王愛蘋

(聊城市位山灌區(qū)管理服務(wù)中心，山東 聊城 252000)

灌區(qū)是一個(gè)半人工的生態(tài)系統(tǒng)，它是依靠自然環(huán)境提供的光、熱、土壤資源，加上人為選擇的作物和安排的作物種植比例等人工調(diào)控手段而組成的一個(gè)具有很強(qiáng)的社會(huì)性質(zhì)的開放式生態(tài)系統(tǒng)[1-4]。然而，目前的灌溉系統(tǒng)沒有充分利用兩種稀缺而寶貴的灌溉資源，即水和能源，因此很少有灌溉系統(tǒng)能夠把握何時(shí)何地需要灌溉。不必要的灌溉，或在需要時(shí)延遲灌溉，能分別導(dǎo)致水/能源浪費(fèi)和作物產(chǎn)量低[5-8]。因此，智能集成灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分必要。

根據(jù)目前的文獻(xiàn)研究，學(xué)者們基于數(shù)據(jù)傳輸方法設(shè)計(jì)了一些先進(jìn)的智能灌溉系統(tǒng)，如可以控制多塊農(nóng)田的中央智能灌溉系統(tǒng)。該產(chǎn)品在每個(gè)所需要的灌溉區(qū)域都設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)連接到農(nóng)田中安裝的計(jì)算機(jī)，通過Internet上的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。此外，還有學(xué)者提出了一種基于云智能灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。環(huán)境參數(shù)由傳感器收集并上傳到云中進(jìn)行評估。評估傳感器數(shù)據(jù)后，從云端遠(yuǎn)程控制致動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)。這些技術(shù)雖然先進(jìn)，但成本難控制，技術(shù)要求高[9-10]，因此本文以聊城市位山灌區(qū)為例，基于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)了一個(gè)低成本的灌溉監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多個(gè)傳感器組成，可以測量多種環(huán)境參數(shù)。測量的核心控制器可以處理來自傳感器的數(shù)據(jù)，Arduino模型可以用作核心控制器。最后，可以通過WI-FI系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)查看傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)定算法來監(jiān)控和決策灌溉需求。

1 位山灌區(qū)簡介

位山灌區(qū)始建于1958年，是全國第五大灌區(qū)、黃河第二大灌區(qū)、山東省最大灌區(qū)。作為引進(jìn)與配置黃河水資源的主要工程，位山灌區(qū)承擔(dān)了聊城65%的耕地灌溉任務(wù)，保障了100多萬城鄉(xiāng)居民的飲水安全，已經(jīng)成為聊城農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市生態(tài)水系、居民生活用水的主要水源支撐和華北地區(qū)跨流域調(diào)水的重要基礎(chǔ)保障。灌區(qū)于1958年10月開灌，至1961年6月共引水37.9億 m3，澆地2 563萬畝次。1962年停止引黃灌溉，1966年復(fù)灌后，1970-1985年灌區(qū)累計(jì)引水136.5億 m3，累計(jì)灌溉面積4 077萬畝，年均灌溉面積255萬畝。1982-1985年，每年灌溉面積為340～380萬畝。灌區(qū)地下水位保持穩(wěn)定，鹽堿地減少，增產(chǎn)效益顯著。與此同時(shí)，灌區(qū)還為聊城工業(yè)、城鎮(zhèn)居民生活及環(huán)境用水提供了大量優(yōu)質(zhì)水源。引黃補(bǔ)源，有效地緩解了地下水位下降的趨勢，保障了機(jī)井的正常使用，改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境。向電廠供水，有力地服務(wù)了工業(yè)建設(shè)。向東昌湖、古運(yùn)河、徒駭河供水，為打造“江北水城”提供了水源支持，改善了投資環(huán)境，促進(jìn)了旅游業(yè)的發(fā)展。灌區(qū)自 1981 年以來還先后承擔(dān)了 6 次引黃濟(jì)津和 10 次引黃入衛(wèi)跨流域調(diào)水任務(wù)，向天津、河北送水 52億 m3，有力地支援了兩省市的經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

灌溉監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)主要基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，一共包含了兩部分，硬件和軟件。硬件部分有傳感器，LCD顯示傳感器， arduino atmega 328 (將模擬信號(hào)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值)、Wi-Fi模塊 (建立硬件和軟件之間的連接)。在軟件方面，我們開發(fā)了一個(gè)基于嵌入式c語言的程序設(shè)計(jì)。第一級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，先將PCB安裝在組件和傳感器在上面，之后將BLYNK應(yīng)用程序安裝在android版本中以查看輸出。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)，給設(shè)計(jì)模塊提供直流電流，以接通arduino和WIFI。我們對土壤的參數(shù)進(jìn)行了一對一的測試，并將測試結(jié)果與hotspot一起給出了LCD顯示屏上顯示的準(zhǔn)確值。當(dāng)設(shè)計(jì)模塊位于任何土體上，且WIFI聯(lián)通，系統(tǒng)能在任何時(shí)間任何地點(diǎn)在移動(dòng)終端上觀察到各參數(shù)實(shí)時(shí)值變化規(guī)律，同時(shí)自動(dòng)分析數(shù)據(jù)后來決策是否進(jìn)行灌溉。圖1為本次設(shè)計(jì)的一個(gè)由不同傳感器組成的模塊功能圖。如圖所示，模型內(nèi)置ADC和Wi-Fi模塊，將嵌入式設(shè)備連接到internet，傳感器則連接到Arduino UNO板用于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，ADC將轉(zhuǎn)換相應(yīng)的傳感器所讀取的數(shù)字值，最后帶有Wi-Fi模塊的ATMEGA 328實(shí)現(xiàn)模型。

圖1 模塊功能圖

3 傳感器設(shè)計(jì)

本次土壤環(huán)境監(jiān)測的傳感器包括pH傳感器、濕度、溫度傳感器、流量傳感器等?，F(xiàn)對其性能進(jìn)行簡要介紹，如圖2所示。

圖2 水質(zhì)監(jiān)測的傳感器

3.1 pH傳感器

溶液的pH值是該溶液酸度或堿度的測量值， pH標(biāo)度為對數(shù)標(biāo)度，其范圍為0～14，溶液性質(zhì)為中性時(shí)為7。高于7的值表示堿性，低于7的值表示酸性溶液。本設(shè)計(jì)采用5V電源供電，可與arduino接口相連。pH值的正常范圍為6～8.5。

3.2 濕度傳感器

主要用來測量土壤相對含水量，做土壤墑情監(jiān)測及農(nóng)業(yè)灌溉和林業(yè)防護(hù)。土壤濕度傳感器采用FDR頻域反射原理。FDR(Frequency Domain Reflectometry)頻域反射儀是一種用于測量土壤水分的儀器，它利用電磁脈沖原理、根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù)，從而得到土壤相對含水量，F(xiàn)DR具有簡便安全、快速準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)、自動(dòng)化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 溫度傳感器

DS18B20溫度傳感器的范圍為-55℃～+125℃。此溫度傳感器是數(shù)字類型，可提供準(zhǔn)確的讀數(shù)。

3.4 流量傳感器

流量傳感器用于測量流經(jīng)傳感器的水流量，主要由一個(gè)塑料閥體、一個(gè)轉(zhuǎn)子和一個(gè)霍爾傳感器組成的效應(yīng)傳感器。當(dāng)水和液體流過泵時(shí)，銷輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)閥門，速度將與流量成正比?；魻栃?yīng)傳感器將在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈時(shí)提供一個(gè)電脈沖。

4 硬件設(shè)計(jì)組裝

圖3為Arduino Uno微控制器板。Arduino是基于ATmega328P開發(fā)的，有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出，其中6個(gè)可用作PWM輸出，6個(gè)模擬輸入，一個(gè)16 MHz石英晶體，一個(gè)USB連接，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP頭和重置按鈕。它包含支持微控制器所需的一切。IDE軟件是Arduino的參考版本， Uno板是一系列USB Arduino板中的第一塊。

圖3 Arduino Uno微控制器板 圖4 無線模塊

圖4中的無線模塊ESP8266 WiFi是一個(gè)具有集成TCP/IP協(xié)議的獨(dú)立SOC，可以讓任何微控制器訪問WiFi網(wǎng)絡(luò)的堆棧。ESP8266是能夠下載應(yīng)用程序或卸載所有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)功能，從而安裝另一個(gè)應(yīng)用程序處理器。每個(gè)ESP8266模塊使用AT命令設(shè)置固件，都經(jīng)過預(yù)編程處理。

圖5為本次設(shè)計(jì)組裝后的軟件成品。

圖5 設(shè)計(jì)組裝后的軟件成品

5 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的灌溉監(jiān)測系統(tǒng)具有獨(dú)特優(yōu)勢的GSM網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可自動(dòng)監(jiān)測土壤中各種組分的變化情況，可根據(jù)分析的數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測是否需要進(jìn)行灌溉。具有成本低，無需人工干預(yù)，比傳統(tǒng)的人工來控制灌溉的方式更經(jīng)濟(jì)，更方便快捷。該系統(tǒng)具有良好的靈活性，根據(jù)需求可隨時(shí)更換相應(yīng)的傳感器和改變相關(guān)的軟件程序。此外系統(tǒng)可以擴(kuò)展到監(jiān)測整個(gè)位山灌區(qū)的水文、空氣污染、工業(yè)和環(huán)境污染等等，具有廣泛的應(yīng)用和推廣價(jià)值。測試時(shí)將嵌入式設(shè)備保留在環(huán)境中進(jìn)監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)即智能土壤環(huán)境監(jiān)測，進(jìn)行灌溉決策，但需要在收集數(shù)據(jù)和分析的環(huán)境中部署傳感器設(shè)備，再通過網(wǎng)絡(luò)與其他對象交互，然后收集數(shù)據(jù)分析結(jié)果，通過Wi-Fi提供給終端。