們的生活帶來(lái)了極大的便利和滿足感。

1.3 精準(zhǔn)灌溉控制策略

根據(jù)上述的水肥藥精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出以下智能灌溉控制策略。1）基于物聯(lián)網(wǎng)的“智慧農(nóng)業(yè)”灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的合理澆灌。在保證不影響正常施肥的情況下，盡可能減少浪費(fèi)和提高效率[2]。2）基于藍(lán)牙的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用藍(lán)牙傳輸協(xié)議，在一定距離范圍內(nèi)可以將待測(cè)的數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)，并進(jìn)行處理，以確保測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。同時(shí)也可將采集到的信息傳回上位機(jī)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，采取相應(yīng)的解決措施。3）基于物聯(lián)網(wǎng)的“云菜屋”的精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心是微控制器，它包括了溫度、濕度、光照度等模塊以及微噴器的驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)檢測(cè)到的信號(hào)被發(fā)送到微噴器時(shí)，微噴器就會(huì)自動(dòng)工作，并發(fā)出指令，完成整個(gè)過程。

2 基于5G物聯(lián)網(wǎng)背景下精準(zhǔn)水肥藥一體化灌溉控制系統(tǒng)需求分析

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀及問題分析

目前，我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展還處于初級(jí)階段，主要包括以下幾個(gè)方面：1）灌溉方式落后，傳統(tǒng)灌溉模式依然占據(jù)主導(dǎo)地位。在現(xiàn)代科技的推動(dòng)下，通過先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和自動(dòng)化設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的智能化管理，從而提高水資源的利用率，減少人力物力的浪費(fèi);2）由于水肥一體化系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，因此需要對(duì)其進(jìn)行更加精細(xì)地控制和調(diào)節(jié)，才能滿足現(xiàn)代化的需求;3）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，在精準(zhǔn)灌溉過程中，采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，能夠有效地解決以往的問題并為后續(xù)的精確施肥提供參考依據(jù)。同時(shí)還能將各種傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控和處理。但就目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)于這一領(lǐng)域的研究較少，且精度較低，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果;而國(guó)外的一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本等，已經(jīng)基本完成了對(duì)水肥一體化控制系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì)，并已投入實(shí)際的使用當(dāng)中[3]。

2.2 系統(tǒng)目標(biāo)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)一體化灌溉控制系統(tǒng)是一種智能養(yǎng)魚的系統(tǒng)工程，它主要包括水箱、傳感器、壓力控制器和調(diào)節(jié)器等部分[4]。通過對(duì)水箱的檢測(cè)與分析，結(jié)合PID控制算法對(duì)水箱的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使其能夠根據(jù)不同的水質(zhì)和水量的變化而做出相應(yīng)的處理動(dòng)作。該系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖池的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在保證水位穩(wěn)定的情況下，減少人工用水的浪費(fèi)并提高水資源利用率。本設(shè)計(jì)的目的是為水產(chǎn)的生產(chǎn)提供更加安全可靠的環(huán)境保障。該系統(tǒng)的核心在于微機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展，它將微機(jī)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，以微機(jī)為控制中心，使其具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并能完成數(shù)據(jù)的采集以及傳輸，同時(shí)還可以將所測(cè)得的信息傳輸給電腦，以便于管理人員的觀察及決策。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要原則

1）可靠性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要充分考慮其對(duì)設(shè)備的影響和運(yùn)行的穩(wěn)定性、靈活性，在系統(tǒng)的軟件和硬件的選擇上，要盡可能地采用成熟的產(chǎn)品技術(shù)，以保證其質(zhì)量。2）易維護(hù)性。系統(tǒng)的使用環(huán)境要求良好，便于后期的升級(jí)與擴(kuò)展，并盡量減少故障的發(fā)生概率。同時(shí)，也要避免由于頻繁的操作而導(dǎo)致的麻煩;系統(tǒng)的軟硬件配置也應(yīng)具有可擴(kuò)充的功能及方便的管理方法。3）先進(jìn)性、易開發(fā)及兼容性好。本設(shè)計(jì)的水肥藥智能施肥控制系統(tǒng)在研發(fā)過程中，選用了最新的科技成果，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)施藥量的精確控制，使系統(tǒng)更加實(shí)用與穩(wěn)定[5]。該控制系統(tǒng)的核心是微控制器，所以該控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊都能正常工作，且能滿足所需的性能指標(biāo)。

2.4 灌溉控制方法

通過上述分析和比較，可以看出，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能灌溉控制系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性和可靠性。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)灌溉模式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的需求和發(fā)展，所以需要對(duì)現(xiàn)有的灌溉方式進(jìn)行創(chuàng)新，以提高水資源利用率，節(jié)約用水，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水。根據(jù)作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)，結(jié)合農(nóng)作物的實(shí)際情況，提出以下幾種方法來(lái)實(shí)施滴灌。1）滴灌系統(tǒng)。在滴灌的過程中，將土壤濕度保持在一定范圍內(nèi)，然后將其輸送到相應(yīng)的管道中，最后由泵把水量輸送給指定的設(shè)備并完成循環(huán)。該方案主要是依靠微噴器來(lái)控制，并且使用了先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，使整個(gè)流程更加自動(dòng)化，同時(shí)也大大降低了成本。2）噴淋裝置。噴淋器是一種采用高壓電來(lái)驅(qū)動(dòng)的噴頭，從而使液體從水中噴出，達(dá)到凈化的目的。而當(dāng)液面低于所設(shè)定的值時(shí)，則由泵把液面的壓力傳遞給對(duì)應(yīng)的設(shè)備并排出[6]。

3 基于5G物聯(lián)網(wǎng)背景下精準(zhǔn)水肥藥一體化灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 灌溉控制管理

由于智能管理技術(shù)的應(yīng)用使得水肥一體化灌溉系統(tǒng)更加高效，因此，在實(shí)際操作過程中，可以通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠滿足生產(chǎn)需求。具體方法如下：

1）在灌溉的開始階段，需要對(duì)水的流量和濕度等因素充分考慮，并將其作為一個(gè)重要的參考指標(biāo)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)確定相應(yīng)的閥門開閉的時(shí)間和間隔，從而達(dá)到有效調(diào)節(jié)水量的目的;2）當(dāng)檢測(cè)到的水分超過設(shè)定的閥值時(shí)，就會(huì)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警裝置，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)控制水位的下降;3）當(dāng)監(jiān)測(cè)到的溫度低于設(shè)置的上限值時(shí)，就會(huì)自動(dòng)打開抽氣閥，抽氣的作用是讓管道內(nèi)的壓力降低，使之保持恒定，這樣就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的灌溉[7]。

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)與主電路

傳感器節(jié)點(diǎn)與主電路之間采用HC-SR04模塊，HC-SR04是一種可編程的傳感器芯片，它可以通過對(duì)單片機(jī)輸出的PWM波來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。HC-SR04的主要功能是檢測(cè)是否啟動(dòng)水的開關(guān)信號(hào)，當(dāng)水位低于設(shè)定的值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，然后單片機(jī)根據(jù)程序進(jìn)行處理，最后將報(bào)警信息發(fā)送給相應(yīng)的繼電器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水的實(shí)時(shí)管理。在實(shí)際操作中，需要在系統(tǒng)中加入一個(gè)按鍵用來(lái)設(shè)置不同的模式和時(shí)間，當(dāng)用戶使用的是手動(dòng)模式或者自動(dòng)模式時(shí)，就會(huì)有對(duì)應(yīng)的鍵值，如果不存在，則直接默認(rèn)為1，否則就會(huì)被強(qiáng)制執(zhí)行，不允許再次按下，這樣做的目的在于防止因人為因素導(dǎo)致的誤動(dòng)作，避免出現(xiàn)誤報(bào)現(xiàn)象。在本設(shè)計(jì)中，為了方便測(cè)試，我們選擇了兩個(gè)獨(dú)立的I/00 ，其中有三個(gè)1/0口分別用于顯示當(dāng)前的狀態(tài)以及輸入的參數(shù)[8]。

3.3 遠(yuǎn)程控制

智能噴施測(cè)控系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制的功能特點(diǎn)，在農(nóng)作物的生長(zhǎng)過程中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)戶可通過手機(jī)或電腦等設(shè)備隨時(shí)隨地地對(duì)農(nóng)藥的使用情況、施肥量等參數(shù)的變化信息及時(shí)獲取與反饋，并根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整相應(yīng)的灌溉時(shí)間和施肥量，從而保證作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。目前，我國(guó)大部分的養(yǎng)殖場(chǎng)都安裝了計(jì)算機(jī)，但由于成本較高，普及程度較低，大多數(shù)農(nóng)戶都沒有購(gòu)買相關(guān)的軟件或硬件。因此，本設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程控制主要是針對(duì)該體系的運(yùn)行狀況，如：當(dāng)土溫低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)打開水泵，將土壤濕度傳感器檢測(cè)到的信號(hào)輸入單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出指令給電機(jī)，使其啟動(dòng)抽水泵，并同時(shí)發(fā)送報(bào)警短信。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值，則停止抽水，待澆水量充足后，再開啟噴灑裝置，待水量充足后，再灌溉至指定的區(qū)域內(nèi)[9]。

3.4 通信接口

對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸和處理，需要采用多模光纖，多模光纖具有較好的抗干擾性，同時(shí)也可以保證信號(hào)的質(zhì)量和可靠性，因此在進(jìn)行信息采集時(shí)，多模光纖是必不可少的選擇器件。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，不同作物的生長(zhǎng)狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生不一樣的土壤濕度情況，而這些都會(huì)影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況，所以在對(duì)農(nóng)田灌溉的時(shí)候要根據(jù)具體的環(huán)境來(lái)調(diào)整澆水的時(shí)間以及水量的大小，以滿足實(shí)際需求。本系統(tǒng)的通信接口主要是由兩部分組成，分別為上位機(jī)與下位機(jī)的通訊模塊。其中，上位機(jī)的通信方式為串行口，它負(fù)責(zé)與PC端之間的通信;下位機(jī)的通信方式為光導(dǎo)儀，它將接收的實(shí)時(shí)溫度、壓力、光照強(qiáng)度等傳送給上位機(jī)上，并將其顯示出來(lái)，并通過串口把程序下載到單片機(jī)電路上，再將計(jì)算的值與之前的值做比較，從而判斷是否應(yīng)該增加或減少相應(yīng)的灌溉時(shí)間。

3.5 硬件電路

本系統(tǒng)的硬件部分由單片機(jī)、傳感器模塊、繼電器控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。其中，單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它提供了CPU和外設(shè)一的各種功能，通過對(duì)程序的編寫來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理并將其顯示在液晶屏上。

本設(shè)計(jì)的主要工作原理為：首先，在上位PC端設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)值，然后將采集的信息發(fā)送給中央處理器，再由中央處理器根據(jù)設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行分析，判斷是否需要啟動(dòng)水泵，如果不需要，就可以關(guān)閉水泵，從而達(dá)到高效灌溉的目的;其次，當(dāng)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)濕度超過預(yù)設(shè)的閥值，則開始執(zhí)行報(bào)警，并發(fā)出聲光提示，提醒農(nóng)民及時(shí)發(fā)現(xiàn)水源中的污染物質(zhì)，最后利用PWM脈沖輸出正弦交流電，來(lái)調(diào)節(jié)繼電橋的通斷，使其正常運(yùn)行。

3.6 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

數(shù)據(jù)采集是精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要對(duì)傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)到的信息對(duì)相應(yīng)的閥門和水箱的開關(guān)信號(hào)做出調(diào)整。在本項(xiàng)目中，主要通過以下幾點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同作物的智能施肥。

1）施肥間隔時(shí)間的設(shè)定：本節(jié)只考慮了土壤濕度、光照度等因素，而不涉及其他環(huán)境條件。因此，可以將農(nóng)作物的施肥周期設(shè)置為10天，而不包括溫度、壓力等。同時(shí)，還可將農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況與肥料的配比關(guān)系作為調(diào)節(jié)變量。2）噴滴距離的設(shè)置：為了保證噴滴器的穩(wěn)定性和可靠性，應(yīng)盡量選擇較近的噴滴器以便于控制。但由于實(shí)際操作中，受天氣影響較大，容易出現(xiàn)故障，所以應(yīng)注意。此外，還應(yīng)盡可能減少使用輔助裝置。3）施藥量的確定：在試驗(yàn)前，要先了解所測(cè)的土體的含水量，然后再計(jì)算出所需的灌量，最后再把灌好的土樣裝入容器內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目在智能供應(yīng)鏈管理的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的精準(zhǔn)施肥。通過物聯(lián)網(wǎng)采集和處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行優(yōu)化組合，從而達(dá)到提高效率的目的。同時(shí)，還可以根據(jù)不同作物的生長(zhǎng)規(guī)律選擇合適的肥料品種，以滿足農(nóng)作物的需求。最后，還可將整個(gè)過程的信息反饋給用戶，以便于及時(shí)調(diào)整灌溉方式。

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