許曉玲

(寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息技術(shù)系，寧夏 銀川 750021)

近年來，國內(nèi)多地區(qū)遭受干旱氣候侵襲，持續(xù)的干旱，已對這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活造成極大危害。由于受地理環(huán)境和氣候條件的制約，長期以來，國內(nèi)農(nóng)業(yè)用水資源匱乏且使用效率不高，耕地和淡水資源短缺壓力不斷加大［1］。為此，對農(nóng)業(yè)技術(shù)的信息化現(xiàn)代化提出了更高要求。加快先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，規(guī)模推廣以智能滴灌控制技術(shù)為核心的高效農(nóng)業(yè)灌溉，切實(shí)解決了干旱區(qū)域農(nóng)田飲水難的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)春季受旱面積已超過1000萬畝，占總播種面積的10%以上，成為國家糧食生產(chǎn)安全的最大威脅［2］。國內(nèi)的某些糧、棉等農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，由于地處歐亞大陸腹地的干旱、半干旱區(qū)域，傳統(tǒng)灌溉水利用率僅為40%，單位產(chǎn)出耗水量是全國平均水平的6倍，面臨水資源緊缺與消耗過大的雙重挑戰(zhàn)。因此對智能化的灌溉方式提出了更高的要求［3］。這也促使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)存在著較大的缺陷，尤其是一些地質(zhì)條件較為復(fù)雜的區(qū)域不斷擴(kuò)大，地區(qū)耕地受旱、受蟲害程度有著較大的差異，如果采用傳統(tǒng)的灌溉方式，會(huì)造成灌溉成本增加、水資源浪費(fèi)［4－5］。灌溉的準(zhǔn)確度較低，無法達(dá)到精準(zhǔn)灌溉。因此，如何能夠適應(yīng)時(shí)域范圍大的土地環(huán)境，根據(jù)不同情況做到精準(zhǔn)灌溉成為難題。

1 物聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)針對農(nóng)業(yè)大田種植分布廣、監(jiān)測點(diǎn)多、布線和供電困難等特點(diǎn)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用高精度土壤溫濕度傳感器和智能氣象站，遠(yuǎn)程在線采集土壤墑情、氣象信息，實(shí)現(xiàn)旱情自動(dòng)預(yù)報(bào)、灌溉用水量智能決策、遠(yuǎn)程/自動(dòng)控制灌溉設(shè)備等功能。

該系統(tǒng)根據(jù)不同地域的土壤類型、灌溉水源、灌溉方式、種植作物等劃分不同類型區(qū)，在不同類型區(qū)內(nèi)選擇代表性的地塊，建設(shè)具有土壤含水量、地下水位和降雨量等信息自動(dòng)采集、傳輸功能的監(jiān)測點(diǎn)。通過灌溉預(yù)報(bào)軟件結(jié)合信息實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，獲得作物最佳灌溉時(shí)間、灌溉水量及需采取的節(jié)水措施為主要內(nèi)容的灌溉預(yù)報(bào)結(jié)果，定期發(fā)布、科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)民實(shí)時(shí)實(shí)量灌溉，達(dá)到節(jié)水目的。

該系統(tǒng)包括:智能視覺旱情識別平臺(tái)、無線傳輸平臺(tái)及灌溉應(yīng)用平臺(tái)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)視覺監(jiān)控平臺(tái)

(1)智能感知平臺(tái)包括:土壤水分與土壤溫度視覺傳感器、包括智能圖像處理系統(tǒng)。

(2)傳輸網(wǎng)絡(luò)包括:網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)、PAN網(wǎng)絡(luò)、LAN網(wǎng)絡(luò)、WAN網(wǎng)絡(luò)，這也是物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成的基礎(chǔ)。

圖2 物聯(lián)傳感平臺(tái)的工作原理

(3)運(yùn)維管理平臺(tái)包括:旱情預(yù)報(bào)、灌溉遠(yuǎn)程/自動(dòng)控制和農(nóng)田水利管理。

(4)在應(yīng)用平臺(tái)上，用戶可通過手機(jī)、PDA、計(jì)算機(jī)等信息終端接收農(nóng)田旱情信息、氣象信息，并可遠(yuǎn)程控制灌溉設(shè)備。對政府管理部門而言，則可通過該平臺(tái)，提升農(nóng)情、農(nóng)業(yè)氣象、農(nóng)田水利的綜合性管理水平。

2 灌溉系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)模塊:現(xiàn)代的圖形采集技術(shù)發(fā)展迅速，各種基于ISA、PCI等總線的圖形采集卡已進(jìn)入市場，但價(jià)格較為昂貴，且處理功能簡單。文中探討的是采用STC89C516和K9 F2808UOC實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺的圖像采集系統(tǒng)不僅能夠滿足一般用戶的基本需求，更主要是從硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上一步探討。

圖3 圖像采集設(shè)備硬件

傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì):前端視覺采集系統(tǒng)采集到的信息，經(jīng)過相關(guān)的處理后，需要將相關(guān)的控制命令，以信息的形式通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳遞給控制終端，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)就顯得尤為關(guān)鍵。文中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)由WSN傳感節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)基站及監(jiān)控終端等組成。傳感器采集節(jié)點(diǎn)采用CS4ER4控制節(jié)點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，其硬件如圖4所示。

圖4 傳感器控制節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

管控閥門控制硬件:閥門采用智能9500電磁閥，流量范圍3.41～34.1 m3/h;最低工作壓力為103 kPa;最高工作壓力為1.38 MPa;輸入電壓為交流24 V;啟動(dòng)電流≤0.5 A;吸持電流為0.23 A;外形尺寸為171 mm×140 mm×203 mm(9515型);接口為6.66 cm內(nèi)螺紋;使用內(nèi)放水手動(dòng)，操作簡單，只需擰松電磁先導(dǎo)閥即可。

標(biāo)準(zhǔn)配置流量調(diào)節(jié)功能，需要時(shí)調(diào)節(jié)流量，反之則拆掉手柄，防止人為失誤操作。硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 閥門硬件原理圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

針對不同的土地干旱程度建立不同的灌溉管理機(jī)制尤為重要，也可根據(jù)不同土壤的受旱情況進(jìn)行灌溉。也可得到實(shí)時(shí)的土地信息數(shù)據(jù)，對不同地區(qū)的干旱程度進(jìn)行全局的預(yù)測和判斷;這樣第一手材料能夠及時(shí)為相關(guān)部門提供有效的處理依據(jù)和參考方案?；谖锫?lián)網(wǎng)的灌溉區(qū)域調(diào)度方法的中心任務(wù)是根據(jù)不同區(qū)域的受旱情況，分別調(diào)度灌溉系統(tǒng)，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，通過將前期采集到的土壤受旱等級以及處理方法傳遞給傳感器節(jié)點(diǎn)，根據(jù)處理算法得到反饋信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)終端的調(diào)度終端提供相關(guān)的信息，計(jì)算不同的灌水量，保證能源的節(jié)約。

為計(jì)算不同的灌水量。用正向指標(biāo)處理過程如下，負(fù)向指標(biāo)同理。

δ表示經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值，以此為依據(jù)，分別用δ的均值E(δ)表示“不干旱”情況，用δ的方差值D(ε)表示“重度干旱”情況，如下所示

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程

參數(shù)δ和ζ可由上式得到，如下所示

綜上，可以通過最小二乘法估計(jì)插值法判定當(dāng)前交通狀況的安全級別，如下所示

從濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和基站三方面描述土壤干旱情況下，噴頭的工作情況，完成分區(qū)域，分等級灌溉。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對比

為驗(yàn)證文中所提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，現(xiàn)采用對比測試的方法來完成實(shí)驗(yàn)，通過傳統(tǒng)的廣域灌溉方法和文中的方法進(jìn)行不同區(qū)域的土壤灌溉。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)流程圖

實(shí)驗(yàn)中物聯(lián)網(wǎng)模型由土壤圖像采集、圖像處理、信息反饋等部分組成，選用不同區(qū)域不同旱情的圖像作為對比的實(shí)驗(yàn)對象，因不同區(qū)域中，土壤的旱情不同，符合文中的實(shí)驗(yàn)情況，統(tǒng)計(jì)兩種算法在這種情況下，灌溉準(zhǔn)確度，灌溉準(zhǔn)確度的趨勢如圖8所示。

圖8 灌溉準(zhǔn)確率對比

通過圖8可看出，在不同區(qū)域的土壤環(huán)境下，土壤的區(qū)域越大，文中算法的灌溉準(zhǔn)確率要高于傳統(tǒng)灌溉方法，這是因?yàn)槲闹兴惴ㄟ\(yùn)用了基于物聯(lián)網(wǎng)的分區(qū)域計(jì)算技術(shù)，對不同區(qū)域土壤圖像中的不同旱情進(jìn)行了分析，因此優(yōu)勢明顯。具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種算法用水量的對比

由上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可看出，文中提出的基于物聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)視覺識別技術(shù)的多區(qū)域灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，用水量要大幅的低于傳統(tǒng)方法，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足。

5 結(jié)束語

提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)視覺識別技術(shù)的多區(qū)域灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過采集不同區(qū)域的土壤圖像，對土地的旱情進(jìn)行有效的識別，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對不同區(qū)域進(jìn)行有效的灌溉，克服傳統(tǒng)灌溉方法中，不能對區(qū)域進(jìn)行劃分及耗水量大的缺陷。實(shí)驗(yàn)證明，基于計(jì)算機(jī)視覺與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的方法能夠大幅節(jié)約灌溉成本，精確度較高。

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