胡浩博，馬惠鋮，王海軍，白海濤

（延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西 西安 710100）

0 引 言

我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)灌溉所需水資源量大，現(xiàn)有農(nóng)業(yè)灌溉大多數(shù)還是以傳統(tǒng)灌溉為主，灌溉過程沒有科學(xué)的管理，導(dǎo)致水資源及人力成本消耗嚴(yán)重。因此，節(jié)約水資源、科學(xué)管理、降低人力成本是我國從農(nóng)業(yè)大國走向農(nóng)業(yè)強國的主要途徑之一[1-2]。為此，本文基于中國電信物聯(lián)網(wǎng)開放平臺設(shè)計了一套智能灌溉一體化系統(tǒng)，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉與物聯(lián)網(wǎng)云端的互聯(lián)以及農(nóng)田灌溉自動化、灌溉數(shù)據(jù)可視化，進而節(jié)約水資源和人力成本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

智能灌溉一體化系統(tǒng)是關(guān)于農(nóng)業(yè)灌溉自動化的控制系統(tǒng)，主要由六部分構(gòu)成，分別是底層傳感器、微控制器Arduino UNO、被控部分、Air724UG 4G LTE模塊、顯示屏OLED、CTWing云平臺。該設(shè)計基于CTWing平臺，對灌溉環(huán)境的空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度三項信息進行綜合對比，進而實時執(zhí)行智能灌溉。系統(tǒng)方案設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器模塊設(shè)計

傳感器模塊包括DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器和光敏傳感器。由于農(nóng)作物在灌溉過程中易受其他環(huán)境影響，DHT11溫濕度傳感器具有良好的穩(wěn)定性，能夠滿足檢測灌溉環(huán)境外部溫濕度的要求[3-5]。

土壤濕度傳感器作為感知灌溉環(huán)境土壤的主要元件，其表面采用鍍鎳處理，感應(yīng)面積進行加寬處理，進一步提升傳感器的導(dǎo)電性能，解決了土壤接觸部分易生銹問題，使得傳感器使用周期加長。用土壤濕度傳感器感知農(nóng)作物生長所處土壤的相對含水量，即土壤水分占種植地總體水分的比例。在大面積種植作物時，每一處土壤所含水分含量有所差異，當(dāng)土壤水分過低、過高時，土壤傳感器會實時感知農(nóng)作物生長土壤濕度環(huán)境，并將感知數(shù)據(jù)發(fā)送至CTWing云平臺，CTWing平臺的數(shù)據(jù)可視化功能會呈現(xiàn)農(nóng)作物生長所需水分狀況，反映出農(nóng)作物的產(chǎn)量是否會因此受到影響[6]。

光敏傳感器是灌溉環(huán)境的光照強度感知元件。由于夏季光照強度對農(nóng)作物生長的影響較大。夏季灌溉水分蒸發(fā)量大，水資源浪費嚴(yán)重；光照過強、溫度過高時，直接灌溉會對作物產(chǎn)生一定傷害，影響作物生長，故需要在一定光照范圍內(nèi)減少水資源蒸發(fā)?？刂葡到y(tǒng)在合理時間進行灌溉，能夠降低對作物生長的傷害。

2.2 微控制器模塊

Arduino單片機具有豐富的I/O口，進行I/O口的拓展比較容易，能夠用于大多數(shù)傳感器感知數(shù)據(jù)的處理，對采集的數(shù)據(jù)能夠進行有效控制。選擇Arduino單片機作為本灌溉系統(tǒng)的MCU，能夠滿足系統(tǒng)的需求。此MCU具有良好的控制功能以及靈活的輸入輸出口，故更適合作為灌溉系統(tǒng)的MCU。

2.3 Air724UG 4G LTE通信模塊

選用Air724UG 4G LTE模塊作為系統(tǒng)的通信模塊，其具有低功耗、信號穩(wěn)定性好等優(yōu)點，避免灌溉場所WiFi不穩(wěn)定或無WiFi信號的狀況，使用范圍廣泛；還具有基站定位等功能，支持二次開發(fā)，為底層感知數(shù)據(jù)上傳云端提供了良好的保障?？蛇B接大多數(shù)灌溉系統(tǒng)，形成國內(nèi)新一代的智能灌溉網(wǎng)，進一步減少人力、物力的投入。

2.4 系統(tǒng)被控模塊

本系統(tǒng)的灌溉控制方式分為底層繼電器控制和云端下發(fā)指令自動控制兩種。底層繼電器控制是通過底層傳感器感知灌溉環(huán)境，將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，單片機經(jīng)過程序判斷，綜合傳感器感知數(shù)據(jù)，下發(fā)指令給繼電器，進行灌溉工作。云端下發(fā)指令自動控制是通過將底層傳感器感知的數(shù)據(jù)上傳至云端，云端形成數(shù)據(jù)可視化界面，通過CTWing平臺上的MQTT消息訂閱功能進行指令下發(fā)。當(dāng)灌溉環(huán)境的閾值低于農(nóng)作物的生長條件時，云端會自動下發(fā)指令給單片機，單片機接收到命令后作出響應(yīng)，開啟繼電器，進行灌溉工作；當(dāng)灌溉環(huán)境的閾值達到農(nóng)作物的生長條件時，繼電器關(guān)閉，系統(tǒng)停止工作，完成智能節(jié)水灌溉工作。

2.5 系統(tǒng)顯示模塊

系統(tǒng)顯示模塊采用OLED顯示屏，顯示底層所感知的灌溉環(huán)境溫濕度、土壤濕度、光照強度等數(shù)據(jù)。OLED顯示屏幕具有可視角度大、功耗低、操作簡單方便、功能豐富等優(yōu)點，能夠?qū)崟r顯示數(shù)據(jù)、圖形等，故選擇其作為灌溉系統(tǒng)的顯示模塊。

2.6 CTWing云平臺

首先，打開中國電信物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，進入AEP控制臺；根據(jù)平臺開發(fā)向?qū)нM行操作，將開發(fā)平臺注冊好后創(chuàng)建產(chǎn)品，填寫所有產(chǎn)品信息后即可完成創(chuàng)建。CTWing平臺具有多種通信協(xié)議，系統(tǒng)采用MQTT通信方式、中國電信物聯(lián)網(wǎng)卡4G移動蜂窩數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)類型等完成與平臺的連接，能夠有效提升物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用能力[7-8]。然后，將底層設(shè)備接入云端，通過CTWing平臺提供的API文檔進行開發(fā)，并在平臺上開啟相關(guān)消息通知與訂閱管理等功能，開發(fā)完成后在CTWing平臺上發(fā)布應(yīng)用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測灌溉環(huán)境溫濕度、土壤濕度、光照強度，并判斷所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)是否符合農(nóng)作物生長條件、各項數(shù)據(jù)是否在農(nóng)作物生長閾值范圍內(nèi)；通過單片機進行指令下發(fā)，繼電器響應(yīng)，判斷是否進行灌溉工作。這種自動化設(shè)計能夠達到節(jié)水灌溉、科學(xué)灌溉的目的。圖2為灌溉系統(tǒng)的總體流程。

圖2 灌溉系統(tǒng)的總體流程

啟動DHT11溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光敏傳感器，再對OLED顯示屏進行初始化，測量灌溉環(huán)境溫濕度、土壤濕度以及光照強度，把采集到的感知數(shù)據(jù)發(fā)送至OLED顯示屏顯示，并上傳至CTWing云平臺；系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)作物生長所需溫濕度閾值下發(fā)指令，并在CTWing云平臺以可視化方式告知管理員農(nóng)作物灌溉狀況以及作出響應(yīng)保證灌溉系統(tǒng)正常工作。

4 系統(tǒng)測試

將硬件底層系統(tǒng)放置實驗環(huán)境，系統(tǒng)通電，上電后OLED顯示屏將傳感器感知的數(shù)據(jù)實時顯示在屏幕上。圖3為系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)顯示。

圖3 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)顯示

當(dāng)系統(tǒng)上電后，CTWing云平臺中的智能灌溉一體化系統(tǒng)即刻顯示“在線”狀態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)訂閱管理對系統(tǒng)消息進行跟蹤。圖4為系統(tǒng)訂閱管理界面。

圖4 系統(tǒng)訂閱管理界面

5 結(jié) 語

智能灌溉一體化系統(tǒng)是以Arduino UNO為底層核心，利用Air724UG 4G LTE通信模塊，基于CTWing平臺、傳感器技術(shù)設(shè)計出的一套智能灌溉一體化系統(tǒng)。通過底層傳感器采集數(shù)據(jù)，并在OLED顯示屏上顯示，同時上傳至CTWing云平臺，將可視化的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程告知管理員，達到自動灌溉的效果。系統(tǒng)利用傳感器感知以及MCU控制，從數(shù)據(jù)感知到數(shù)據(jù)上云全程自動，可以有效監(jiān)控灌溉環(huán)境溫濕度、土壤濕度、光照強度。經(jīng)過測試，系統(tǒng)能夠自動智能處理農(nóng)作物灌溉，實現(xiàn)農(nóng)作物灌溉的自動化[9-10]。通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，進一步解決農(nóng)作物灌溉水資源利用率低下、人力資源消耗嚴(yán)重的問題。本系統(tǒng)具有一定的實用價值，符合當(dāng)下對中西部地區(qū)農(nóng)作物灌溉的可行性、實用性等要求。