雷彤 鮑永昊 金冠祺 張禎 姜沁怡

摘 要：設計了一個基于DTU模塊監(jiān)測農(nóng)田冠層土壤數(shù)據(jù)并可遠程自動控制的智能灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)采用DTU模塊通過虛擬端口傳輸數(shù)據(jù)至SQL，終端可對數(shù)據(jù)進行存儲與調用，實現(xiàn)了遠程監(jiān)測與控制;系統(tǒng)應用LoRa模塊連接控制柜與數(shù)據(jù)采集單元，并以蓄電池為電源，保證了野外使用的可行性與便捷性;系統(tǒng)引入模糊決策理論計算作物實際需求灌水量，并考慮灌溉不均勻的影響，對濕度區(qū)間進行調整，以此優(yōu)化灌溉系統(tǒng)的用水效率。

關鍵詞：智能灌溉;實時監(jiān)測;DTU;灌溉決策;LoRa模塊

1 引言

隨著中國農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源短缺的問題越來越嚴重。如何實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用成為中國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要問題，為解決這一突出問題，國內(nèi)外研究學者重點研究各類流體機械相關的優(yōu)化問題，提高設備用水效率。農(nóng)業(yè)作為我國國民經(jīng)濟建設和發(fā)展的基礎產(chǎn)業(yè)，中國農(nóng)業(yè)用水量約占全國總用水量的65%。發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)可以進一步優(yōu)化用水效率，緩解水資源短缺問題，從而促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

智能灌溉是根據(jù)作物的實際需水量，應用自動控制技術和信息技術，實施合理的灌溉制度，提高灌溉精度和作物水分利用率的灌溉方法。自二十世紀80年代從美國開始發(fā)展，目前，智能灌溉系統(tǒng)在國外已經(jīng)得到廣泛應用，但我國對其研究和應用還較少，與發(fā)達國家相比還有很大差距[1]。我國的灌溉系統(tǒng)大多依靠手工操作，部分灌溉系統(tǒng)應用了自動化控制，但灌溉時間和灌溉量的確定均由經(jīng)驗方法確定，智能化程度很低。因此，我國的智能灌溉擁有很大的發(fā)展空間。

本文主要闡述一種農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)是依托傳感器采集數(shù)據(jù)，通過檢測農(nóng)田冠層土層中的濕度、溫度等參數(shù)進行判斷，可以在無人工干預的情形下實現(xiàn)自動灌溉，滿足作物的實時需水量，并達到節(jié)約水資源和人工成本的目的，最終取得較好的經(jīng)濟效益。

2 控制系統(tǒng)的設計

本系統(tǒng)控制中心是基于天尚智控組態(tài)軟件編寫，采用西門子S7-200單片機作為中轉控制器[2]，串口數(shù)據(jù)通過GPRS WL-4010 DTU遠程連接控制中心，從而實現(xiàn)遠程控制的目的。GPRS DTU是一種應用廣泛的通信設備，其硬件組成部分主要包括CPU控制模塊、無線通訊模塊以及電源模塊，通過串口數(shù)據(jù)與IP數(shù)據(jù)的雙向轉換，可輕松實現(xiàn)遠程無線數(shù)據(jù)通信[3]。

系統(tǒng)通過傳感器進行模擬量采集，通過溫度傳感器、濕度傳感器、氮磷鉀傳感器以及PH值傳感器對監(jiān)測農(nóng)田的冠層土壤進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)由LoRa模塊遠程傳輸至PLC。LoRa模塊為基于LPWAN的遠距離無線通信模塊，無需接入網(wǎng)絡即可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通信[4]。LoRa模塊的應用，解決了傳統(tǒng)模擬量采集有線連接的繁瑣性，提高了本系統(tǒng)的野外使用方便性與靈活性。由于傳感器與LoRa模塊功耗很小，故均采用蓄電池供電，無需引入有線電源，且更換電源十分便捷。數(shù)據(jù)接入PLC后，通過4G網(wǎng)絡傳輸至控制中心，在PC端、手機APP以及控制柜顯示屏上均可實時顯示。系統(tǒng)控制模式分為自動控制與手動控制兩種，以自動控制為主，可實時切換。自動控制模式下，根據(jù)實時采集的傳感器數(shù)據(jù)，由控制中心自動控制電磁閥開閉與水泵啟停;手動控制模式可由多個控制端進行控制，PC端、手機APP和控制柜觸摸屏均可控制電磁閥開閉。同時，系統(tǒng)設計了故障監(jiān)測系統(tǒng)，當判斷出田間冠層土壤數(shù)據(jù)異常時，可自動報警，出發(fā)蜂鳴器與警報燈。系統(tǒng)控制原理圖如圖1所示。遠程灌溉系統(tǒng)控制柜如圖2所示。

3 系統(tǒng)工作流程

本文所設計的智能噴灌系統(tǒng)分為手動控制模式與自動控制模式，兩種模式相互配合。本系統(tǒng)的設計理念是針對在噴灌區(qū)域的不均勻灌溉現(xiàn)象做出的智能化環(huán)境調控，除此以外用戶可以在手動系統(tǒng)控制觸摸屏以及移動終端上進行模式切換選擇，便于用戶的多種情況使用。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

3.1 手動控制模式

手動控制模式所需硬件設備：濕度傳感器、溫度傳感器、氮磷鉀傳感器、PH值傳感器、電磁閥、開關、蜂鳴器、警報燈、噴灌系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、給水泵、西門子S7-200 PLC、觸摸屏、DTU模塊、LoRa模塊。

手動控制流程：

1.各類傳感器采集模擬量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由LoRa模塊傳送至PLC，再通過DTU模塊經(jīng)由虛擬端口傳送到移動端控制界面;

2.觸摸屏以及移動端控制界面上通過圖表的形式實時顯示土壤濕度、溫度等相關信息，并將系統(tǒng)運行的流程圖顯示在界面上，以便用戶查看系統(tǒng)的顯示情況;

3.供水系統(tǒng)給水泵的開關以及控制灌溉啟停的電磁閥連接PLC，PLC系統(tǒng)連接觸摸屏界面，實現(xiàn)觸摸屏界面控制系統(tǒng)各部分的電磁閥的啟停，以及控制硬件系統(tǒng)中的調節(jié)裝置，實現(xiàn)灌溉量的控制。

手動觸摸屏控制界面如圖4所示。

3.2 自動控制模式

自動控制模式所需硬件設備：濕度傳感器、溫度傳感器、氮磷鉀傳感器、PH值傳感器、電磁閥、開關、蜂鳴器、警報燈、噴灌系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、給水泵、西門子S7-200 PLC、觸摸屏、DTU模塊、LoRa模塊。

自動控制流程：

3.2.1各類傳感器采集模擬量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由LoRa模塊傳送至PLC，再通過DTU模塊經(jīng)由虛擬端口傳送到移動端控制界面;

3.2.2移動端通過組態(tài)軟件接收信號，通過判斷程序，確定此時土壤濕度數(shù)值、土壤溫度數(shù)值是否處在適宜區(qū)間，并由此發(fā)送指令給控制機構，進一步控制電磁閥開閉以及溫度調節(jié)裝置;

自動觸摸屏控制界面如圖5所示。

3.3 故障檢測系統(tǒng)

本系統(tǒng)采取的故障檢測原理是基于自動控制原理中基礎的閉環(huán)檢測，獨立于運行系統(tǒng)之外。檢測到系統(tǒng)故障時，啟動警報燈與蜂鳴器實現(xiàn)報警。

3.3.1在系統(tǒng)運行過程中，由PLC實時監(jiān)測硬件運行狀態(tài)，判斷硬件狀態(tài)與設定值是否相同。A9A62B8A-0F04-4FB1-AF4C-B2B899D707E1

3.3.2在系統(tǒng)開始進行自動控制運行過程中，實時監(jiān)測土壤濕溫度數(shù)據(jù)：（1）在調節(jié)土壤濕度過程中，監(jiān)測土壤濕度隨時間變化曲線，當斜率不為正值，觸發(fā)報錯界面，顯示各硬件實現(xiàn)狀態(tài)情況界面;（2）當供水系統(tǒng)完成調節(jié)土壤濕度，控制開關自動關閉，此時監(jiān)測土壤濕度隨時間變化曲線，若斜率出現(xiàn)正值，觸發(fā)報錯界面，顯示各硬件實現(xiàn)狀態(tài)情況界面。

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)基于實現(xiàn)遠程無線灌溉系統(tǒng)的控制基礎上，實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的智能化處理。目前根據(jù)國內(nèi)外的灌溉系統(tǒng)調研，我們對幾類噴灌噴頭做了模擬實驗，發(fā)現(xiàn)在灌溉區(qū)域內(nèi)土壤獲水量并不均勻，即按照我們設計的灌溉系統(tǒng)，在灌溉區(qū)域內(nèi)當土壤濕度達不到要求，系統(tǒng)開啟調節(jié)系統(tǒng)，供水系統(tǒng)開啟，當測點土壤濕度達到要求，調節(jié)系統(tǒng)關閉，此時對于沒有安排測點的區(qū)域，土壤濕度未必處在適宜溫度內(nèi)。本系統(tǒng)所作的智能化處理，是對于常規(guī)噴管區(qū)域做樣點規(guī)劃，合理設置樣點，放置土壤濕度傳感器，將數(shù)據(jù)通過DTU，存儲在SQL軟件中，通過設置多組實驗，計算最佳濕度的調整值，用于運行系統(tǒng)中。

4 數(shù)據(jù)處理及灌溉決策

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集農(nóng)田冠層土壤溫度和濕度，以及土壤氮磷鉀含量、土壤PH值，將數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送至控制中心，進行存儲與調用，土壤溫度及濕度信息經(jīng)過模糊決策后用于農(nóng)田作物的智能灌溉。

4.1數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)將最先接入組態(tài)軟件中，在PC端及手機APP上以圖表形式實時顯示。此外，實時數(shù)據(jù)將存儲在SQL軟件中，SQL與組態(tài)軟件對接，可以實時存儲與讀寫數(shù)據(jù)。對所監(jiān)測的農(nóng)田一般設置四個測點，根據(jù)農(nóng)田的形狀具體確定測點分布位置，最終移動端顯示數(shù)據(jù)由四個測點數(shù)據(jù)加權得出。

4.2灌溉決策

本系統(tǒng)所設計的灌溉決策模塊基于實時采集的農(nóng)田冠層土壤溫濕度數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的農(nóng)田作物種類確定適宜濕度區(qū)間，最后根據(jù)模糊決策理論[5，6，7]確定所需要的灌水量。

以揚州地區(qū)主要經(jīng)濟作物油菜的盛花期為例，該階段油菜適宜濕度區(qū)間為78-87%[8]。系統(tǒng)實際運行時，首先將設定濕度區(qū)間調整為78-87%。灌溉決策模塊調用SQL中存儲的冠層土壤實時溫度與濕度數(shù)據(jù)，利用MATLAB計算求出土壤濕度持水量的調整系數(shù)，并由四個測點的數(shù)據(jù)計算得到土壤平均含水率。按照油菜這一作物預設的溫濕度比例權重確定模糊決策模型，最終得出實際需求灌水量。

5 系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)運行情況簡便化、可視化。本系統(tǒng)的設計思路分為手動控制部分以及自動控制部分。手動控制通過觸摸屏控制無線控制集成柜，連接電磁閥等控制部件，土壤濕度數(shù)據(jù)以及各類硬件運行狀態(tài)可以實時傳輸顯示在觸摸屏上，便于用戶監(jiān)視系統(tǒng)運行情況。自動控制通過網(wǎng)絡虛擬端口將土壤溫濕度數(shù)據(jù)以及各類硬件運行狀態(tài)傳送到SQL中存儲起來，組態(tài)軟件可以調用SQL中數(shù)據(jù)，通過組態(tài)軟件的編程制作出方便用戶監(jiān)視的PC端與移動端界面，實現(xiàn)遠程運行情況監(jiān)視。

（2）實現(xiàn)自動控制灌溉系統(tǒng)的智能化。本系統(tǒng)基于大量參考文獻，使用模糊決策得出揚州地區(qū)油麥菜作物的最佳適宜土壤濕度持水量，以該持水量作為數(shù)據(jù)參考，在實驗灌溉區(qū)域進行仿真實驗，為解決由于灌溉不均勻引起的局部濕度不合理現(xiàn)象，通過MATLAB編程計算引入最佳適宜土壤濕度持水量的調整系數(shù)，得出調整后的最佳適宜土壤濕度持水量，用于自動控制系統(tǒng)。

（3）實現(xiàn)精確控制灌溉水量，節(jié)約水資源，合理化作物灌溉。對于傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)以及目前進行智能化的灌溉系統(tǒng)，一直在優(yōu)化土壤濕度的范圍，得出合理的灌溉方案。而在實際過程中灌溉區(qū)域里噴頭的布置會影響灌溉區(qū)域內(nèi)噴水的均勻性，可能在設定的灌溉量下，局部區(qū)域的土壤濕度會過高，而有些局部區(qū)域的土壤區(qū)域卻達不到要求，盡管是按照最佳適宜的灌溉量進行噴灌，但效果可能并不好。本系統(tǒng)基于智能化模塊中對于數(shù)據(jù)的采集與存儲，利用MATLAB編程程序對灌溉區(qū)域的仿真實驗數(shù)據(jù)進行處理，得出最佳適宜土壤濕度持水量的調整系數(shù)，這可以有效的避免水資源的浪費，也使得灌溉系統(tǒng)的工作更加合理。

（4）系統(tǒng)具有故障檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)在運行過程中設立有獨立的系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視裝置，對于系統(tǒng)中各工作硬件，實行實時檢測，并且將信息傳輸至終端，用戶可以在觸摸屏以及連網(wǎng)終端實時查看，并且當系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)異常會實時觸發(fā)警報燈與蜂鳴器，可以及時進行維修。

（5）野外使用方便性與靈活性。本系統(tǒng)使用LoRa模塊替代控制柜與數(shù)據(jù)采集模塊之間的連線，解決了以往農(nóng)田位置偏僻從而線路布置困難的問題，提高了系統(tǒng)的適用性與方便性。此外，采用蓄電池為傳感器與LoRa模塊供電，無需引入有線電源，更換電源十分便捷，系統(tǒng)搭建成本低。

結束語

基于DTU模塊遠程監(jiān)測的農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)依托傳感器采集數(shù)據(jù)，通過對農(nóng)田冠層土壤溫濕度等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，應用灌溉決策模塊，可在無人工干預的情形下實現(xiàn)自動遠程智能控制灌溉，在提高水資源利用率和節(jié)約人工成本上有顯著優(yōu)勢。該系統(tǒng)符合現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展規(guī)律，將有很大的發(fā)展空間。

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作者簡介：雷彤（2001-），男，漢族，安徽安慶人，揚州大學本科在讀，研究方向：能源與動力工程

基金項目：2020年江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃“基于大數(shù)據(jù)云端的農(nóng)田智能噴灌系統(tǒng)研究”（202011117062Y）A9A62B8A-0F04-4FB1-AF4C-B2B899D707E1