董征宇

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶　400030)

0　引言

我國(guó)的淡水資源總量豐富，但是人均占有量很少，只有世界平均水平的1/4；另外，一半的淡水資源被用于農(nóng)業(yè)灌溉，且以傳統(tǒng)的漫灌方式為主，利用率僅為40%。傳統(tǒng)的漫灌造成了水資源的巨大浪費(fèi)，加劇了水資源短缺的狀況。因此，發(fā)展節(jié)水灌溉對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展來(lái)說(shuō)已是刻不容緩。對(duì)此，人們開(kāi)發(fā)了各種新的灌溉技術(shù)(如微灌和滴灌等)，在一定的程度上提高了水資源的利用效率；但是，上述的灌溉方式在灌溉時(shí)機(jī)和用水量上仍然是根據(jù)人為經(jīng)驗(yàn)和判斷，具有一定的盲目性。

近年來(lái)，隨著傳感器、自動(dòng)測(cè)控和信息技術(shù)的進(jìn)步，基于GPRS、ZigBee和物聯(lián)網(wǎng)等新型技術(shù)的智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，且物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最多[1-4]。物聯(lián)網(wǎng)也被稱(chēng)為傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是信息領(lǐng)域繼計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)融合傳感器、分布信息處理、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)，將各種信息傳感器與互聯(lián)網(wǎng)整合成一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的智能識(shí)別和管理[5]。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的研究在國(guó)外開(kāi)始較早，2002年英特爾公司在美國(guó)第1次將物聯(lián)網(wǎng)用于對(duì)葡萄園土壤溫濕度和有害物劑量的監(jiān)測(cè)，促進(jìn)了葡萄的大豐收[6]。我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究雖然起步晚，但是發(fā)展較快，主要集中在4個(gè)方面，分別是糧食作物生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施、果園精準(zhǔn)管理和畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖[7]。目前，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用面臨的最大問(wèn)題，是對(duì)采集數(shù)據(jù)的利用大多還停留在展示和統(tǒng)計(jì)的層次上，沒(méi)有形成相應(yīng)的科學(xué)決策并對(duì)執(zhí)行裝置進(jìn)行控制[8]。

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用途廣泛，其與專(zhuān)家決策系統(tǒng)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)果園的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和智能化精準(zhǔn)灌溉。余國(guó)雄等基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了荔枝園的信息獲取和智能灌溉系統(tǒng)，結(jié)果表明具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和較高的準(zhǔn)確率[9]。吳秋明等利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種棉花的智能微灌系統(tǒng)，將水分的利用效率提高了22.6%，而成本比國(guó)外同類(lèi)型產(chǎn)品降低44.8%。劉書(shū)倫等也設(shè)計(jì)了類(lèi)似的系統(tǒng)，增加了傳感器節(jié)點(diǎn)，從而使系統(tǒng)獲得了更高的可行性和有效性[10]。隨著技術(shù)的進(jìn)步和系統(tǒng)的優(yōu)化，智能灌溉系統(tǒng)覆蓋的范圍和植物種類(lèi)越來(lái)越多，包括各種蔬菜、作物、果樹(shù)和園林樹(shù)木等[11-15]。

葡萄是一種具有較高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水果，我國(guó)的葡萄種植面積居世界第二，產(chǎn)量居世界第一。近10年來(lái)我國(guó)的葡萄產(chǎn)量逐年上升，已經(jīng)超過(guò)1 200萬(wàn)t。葡萄樹(shù)的根系深達(dá)50cm，所需水分主要從土壤中吸收。土壤含水量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致葡萄樹(shù)吸水量不足，妨礙正常生長(zhǎng)發(fā)育；土壤含水量過(guò)高又會(huì)引起根系腐爛，并誘發(fā)葡萄園中的病蟲(chóng)草害，也會(huì)影響葡萄的產(chǎn)量和品質(zhì)[13]。葡萄樹(shù)在不同生育時(shí)期和季節(jié)的需水量不同，對(duì)灌溉精度的要求較高。但是在大部分的葡萄主產(chǎn)區(qū)，灌溉仍然以較為落后的明渠和漫灌為主，不僅浪費(fèi)了水資源，還影響到葡萄的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。將現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入葡萄園實(shí)現(xiàn)智能灌溉，可以為葡萄的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供保障，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)雖然具有較為完整的信息獲取和智能控制裝置，但獲取的信息種類(lèi)有限，且一般只根據(jù)土壤濕度這個(gè)單一的參數(shù)為閾值進(jìn)行灌溉的決策和控制，導(dǎo)致灌溉的時(shí)機(jī)和水量不能隨著其它的氣象因素而變化，也缺乏實(shí)時(shí)性。葡萄園需水量在時(shí)空上具有更高的特異性，因此現(xiàn)有的系統(tǒng)可能無(wú)法達(dá)到較好的灌溉效果。為此，本文以物聯(lián)網(wǎng)為核心，設(shè)計(jì)了一種葡萄園的信息獲取和智能灌溉系統(tǒng)，通過(guò)信息采集模塊的各種傳感器采集葡萄園環(huán)境信息，由ZigBee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞到信息處理模塊上，最后經(jīng)過(guò)專(zhuān)家決策模塊形成智能灌溉的指令，按照指令實(shí)現(xiàn)智能灌溉。同時(shí)，在葡萄園環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性進(jìn)行驗(yàn)證，以期為葡萄園的科學(xué)管理提供技術(shù)支持。

1　系統(tǒng)的工作原理和組成

1.1工作原理

信息獲取和智能灌溉系統(tǒng)主要由信息采集模塊、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)、信息處理模塊、專(zhuān)家決策模塊和指令執(zhí)行模塊等部分組成。其中，信息采集模塊和指令執(zhí)行模塊一起組成1個(gè)控制終端，系統(tǒng)可以連接多個(gè)控制終端，具體數(shù)目根據(jù)葡萄園的實(shí)際情況進(jìn)行確定。

信息采集模塊包括多種環(huán)境傳感器，可以采集空氣溫濕度、土壤含水率、光照度和降雨量。采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息處理模塊中；信息處理模塊對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)管理和整合，同時(shí)帶有人工操作界面，用于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及設(shè)定各種參數(shù)和閾值；專(zhuān)家決策模塊接收信息處理模塊發(fā)來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和閾值，經(jīng)過(guò)綜合分析后，根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)診斷葡萄園的需水情況并做出決策反饋給信息處理模塊；最終的決策經(jīng)過(guò)信息處理模塊后，由無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)以控制指令的形式發(fā)送給指令執(zhí)行模塊，控制滴灌管道上的電磁閥開(kāi)關(guān)時(shí)機(jī)和程度，從而實(shí)現(xiàn)智能灌溉。

系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)的工作原理

1.2系統(tǒng)的組成

控制終端由信息采集模塊和指令執(zhí)行模塊組成。其中，信息采集模塊包括JCJ109型空氣溫濕度傳感器、SWR-100型土壤水分傳感器、NH207型光照度傳感器和SRY-3型雨量計(jì)，安裝在葡萄園中實(shí)時(shí)測(cè)量相應(yīng)的環(huán)境信息；指令執(zhí)行模塊是地面的滴灌管道和安裝在其上的電磁閥，與信息采集模塊安裝在一起。電磁閥為AG-GAG二位三通多用途型，反應(yīng)靈敏，功耗較低。以上的裝置通過(guò)一個(gè)STC89C51型單片機(jī)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接?？刂平K端的組成如圖2所示。

圖2　控制終端的組成

當(dāng)前的無(wú)線(xiàn)通信手段主要有Wifi、藍(lán)牙和ZigBee3種模式。其中，Wifi模式的信號(hào)容易被葡萄園的植物遮擋，數(shù)據(jù)傳輸無(wú)法獲得較高的可靠性；藍(lán)牙模式的信號(hào)作用距離小，導(dǎo)致覆蓋整個(gè)葡萄園所需的數(shù)量太多；ZigBee模式的抗干擾性強(qiáng)，通信距離較遠(yuǎn)，因此被本系統(tǒng)采用。根據(jù)葡萄園的自然環(huán)境條件，系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)選擇了樹(shù)形的組網(wǎng)方式，擁有的接口可以支持與20個(gè)控制終端有效連接。

信息處理模塊的核心是聯(lián)想I5-6400型臺(tái)式計(jì)算機(jī)，配置Intel i5中央處理器和4G內(nèi)存，安裝Windows 10操作系統(tǒng)和相關(guān)的數(shù)據(jù)分析軟件。通過(guò)USB2.0接口接收數(shù)據(jù)，在操作界面上顯示實(shí)時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，完成分析計(jì)算。信息處理模塊還用于對(duì)系統(tǒng)的各種參數(shù)和電磁閥的開(kāi)關(guān)閾值進(jìn)行設(shè)定，輔助專(zhuān)家決策模塊將最終的決策轉(zhuǎn)換為控制指令后發(fā)出。

從表2中可以看出，與安靜對(duì)照組相比，力竭運(yùn)動(dòng)即刻組(E0)骨骼肌和血清中AMPK含量上升，有極顯著性差異(P<0.01)；而C組、E24組、E48組之間骨骼肌和血清中AMPK含量無(wú)明顯差異。

專(zhuān)家決策模塊是聯(lián)想X3550 M5型服務(wù)器，配置16GB DDR4 內(nèi)存和300GB 硬盤(pán)，可以存儲(chǔ)系統(tǒng)獲取的葡萄園所有信息。數(shù)據(jù)庫(kù)是專(zhuān)家決策模塊的重要內(nèi)容，包括綜合數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)是關(guān)于葡萄園的各種事實(shí)數(shù)據(jù)的推理過(guò)程和結(jié)果計(jì)算公式，具體表現(xiàn)為葡萄園的基礎(chǔ)氣象信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的葡萄生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律、水分需求量和水分吸收能力的信息。模塊以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)信息的分析，做出相應(yīng)的灌溉預(yù)測(cè)和決策。

2　試驗(yàn)

2016年，在本單位的葡萄園中對(duì)系統(tǒng)信息獲取的準(zhǔn)確性和智能灌溉的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了試驗(yàn)。葡萄園面積5 hm2，均勻分布著15個(gè)控制終端。葡萄品種為巨峰，開(kāi)花之前要求土壤濕度較大，開(kāi)花期則要求相對(duì)干燥，漿果生長(zhǎng)期需水量再次增加。總體而言，巨峰葡萄的全生育期水分需求量較大。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)信息獲取的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)采用S500-TH型空氣溫濕度計(jì)、MP-406型土壤水分測(cè)定儀、NHTESTO540型手持式光照度儀和DY1090A型雨量計(jì)分別測(cè)定各個(gè)控制終端位置上的空氣溫濕度、土壤含水率、光照度和降雨量。測(cè)量過(guò)程持續(xù)7d，將兩種方法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明：5種環(huán)境信息參數(shù)的最大相對(duì)誤差分別為2.33%、3.18%、2.46%、3.24%、2.45%，都在允許的范圍內(nèi)，表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　兩種方式測(cè)量的環(huán)境信息

驗(yàn)證系統(tǒng)智能灌溉實(shí)時(shí)性時(shí)葡萄處于漿果成熟期，專(zhuān)家決策模塊根據(jù)各項(xiàng)環(huán)境信息提供的葡萄生長(zhǎng)最佳土壤含水率約為25%。因此，設(shè)定土壤含水率的上下限分別為27.5%和22.5%，啟動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始智能灌溉控制。試驗(yàn)期間，對(duì)15個(gè)控制終端上的土壤含水率用人工方法測(cè)量，計(jì)算平均值。試驗(yàn)持續(xù)10天，每天測(cè)量4次，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：隨著降雨量的減少，土壤含水率開(kāi)始降低；當(dāng)土壤含水率低于22.5%的下限時(shí)，智能灌溉系統(tǒng)立即啟動(dòng)，土壤含水率開(kāi)始升高；當(dāng)土壤含水率升至27.5%的上限時(shí)，智能灌溉系統(tǒng)立即關(guān)閉，土壤含水率開(kāi)始回落。整個(gè)試驗(yàn)期間，土壤含水率始終處于22.3%～27.7%之間。這說(shuō)明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)灌溉，為葡萄生長(zhǎng)提供最適宜的條件。

圖3　智能灌溉的土壤含水率

3　結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種葡萄園的信息獲取和智能灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由信息采集模塊、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)、信息處理模塊、專(zhuān)家決策模塊和指令執(zhí)行模塊等部分組成。信息采集模塊采集空氣溫濕度、土壤含水率、光照度和降雨量；數(shù)據(jù)信息通過(guò)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息處理模塊中進(jìn)行分類(lèi)管理和整合；專(zhuān)家決策模塊接收信息處理模塊發(fā)來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和閾值，診斷葡萄園的需水情況并做出決策；最終的決策以控制指令的形式發(fā)送給指令執(zhí)行模塊，控制滴灌管道上的電磁閥開(kāi)關(guān)時(shí)機(jī)和程度，從而實(shí)現(xiàn)智能灌溉。在準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的驗(yàn)證試驗(yàn)中，系統(tǒng)測(cè)量的空氣溫濕度、土壤含水率、光照度和降雨量等5種環(huán)境信息參數(shù)的最大誤差分別為2.33%、3.18%、2.46%、3.24%、2.45%，表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性。智能灌溉下土壤含水率始終處于設(shè)定的閾值之間，說(shuō)明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)灌溉，為葡萄園的科學(xué)管理提供技術(shù)支持。

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