李興華+宋鵬宇+王想實+周薇

摘要：隨著當(dāng)前農(nóng)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，傳統(tǒng)的以人為主的粗放型灌溉方式已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)的信息化需求，該文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能灌溉系統(tǒng)，以ARM平臺為基礎(chǔ)，采用ZigBee 技術(shù)，將終端傳感器采集的農(nóng)植環(huán)境數(shù)據(jù)信息，同步上傳到服務(wù)器端進行決策分析后反饋到客戶端，遠程客戶端可以實時監(jiān)控農(nóng)植的生長情況，進行相應(yīng)的灌溉控制。系統(tǒng)具有遠程控制和可視化功能，功耗低，穩(wěn)定性好的特點，具有較好的市場前景。

關(guān)鍵詞：灌溉；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；監(jiān)控

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）08-0169-02

1 背景

目前農(nóng)植的非自動機械式的灌溉需要消耗大量的水資源和人力，尤其是在溫室生長環(huán)境中，植物處于一個半封閉的非自然體系，溫室的環(huán)境復(fù)雜，濕度相對變化緩慢，風(fēng)速較低，各個環(huán)境因素呈現(xiàn)一種獨特的復(fù)雜性。同時，針對不同的植物種類、生長期、生長需水量等存在較大的差異，如何綜合考慮各類因素，進行智能灌概，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)信息化的重要內(nèi)容之一。尤其是溫室內(nèi)植物灌灌不能按照自然大田灌概要求，需要充分利用有限的水資源進行智能化灌溉，一般的解決方案是在構(gòu)建植物生長環(huán)境參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，采用科學(xué)管理、智能決策；根據(jù)溫室內(nèi)的生長條件，進行自動控制調(diào)節(jié)，在保持植物正常生長所需的用水量情況下，實現(xiàn)智能灌概，以最小的用水量獲得最大的收益。

目前國內(nèi)在開發(fā)灌溉自動控制系統(tǒng)方面還僅處于研制試用階段，能實際投入應(yīng)用且應(yīng)用較廣的灌溉控制器還不多見；主要是從理論上解決了灌溉的時間問題，而關(guān)于適宜的灌溉量問題，依舊缺乏比較中肯的解決策略。這其中的大部分因素是目前的智能灌溉體系僅僅憑借自動控制完成，一是并沒有考慮到農(nóng)植物生長過程中的復(fù)雜因素，終端采集數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)；二是當(dāng)前的灌溉系統(tǒng)的基本應(yīng)用的有線規(guī)劃策略，對于整個系統(tǒng)的安裝和維護成本比較高。本文應(yīng)用遠程通信技術(shù)WIFI，基于ZigBee通信技術(shù)，實現(xiàn)智能灌溉控制系統(tǒng)，移動終端可以利用網(wǎng)絡(luò)進行遠程監(jiān)控灌溉操作；同時，在網(wǎng)絡(luò)受限的換進下，也可以通過GSM方式來進行控制。實現(xiàn)了當(dāng)前大鵬澆灌的全面智能化，精準(zhǔn)進行大鵬環(huán)境信息的采集，將信息通過有線或無線方式傳輸給控制終端，實現(xiàn)無人監(jiān)控下的自動灌溉。

2 灌溉系統(tǒng)基本工作原理

農(nóng)植傳統(tǒng)的灌溉方式主要采用半自動的機械操作方式，這主要源于對整個農(nóng)植環(huán)境信息如溫濕度、的采集主要通過人工肉眼的觀察方式，信息的收集不夠全面和精準(zhǔn)，也無法實現(xiàn)遠程控制。目前，人們開始研究農(nóng)業(yè)設(shè)施遠程測控系統(tǒng)，遠程智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)運而生，在一定程度上實現(xiàn)了無人作業(yè)的智能灌溉模式。當(dāng)前智能灌溉的模式一般采取三層架構(gòu)的方式，如圖1所示：

在本系統(tǒng)中采用CC2530芯片作為數(shù)據(jù)采集端，與 Internet 數(shù)據(jù)服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)通信即移動/聯(lián)通基站進行連接，實現(xiàn)一對一的數(shù)據(jù)交互，這樣就可以避免遠程有線網(wǎng)絡(luò)布線及維護成本高。同時，采集端的傳感器端可以適應(yīng)多重采集環(huán)境，不僅可以采集土壤等的常規(guī)信息，也可以采集復(fù)雜種植環(huán)境如樹皮、植被腐蝕等種植環(huán)境的信息，具有較大的適應(yīng)范圍?？蛻舳丝梢岳眠h程通信技術(shù)WIFI，進行遠程監(jiān)控操作；同時，在網(wǎng)絡(luò)受限的換進下，也可以通過收發(fā)短信的方式來進行控制。

3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)的服務(wù)器端主要采用以FriendlyARM H43為 可移植Linux平臺，開發(fā)智能灌概網(wǎng)關(guān)與Web服務(wù)。FriendlyARM開發(fā)板是一款高性能，低功耗的一體化平臺，Linux內(nèi)核是一個開源的、采用虛擬技術(shù)，可跨平臺移植的嵌入式操作系統(tǒng)，具有完善的圖形用戶界面。服務(wù)器端系統(tǒng)環(huán)境創(chuàng)建的主要任務(wù)為編譯UBOOT和Linux內(nèi)核，將編譯完成后的內(nèi)核燒寫到開發(fā)板。

客戶端系統(tǒng)在AndroidEclipse環(huán)境下開發(fā)，采用開放源代碼的、基于Java的可擴展開發(fā)Eclipse平臺，這里需要安裝Android專屬的軟件開發(fā)工具包 SDK ，包含Java Development Kit和Java Development Kit。

數(shù)據(jù)采集端主要使用ZigBee實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信，遵循IEEE 802.0.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，低功耗的 ZigBee 技術(shù)適合作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種標(biāo)準(zhǔn)，適合承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，特別適合采集農(nóng)植生長環(huán)境的基礎(chǔ)信息以及快速傳輸工作，配合路由器，可以方便擴充采集面積的范圍。

4 系統(tǒng)功能模塊實現(xiàn)

智能灌溉系統(tǒng)使用范圍廣泛，自動控制系統(tǒng)的規(guī)模大且集成度高，逐步實現(xiàn)了比較健全的澆水灌溉機制。因此，本系統(tǒng)提出利用傳感器采集濕度、溫度和光照強度，從多種環(huán)境因素考慮農(nóng)植的生長情況，進而通過遠程終端即手持終端控制來達到智能灌溉的目的。系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能如下：

（1）實時的檢測土壤的濕度值、空氣的溫度值和大氣的光照強度，利用 ZigBee 的無線通信技術(shù)上傳給服務(wù)器。

（2）終端傳感器采集端點模塊依據(jù)服務(wù)器端反饋的信息，實時控制繼電器的開啟和關(guān)閉，進行智能灌溉。

（3）協(xié)調(diào)器節(jié)點與 服務(wù)器機相連，將采集到的信息轉(zhuǎn)化成可以顯示的數(shù)據(jù)界面，便于客戶端及時觀察農(nóng)植的生長環(huán)境信息。

（4）整個系統(tǒng)都采用無線控制技術(shù)，徹底解決了過多布線帶來的不便，降低安裝和維護成本。系統(tǒng)功能的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)主要分為三個功能模塊：數(shù)據(jù)采集端、客戶端和服務(wù)器端，在具體實現(xiàn)過程中，服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集端通過串口連接，而客戶端與服務(wù)器同過Socket進行數(shù)據(jù)傳輸，服務(wù)器端分別對據(jù)采集端和客戶進行交互控制。在同一局域網(wǎng)的情況下，客戶可以在登錄客戶端連接服務(wù)器的情況下執(zhí)行操作，服務(wù)器接收客戶端發(fā)送過來的命令并解析再進一步控制底層。如果在較遠的地方或者外地，客戶無法連接服務(wù)器，則可以通過發(fā)送短信的方式來進行控制，服務(wù)器連接的GSM MODEM模塊接收客戶端發(fā)送過來的短信，服務(wù)器進行解析并發(fā)送命令達到控制目標(biāo)。

5 實驗與結(jié)果分析

個系統(tǒng)的實驗基地是無錫錫山區(qū)生態(tài)實驗基地調(diào)試完成，分別對整個系統(tǒng)的ZigBee子節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、客戶端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信、客戶端與服務(wù)端通信以及系統(tǒng)整體穩(wěn)定性進行測試，通過不斷的調(diào)試與完善，實驗證明整個系統(tǒng)運行正常，通信及時，可在多種環(huán)境下使用，尤其是當(dāng)前封閉環(huán)境下的大鵬農(nóng)作物種植、長期無人看管的花園，草坪等灌溉頻率比較高的環(huán)境下，需要耗費大量的人力進行的管理，這在當(dāng)前信息技術(shù)日益發(fā)達的情況下，已經(jīng)無法滿足區(qū)域化的灌溉需求，本新型的前端采集可以精準(zhǔn)采集各類復(fù)雜種植環(huán)境的信息。將信息上傳到客戶端，靈敏控制碰頭的開閉時間。同時，采用Zigbee技術(shù)，支持的節(jié)點數(shù)量多，擴展性強，低功耗，安全可靠。其次，具備移動端遠程控制設(shè)備（無網(wǎng)絡(luò)可支持GSM），可實時通過攝像頭傳回的視頻觀看當(dāng)前植物狀態(tài)，整個裝置具有方便易用，自動遠程控制，安裝維護成本低廉的特點。

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