胡天讓

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

近年來(lái)，由于氣候變化和人類活動(dòng)，河西地區(qū)可利用地表水資源數(shù)量急劇減少，產(chǎn)生土壤次生鹽堿化、河道徑流減少和地下水位下降等問(wèn)題。從而導(dǎo)致大量農(nóng)田、林地和草場(chǎng)不同程度的退化，嚴(yán)重制約著該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高。因此，為有效節(jié)約水資源，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注農(nóng)業(yè)用水。而農(nóng)田滴灌是最有效的節(jié)水灌溉方式之一，對(duì)水資源的利用效率極高，可以達(dá)到 95%左右[1]。目前，農(nóng)田滴灌雖然廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田的節(jié)水灌溉，但智能化程度低，人力資源浪費(fèi)嚴(yán)重?；诖?，課題組結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)滴灌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，以有效解決當(dāng)?shù)厮Y源稀少的問(wèn)題，提高農(nóng)業(yè)水資源利用率，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)恢復(fù)保護(hù)、農(nóng)民脫貧致富。

1 滴灌系統(tǒng)開關(guān)環(huán)境及檢測(cè)因素確定

1.1 滴灌系統(tǒng)開關(guān)環(huán)境

課題組基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田滴灌系統(tǒng)服務(wù)器端設(shè)計(jì)，主要利用Friendly ARM H43作為系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)和智能灌溉網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。其中，F(xiàn)riendly ARM作為一體化平臺(tái)，具備低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)，可以利用虛擬技術(shù)將嵌入式操作系統(tǒng)移植到平臺(tái)當(dāng)中，形成用戶界面。同時(shí)，服務(wù)器端系統(tǒng)的環(huán)境設(shè)計(jì)主要完成了Linux內(nèi)核與UBOOT的變異，并將內(nèi)核燒寫到開發(fā)平臺(tái)上。數(shù)據(jù)采集端設(shè)計(jì)離不開ZigBee技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，并進(jìn)一步滿足了ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及ⅠEEE 802.0.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面的需求。此外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗特點(diǎn)，不僅可以承載較小數(shù)據(jù)流量的業(yè)務(wù)，還能夠充分滿足對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)系統(tǒng)采集以及數(shù)據(jù)的快速傳輸，最后搭配合適的路由器，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集范圍的擴(kuò)大。

1.2 檢測(cè)因素的確定

1）溫度和濕度。土壤溫度與土壤濕度作為影響作物生長(zhǎng)和灌溉的最主要因素，首先被確定為系統(tǒng)檢測(cè)因素。2）光照強(qiáng)度。光照對(duì)作物的蒸騰作用具有一定影響，如果夏季光照強(qiáng)烈時(shí)灌溉，將導(dǎo)致作物出現(xiàn)“生理干旱”，對(duì)作物生長(zhǎng)造成較大影響，因此將光照強(qiáng)度作為一個(gè)重要檢測(cè)因素。3）灌溉水壓。受到泵站供水、地形起伏和局部水頭損失等因素的影響，灌溉水壓會(huì)發(fā)生一定變化。而水壓又會(huì)對(duì)滴灌帶壽命、滴灌穩(wěn)定性和自動(dòng)施肥器工作造成影響，因此將水壓作為系統(tǒng)灌溉過(guò)程中的一個(gè)重要控制因素。4）滴灌帶水流。滴灌帶水流大小檢測(cè)主要用于對(duì)滴灌帶堵塞情況的控制。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將受到環(huán)境變化干擾、通信能力不可控、芯片處理能力受限等因素的影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮系統(tǒng)的功能、通信能力、數(shù)據(jù)完整性、處理能力以及供電能力等方面的可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，保證系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。控制界面設(shè)計(jì)應(yīng)簡(jiǎn)潔大方、操作簡(jiǎn)單，方便用戶使用。系統(tǒng)研究時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)解決以下問(wèn)題：運(yùn)用傳感器模塊對(duì)農(nóng)田數(shù)據(jù)的采集、無(wú)線模塊的運(yùn)用、觸摸屏界面與手機(jī)App客戶端的開發(fā)、模糊控制研究以及控制程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)等。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出的一種農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，主要由太陽(yáng)能光伏板、傳感器模塊、無(wú)線傳輸模塊、手機(jī)App和上位機(jī)、PLC控制模塊等多個(gè)部分組成，具體如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)框架示意圖

2.2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)

2.2.1監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)，主要通過(guò)上位機(jī)軟件與云服務(wù)器系統(tǒng)兩者進(jìn)行連接，從而將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)一起同步到云服務(wù)器當(dāng)中。這時(shí)，可以利用微軟系統(tǒng)和安卓系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)的監(jiān)控軟件安裝到PC和手機(jī)上，用戶只需要在設(shè)備上登錄到云服務(wù)器當(dāng)中，就能夠通過(guò)監(jiān)控軟件對(duì)農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如土壤濕度、溫度、光照強(qiáng)度以及滴灌時(shí)間和電磁閥狀態(tài)[2]。

2.2.2傳感器選擇

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的傳感器設(shè)計(jì)，主要分為光照、溫濕度以及水流量等傳感器和壓力變送器等方面。首先，光照傳感器的設(shè)計(jì)選擇MAX4409型號(hào)環(huán)境光傳感器為主[3]。其次，溫濕度傳感器的設(shè)計(jì)主要選擇瑞士生產(chǎn)的SHT20型號(hào)數(shù)字式傳感器，此傳感器具備I2C總線接口、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)輸出。再次，壓力變送器的設(shè)計(jì)以通用型壓力變送器為主，它不僅能夠滿足RTU協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，還能夠?qū)崿F(xiàn)0~0.6 MPa范圍測(cè)試。最后，水流量傳感器的設(shè)計(jì)，以YF-S201型號(hào)的流量傳感器為主以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水流量傳感器的設(shè)計(jì)，同時(shí)此傳感器具備耐水壓能力。電磁閥的選擇以DC12V4分常電磁閥為主，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田滴灌系統(tǒng)的灌溉的啟?？刂?。

2.2.3無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)，選擇利用具有超低功耗和透?jìng)髂芰Φ目珀嘙4物聯(lián)網(wǎng)模塊所裝配的WiFi模塊，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和手機(jī)App應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù)。而該模塊通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)通信，當(dāng)模塊向軟件發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，只需要利用TCP連接就能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并對(duì)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)田滴灌系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作[4]。

2.3 手機(jī)App設(shè)計(jì)

針對(duì)手機(jī)遠(yuǎn)程控制App設(shè)計(jì)，主要通過(guò)安裝平臺(tái)利用Java語(yǔ)言開發(fā)而成，并利用無(wú)線透?jìng)鞣绞綄?shí)現(xiàn)農(nóng)田間的設(shè)備與用戶手中的遠(yuǎn)程控制App之間的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)App接收到關(guān)于農(nóng)田的數(shù)據(jù)后，可以通過(guò)對(duì)設(shè)備定時(shí)的方式下達(dá)相應(yīng)的任務(wù)，這樣一來(lái)就能夠在固定的時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田灌溉的工作。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，在為App提供良好的體驗(yàn)時(shí)，還能夠讓用戶隨時(shí)隨地通過(guò)App進(jìn)入云端平臺(tái)查看與分析農(nóng)田智能設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將土壤濕度數(shù)據(jù)和水位情況實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)顯示界面上[5]。而App的設(shè)計(jì)，還為用戶提供了遠(yuǎn)程控制農(nóng)田中電磁閥的啟停的功能，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田排水與灌溉。

2.4 硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)作為物聯(lián)網(wǎng)傳感層當(dāng)中的一項(xiàng)基本組成單元，具有信息傳輸功能和環(huán)境感知功能?？梢越柚煌愋偷膫鞲衅鲗?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集周圍環(huán)境的狀態(tài)信息，還能夠控制農(nóng)田自動(dòng)化灌溉。而節(jié)點(diǎn)硬件的設(shè)計(jì)以微處理器為核心，通過(guò)采集傳感器采集數(shù)據(jù)，并將其反饋到遠(yuǎn)程服務(wù)器上。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要具備供電電路、擴(kuò)展電路、無(wú)線通信模塊、控制電路以及傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換電路等功能。而網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)主要承擔(dān)了人機(jī)交互功能、數(shù)據(jù)信息傳輸以及邏輯控制等，以模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜情況的處理。如在某個(gè)全面覆蓋4G網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田當(dāng)中，利用4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的遠(yuǎn)程控制滴灌操作。

3 模糊控制智能算法研究

3.1 模糊控制設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)農(nóng)田滴灌系統(tǒng)，主要通過(guò)人為手動(dòng)控制電磁閥的啟停，缺少了對(duì)農(nóng)田滴灌用水的精準(zhǔn)控制。而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的農(nóng)田智能滴灌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)、App移動(dòng)端就能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)的情況，然后結(jié)合反饋得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能算法研究，再精準(zhǔn)地調(diào)整農(nóng)田滴灌控制系統(tǒng)的輸出，達(dá)到高質(zhì)量、精準(zhǔn)的灌溉狀態(tài)。但由于當(dāng)前大部分算法是通過(guò)數(shù)據(jù)模型構(gòu)建而成的，只要滴灌系統(tǒng)進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，就會(huì)發(fā)生不確定性與滯后性等問(wèn)題。所以，課題組提出的模糊控制智能算法，并不需要構(gòu)建精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型，而是利用專家經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)知識(shí)設(shè)計(jì)的一款模糊控制器，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。此模糊控制器可以通過(guò)模仿人類的思維方式提供決策。而在現(xiàn)有的農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程控制中，只能對(duì)輸入土壤濕度為模塊控制的輸入量進(jìn)行控制。但對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)以及是否缺水情況的判斷，既需要充分地考慮當(dāng)前土壤濕度問(wèn)題，又需要充分考慮土壤自身受到的降雨量、滲漏量以及蒸騰量等方面的影響。所以，課題組提出的模糊控制器，融合了土壤濕度與土壤濕度變化率等數(shù)據(jù)為輸入量。通過(guò)構(gòu)建二維模型控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田的智能滴灌[6-8]。

圖2 模糊控制流程示意圖

3.2 模糊控制實(shí)現(xiàn)

利用MATLAB 2018部署工具[9]，為模糊控制器提供了相應(yīng)的組件與函數(shù)，借助函數(shù)和組件的向?qū)Ь幊蹋瑢?shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田智能滴灌模糊控制智能算法的設(shè)計(jì)。同時(shí)，利用部署工具將智能算法打包成文件庫(kù)，并生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的程序集，然后結(jié)合上位機(jī)軟件上接口，可以實(shí)現(xiàn)外部互聯(lián)。通過(guò)將土壤濕度傳感器所傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和智能算法兩者結(jié)合，可以計(jì)算出需要對(duì)農(nóng)田滴灌的時(shí)間，并向系統(tǒng)發(fā)出準(zhǔn)確的滴灌指令。

3.3 上位機(jī)與下位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

3.3.1上位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)上位機(jī)模塊的設(shè)計(jì)，主要由PC機(jī)和臺(tái)式機(jī)兩個(gè)部分組成。其中，上位機(jī)的設(shè)計(jì)，通過(guò)配置農(nóng)田滴灌參數(shù)，可以遠(yuǎn)程操作發(fā)送施肥命令和農(nóng)田灌溉命令。同時(shí)，借助上位機(jī)的顯示器，可以實(shí)時(shí)對(duì)農(nóng)田灌溉的情況以及環(huán)境變化參數(shù)信息進(jìn)行監(jiān)控，借助設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)初始值，搭配模糊邏輯規(guī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制命令的計(jì)算。針對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)和Java編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了對(duì)前端顯示功能以及后端邏輯控制功能的設(shè)計(jì)。針對(duì)農(nóng)田遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)計(jì)，課題組選擇利用WinCC Flexible 2008組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)。而上位機(jī)設(shè)計(jì)，一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)所上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和顯示，另一方面實(shí)現(xiàn)了不同類型傳感器與系統(tǒng)中設(shè)定的值進(jìn)行對(duì)比分析，可以對(duì)農(nóng)田的信息與智能滴灌系統(tǒng)是否正常運(yùn)行進(jìn)行判斷，為后續(xù)工作提供相應(yīng)決策支持。上位機(jī)軟件部分設(shè)計(jì)主要包含了控制模塊、參數(shù)設(shè)定模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及人機(jī)交互模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊、查詢模塊等六個(gè)部分。通信模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)以及對(duì)不同類型的信息進(jìn)行傳輸、控制命令接收與發(fā)送、協(xié)議修訂，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸提供了保障。參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)計(jì)，借助上位機(jī)界面顯示屏，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、濕度參數(shù)以及EC和pH等指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，并可以根據(jù)農(nóng)田中不同節(jié)點(diǎn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境需求，對(duì)參數(shù)的上限值或者下限值進(jìn)行調(diào)整。

3.3.2下位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

下位機(jī)作為執(zhí)行端，針對(duì)該模塊的設(shè)計(jì)可以選擇利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，如利用AT89C51型號(hào)的單片機(jī)，這樣既可以有效節(jié)約成本，還能夠滿足不同功能需求。傳感器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田周圍環(huán)境信息的采集與傳輸，利用編碼器可以對(duì)所采集的信息進(jìn)行編號(hào)處理和多點(diǎn)控制，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，最后在執(zhí)行端的LED顯示屏幕上進(jìn)行顯示。這樣既充分保障了相關(guān)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)更新，還能夠同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的顯示界面上，并將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保存在云端數(shù)據(jù)庫(kù)與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。同時(shí)，除去單片機(jī)的應(yīng)用，還需要在下位機(jī)（執(zhí)行端）上接入多種類型的外圍設(shè)備，比如光照傳感器設(shè)備、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)備、電源模塊、電磁閥、LED顯示器、溫度濕度傳感器等設(shè)備，以此構(gòu)建完整的下位機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的智能化遠(yuǎn)程滴灌。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要通過(guò)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方式和手動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，所以通過(guò)上位機(jī)界面窗口顯示與其他硬件設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)田的溫度、濕度以及光照情況、灌溉水壓等方面進(jìn)行設(shè)定與控制，達(dá)到農(nóng)田精準(zhǔn)灌溉的目的[10]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證課題組設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，結(jié)合某個(gè)地區(qū)的農(nóng)田灌溉對(duì)此遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析，并分別從ZigBee子節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)客戶端、服務(wù)器數(shù)據(jù)通信以及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)方面展開了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。最后，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)測(cè)試、調(diào)試工作之后，證明了該農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中能夠保持正常運(yùn)行，并且可以滿足不同類型環(huán)境的需求，尤其是針對(duì)花園、溫室蔬菜大棚等封閉的環(huán)境，本系統(tǒng)的應(yīng)用既可以有效降低人力成本，還能夠充分滿足農(nóng)田區(qū)域化的灌溉需要。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)在現(xiàn)代化水平上雖然取得了很大的進(jìn)展，但相較于發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距。研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從農(nóng)業(yè)傳感器、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和智能控制技術(shù)三個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有滴灌控制系統(tǒng)進(jìn)行改良。并通過(guò)在農(nóng)田中安裝滴灌控制傳感器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)信息的采集，并為農(nóng)田滴灌智能控制提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)支持。而智能控制技術(shù)在農(nóng)田滴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田中的電磁閥啟?？刂埔约肮?jié)水灌溉任務(wù)，從而保障了農(nóng)作物能夠時(shí)刻在適宜的環(huán)境中生長(zhǎng)，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收，實(shí)現(xiàn)了智能化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。因此，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的應(yīng)用前景。