王文婷，翟國亮，郭二旺，蔡九茂，溫季

(1.焦作市抗旱防汛通訊站，河南 焦作 454150；2.水利部農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000； 3.焦作市水利勘測設(shè)計(jì)院，河南 焦作 454150)

0 引言

21世紀(jì)水資源變成一種寶貴的稀缺資源，水資源問題已不僅僅是資源問題，更是關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和長治久安的重大戰(zhàn)略問題。采用高效的智能化節(jié)水灌溉技術(shù)不但能夠有效緩解用水壓力，同時(shí)也是發(fā)展精細(xì)農(nóng)業(yè)和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的要求?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化灌溉系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)灌溉的智能化管理。

1 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)概述

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化灌溉系統(tǒng)，涉及傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，是一種應(yīng)用潛力廣闊的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)備。該系統(tǒng)通過土壤墑情監(jiān)測站實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤含水量數(shù)據(jù)，結(jié)合示范區(qū)的實(shí)際情況(如：灌溉面積、地理?xiàng)l件、種植作物種類的分布、灌溉管網(wǎng)的鋪設(shè)等)對(duì)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，依據(jù)傳感數(shù)據(jù)設(shè)置灌溉閾值，進(jìn)而通過自動(dòng)、定時(shí)或手動(dòng)等不同方式實(shí)現(xiàn)水肥一體化智能灌溉。中心站管理員可通過電腦或智能移動(dòng)終端設(shè)備，登錄系統(tǒng)監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測示范區(qū)內(nèi)作物生長情況，并遠(yuǎn)程控制灌溉設(shè)備(如固定式噴灌機(jī)等)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化灌溉系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)示范區(qū)的精準(zhǔn)和智能灌溉，可以提高水資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，增加作物產(chǎn)量，降低作物成本，節(jié)省人力資源，優(yōu)化管理結(jié)構(gòu)。

2 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

灌溉智能化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤含水量的實(shí)時(shí)采集，并以動(dòng)態(tài)圖形的形式在管理界面上顯示。系統(tǒng)依據(jù)示范區(qū)內(nèi)灌溉管道的布設(shè)情況及固定式噴灌機(jī)的安裝位置，預(yù)先設(shè)置相應(yīng)的灌溉模式(包含自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、定時(shí)模式等)，進(jìn)而通過對(duì)實(shí)時(shí)采集的土壤含水量值和歷史數(shù)據(jù)的分析處理，實(shí)現(xiàn)智能化控制。系統(tǒng)能夠記錄各個(gè)區(qū)域每次灌溉的時(shí)間、灌溉的周期和土壤含水量的變化，有歷史曲線對(duì)比功能，并可向系統(tǒng)錄入各區(qū)域內(nèi)作物的配肥情況、長勢、農(nóng)藥的噴灑情況以及作物產(chǎn)量等信息。系統(tǒng)可通過管理員系統(tǒng)分配使用權(quán)限，對(duì)不同的用戶開放不同的功能，包括數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程查看、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備控制和產(chǎn)品信息錄入等功能。

2.2 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)布設(shè)土壤墑情監(jiān)測站、遠(yuǎn)程設(shè)備控制系統(tǒng)、智能網(wǎng)關(guān)和攝像頭等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)示范區(qū)內(nèi)傳感數(shù)據(jù)的采集和灌溉設(shè)備控制功能；示范區(qū)現(xiàn)場通過2G/3G網(wǎng)絡(luò)和光纖實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)平臺(tái)的通信；數(shù)據(jù)平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、閾值報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)記錄、遠(yuǎn)程控制、控制設(shè)備狀態(tài)顯示等功能；數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)一步通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)傳輸；遠(yuǎn)程終端實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)示范區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

依據(jù)灌溉設(shè)備以及灌溉管道的布設(shè)和區(qū)域的劃分，布設(shè)核心控制器節(jié)點(diǎn)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)小型的局域網(wǎng)，通過GPRS實(shí)現(xiàn)設(shè)備定位，然后再通過嵌入式智能網(wǎng)關(guān)連接到2G/3G網(wǎng)絡(luò)的基站，進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器；攝像頭視頻通過光纖傳輸至服務(wù)器；服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)組成

2.3.1 作物生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

作物生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要為土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)(土壤含水量監(jiān)測系統(tǒng))。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)示范區(qū)的面積、地形及種植作物的種類，配備數(shù)量不等的土壤水分傳感器，以采集示范區(qū)內(nèi)土壤含水量，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并通過嵌入式智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送到服務(wù)器。示范區(qū)用戶根據(jù)種植作物的實(shí)際需求，以采集到的土壤墑情(土壤含水量)參數(shù)為依據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化灌溉。通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，在滿足網(wǎng)絡(luò)通信距離的范圍內(nèi)，用戶可根據(jù)需要調(diào)整采集器的位置。

2.3.2 遠(yuǎn)程設(shè)備控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)固定式噴灌機(jī)以及水肥一體化基礎(chǔ)設(shè)施的遠(yuǎn)程控制。預(yù)先設(shè)置噴灌機(jī)開閉的閾值，根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的土壤含水量數(shù)據(jù)，生成自動(dòng)控制指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化灌溉功能。也可通過手動(dòng)或者定時(shí)等不同的模式實(shí)現(xiàn)噴灌機(jī)的遠(yuǎn)程控制。此外，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測噴灌機(jī)的開閉狀態(tài)。

2.3.3 視頻監(jiān)測系統(tǒng)

視頻監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)示范區(qū)關(guān)鍵部位的可視化監(jiān)測，根據(jù)示范區(qū)的布局安置高清攝像頭，一般安裝在作物的種植區(qū)內(nèi)和固定式噴灌機(jī)的附近，視頻數(shù)據(jù)通過光纖傳輸至監(jiān)控界面，園區(qū)管理者可通過實(shí)時(shí)的視頻，查看作物生長狀態(tài)及灌溉效果。

2.3.4 通信系統(tǒng)

如果域范圍往往比較廣闊，地形復(fù)雜，有線通信難度較大。本系統(tǒng)擬采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)示范區(qū)內(nèi)的通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以自主實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)、多跳、就近識(shí)別等功能，該網(wǎng)絡(luò)的可靠性好，當(dāng)現(xiàn)場的某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí)，其余的節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)尋找其他的最優(yōu)路徑，不會(huì)影響系統(tǒng)的通信鏈路。

ZigBee通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)最終匯集于中心節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的打包壓縮，然后通過嵌入式智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送到服務(wù)器。

2.3.5 用戶管理系統(tǒng)

用戶可通過個(gè)人計(jì)算機(jī)和手持移動(dòng)設(shè)備，通過Web瀏覽器登錄用戶管理系統(tǒng)。不同的用戶權(quán)限等級(jí)不同，高級(jí)管理員一般為示范區(qū)相關(guān)主要負(fù)責(zé)人，具有查看信息、對(duì)比歷史數(shù)據(jù)、配置系統(tǒng)參數(shù)、控制設(shè)備等權(quán)限；一般管理員為種植管理員，采購和銷售人員等，具有查看數(shù)據(jù)信息、控制設(shè)備、記錄作物配肥信息和出入庫管理等權(quán)限；訪問者為產(chǎn)品消費(fèi)者和政府人員等，具有查看產(chǎn)品生長信息、園區(qū)作物生長狀況等權(quán)限。用戶管理系統(tǒng)安裝在園區(qū)的管理中心，具體設(shè)施包括用戶管理系統(tǒng)操作平臺(tái)和可供實(shí)時(shí)查看示范區(qū)作物生長情況。

2.4 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)功能

智能化灌溉系統(tǒng)中施肥機(jī)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)水肥精準(zhǔn)控制的核心組成部分。灌溉控制和施肥控制均通過施肥機(jī)進(jìn)行控制，通過泵房內(nèi)施肥機(jī)觸摸屏操控界面，就以控制田間電磁閥開閉、遠(yuǎn)程控制水泵補(bǔ)水、控制施肥電磁閥啟動(dòng)施肥程序、采集田間氣象和墑情信息。因此要重點(diǎn)進(jìn)行施肥機(jī)軟件和硬件設(shè)計(jì)選型。集灌溉、施肥和數(shù)據(jù)采集于一體，田間灌溉和施肥控制都是通過施肥機(jī)觸摸屏設(shè)置，管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)、肥液EC/PH值、田間閥門運(yùn)行情況、氣象站和土壤信息能夠?qū)崟r(shí)展示在軟件界面上，可以指導(dǎo)管理決策。同時(shí)，施肥機(jī)能夠?qū)μ镩g灌溉控制閥門進(jìn)行控制，控制模式有手動(dòng)和自動(dòng)兩種，可以隨時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)田間某個(gè)灌溉閥門，也可以在施肥機(jī)界面上設(shè)定好輪灌程序，使田間閥門按照輪灌程序自動(dòng)灌溉和施肥。

2.5 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)采用了擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)思路，在設(shè)計(jì)架構(gòu)上注重考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。整個(gè)系統(tǒng)由多組網(wǎng)關(guān)及ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)單元組成，每個(gè)網(wǎng)關(guān)作為一個(gè)ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)中心，該網(wǎng)絡(luò)中包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)由土壤水分采集儀或遠(yuǎn)程設(shè)備控制器組成，分別連接土壤水分傳感器和固定式噴灌機(jī)。并可根據(jù)用戶的需求，在保留原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)容。

2.6 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.6.1 系統(tǒng)布局

由于本系統(tǒng)的通信子模塊采用具有結(jié)構(gòu)靈活、自組網(wǎng)絡(luò)、就近識(shí)別等特點(diǎn)的ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于土壤濕度傳感器的控制器節(jié)點(diǎn)的布設(shè)相對(duì)靈活。根據(jù)園區(qū)種植作物種類的不同及各種作物對(duì)土壤含水量需求的不同，布設(shè)土壤濕度傳感器；根據(jù)園區(qū)內(nèi)鋪設(shè)的灌溉管道、固定式噴灌機(jī)位置及作物的分時(shí)段、分區(qū)域供水需要安裝遠(yuǎn)程控制器設(shè)備(每套遠(yuǎn)程控制器設(shè)備包括核心控制器、無線通信模塊、若干個(gè)控制器擴(kuò)展模組及其安裝配件)，每套控制器設(shè)備依據(jù)就近原則安裝在固定式噴灌機(jī)旁，實(shí)現(xiàn)示范區(qū)灌溉的遠(yuǎn)程智能控制功能；此外，通過控制設(shè)備自動(dòng)檢測固定式噴灌機(jī)開閉狀態(tài)信號(hào)及視頻信號(hào)，遠(yuǎn)程查看實(shí)時(shí)掌握灌溉設(shè)備的開閉狀態(tài)。

在項(xiàng)目的實(shí)施中，根據(jù)示范區(qū)的具體情況(包括地理位置、地理環(huán)境、作物分布、區(qū)域劃分等)安裝墑情監(jiān)測站。遠(yuǎn)程控制設(shè)備后期需要安裝在灌溉設(shè)備的控制柜旁，通過引線的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)噴灌機(jī)包括水肥一體化基礎(chǔ)設(shè)施的遠(yuǎn)程控制。

2.6.2 網(wǎng)絡(luò)布局

土壤墑情監(jiān)測設(shè)備和遠(yuǎn)程控制器設(shè)備分別內(nèi)置ZigBee模塊和GPRS模塊，都作為通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。嵌入式智能網(wǎng)關(guān)是一定區(qū)域內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，共同組成一個(gè)小型的局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)園區(qū)相應(yīng)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)通信，并通過2G/3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)均采用無線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸及GPRS模塊定位。由于現(xiàn)場地勢平坦，無高大建筑物或其他東西遮擋，因此具備無線傳輸?shù)臈l件。