農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

1、作者：趙慶建王昌海丁勝朱秀峰馮杰來(lái)源：江蘇科技信息2018年第2期摘要：文章對(duì)智能灌溉系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題展開研究，對(duì)智能灌溉系統(tǒng)的組成、多路信號(hào)采集與控制、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)以及后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。智能灌溉系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)和參數(shù)，如土壤溫濕度、氣象參數(shù)等；實(shí)現(xiàn)地塊各溫室大棚灌溉指令下發(fā)。農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的研發(fā)有助于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，達(dá)到節(jié)水、增效、增產(chǎn)的目的，提升農(nóng)業(yè)科學(xué)管理的水平。關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；智能灌排；傳感器網(wǎng)絡(luò)；關(guān)鍵技術(shù)中圖分類號(hào)：S275.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0引言近年來(lái)，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展如火如荼，物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、智能處理技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)農(nóng)業(yè)

2、生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域1。政府、企業(yè)和相關(guān)組織都希望通過(guò)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的智能化、經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域的差異性以及服務(wù)領(lǐng)域的全方位，推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精細(xì)化、高效化與綠色化，保障農(nóng)產(chǎn)品安全，提升農(nóng)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展2。智能灌溉是智慧農(nóng)業(yè)的一種重要形式。智能灌溉是指通過(guò)布置各種傳感器，對(duì)溫室或大田的環(huán)境參數(shù)和土壤墑情信息等進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，通過(guò)智能化設(shè)施對(duì)環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)控制和管理，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉的精細(xì)化、適時(shí)化、自動(dòng)化、智能化，為精準(zhǔn)化農(nóng)田管理提供科學(xué)依據(jù)，使農(nóng)田灌溉以人力為中心、依賴于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式3。智能灌溉既可以節(jié)約用水，提高水的利用率，又可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收4-5。

3、智能灌溉系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)包括基于智能終端的多路信號(hào)采集與控制、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與控制依賴于現(xiàn)場(chǎng)控制終端和傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)依賴于有效的通信協(xié)議6。本文針對(duì)智能灌溉系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題開展研究，對(duì)智能灌溉系統(tǒng)的組成、多路信號(hào)采集與控制、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)以及后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與開發(fā)，在企業(yè)支持下，實(shí)現(xiàn)了智能灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用。1智能灌溉系統(tǒng)的組成1.1智能灌溉系統(tǒng)平面圖整個(gè)農(nóng)業(yè)園區(qū)由處于不同空間地理位置上的多個(gè)地塊組成，每個(gè)地塊又布置多個(gè)溫室大棚。傳統(tǒng)的溫室大棚灌溉是由人工操縱獨(dú)立的灌溉機(jī)械完成的，灌溉的方式往往采用漫灌或澆灌。智能灌溉要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)農(nóng)業(yè)園，完成信息采集、傳

4、輸和自動(dòng)控制任務(wù)。在每個(gè)溫室大棚內(nèi)安裝灌溉管道，管道上安裝一個(gè)流量傳感器和電磁閥，用于流量監(jiān)測(cè)和控制；各地塊的一個(gè)典型溫室大棚內(nèi)安裝土壤墑情監(jiān)測(cè)器，用于監(jiān)測(cè)該地塊的土壤養(yǎng)分等數(shù)據(jù)，如圖1所示。1.2基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集與傳輸在智能灌溉系統(tǒng)中，土壤墑情傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝在溫室大棚中，根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的需要，為傳感器節(jié)點(diǎn)配置不同類型的傳感器。土壤墑情傳感器監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的土壤含水量、土壤溫度、濕度等信息，通過(guò)信號(hào)線連接到首部控制終端，實(shí)現(xiàn)土壤墑情數(shù)據(jù)的采集；溫室大棚流量傳感器監(jiān)測(cè)管道水流量，并上傳到終端。在各地塊中間安裝小型氣象站，用于監(jiān)測(cè)地塊的氣象信息。終端采集的數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)GPRS完成遠(yuǎn)程信息傳輸

5、，上傳到監(jiān)控中心，用于后臺(tái)的綜合管理。1.3田間控制終端可以基于GPRS無(wú)線通信接收監(jiān)控中心下發(fā)的命令，通過(guò)多路信號(hào)線連接到灌溉系統(tǒng)首部的觸電器和地塊內(nèi)各溫室大棚的電磁閥，實(shí)現(xiàn)地塊灌溉和大棚流量控制。終端內(nèi)還可以預(yù)先下發(fā)設(shè)置灌溉方案，即確定灌溉量、灌溉時(shí)間等參數(shù)，基于地塊和大棚采集到的數(shù)據(jù)，自主判斷并自動(dòng)執(zhí)行灌溉方案。2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)智能灌溉系統(tǒng)由綜合監(jiān)控平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、多路信號(hào)采集與控制3個(gè)層級(jí)構(gòu)成。綜合監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、綜合管理與控制命令下發(fā)；多路信號(hào)采集與控制終端實(shí)現(xiàn)基于傳感器的數(shù)據(jù)采集和對(duì)灌溉系統(tǒng)首部繼電器與大棚電磁閥的控制；網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺(tái)與終端之間的上下行網(wǎng)絡(luò)通信。

6、監(jiān)控平臺(tái)與各終端之間通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)雙向通信。監(jiān)控中心可實(shí)時(shí)顯示和控制整個(gè)農(nóng)業(yè)園區(qū)的灌溉情況，并可制作灌溉方案下發(fā)到具體終端，由其根據(jù)具體環(huán)境條件自動(dòng)執(zhí)行灌溉方案。智能灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于基于物聯(lián)網(wǎng)的多路信號(hào)采集與控制和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。2.1基于智能監(jiān)控終端的多路信號(hào)采集與控制智能監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)傳感器和后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)之間的高精度數(shù)據(jù)采集、隔離轉(zhuǎn)換、監(jiān)控與傳輸。通過(guò)軟件配置，智能監(jiān)控終端可接入多種傳感器類型，包括電流輸出型、電壓輸出型等等。智能監(jiān)控終端設(shè)置多路信號(hào)采集和控制，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施的連接。終端內(nèi)部包括電源隔離、信號(hào)隔離、線性化、A/D轉(zhuǎn)換和RS-485、RS-232串行通信等模塊。通訊方式采

7、用ASCII碼字符通信協(xié)議。在智能監(jiān)控終端內(nèi)，所有用戶設(shè)定的校準(zhǔn)值、地址、波特率、數(shù)據(jù)格式、校驗(yàn)和狀態(tài)等配置信息都儲(chǔ)存在非易失性存儲(chǔ)器EEPROM里。信號(hào)輸入/輸出之間隔離?？沙惺?000VDC隔離電壓，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。工作溫度范圍在-45C+80C。2.2網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)智能灌溉系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于前置機(jī)通信系統(tǒng)。前置機(jī)通信系統(tǒng)一方面負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)智能終端通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和命令下發(fā)，另一方面要與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和參數(shù)取出。與現(xiàn)場(chǎng)智能終端的通信需要制定一套數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議，并且要實(shí)現(xiàn)多種通信方式和通信設(shè)備(協(xié)議)的動(dòng)態(tài)兼容。與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的通信需要制定一套應(yīng)用層通信協(xié)議

8、。網(wǎng)絡(luò)通信的上行數(shù)據(jù)包括：土壤溫度、濕度、氮磷鉀等養(yǎng)分含量、空氣溫度、濕度、電磁閥及各控制器的工作狀態(tài)等信息。下行數(shù)據(jù)是指由監(jiān)控平臺(tái)向各控制終端發(fā)出的各種控制指令，包括指定電磁閥的開關(guān)指令、各終端的狀態(tài)查詢指令以及對(duì)各終端參數(shù)的下發(fā)等。3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本文基于Windows和Android平臺(tái)，采用JAVAEclipse,AndroidSDK等開發(fā)工具，后臺(tái)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)報(bào)警和后臺(tái)綜合管理與查詢，具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。mt詣慈事厲甜匱應(yīng)b參考文獻(xiàn)唐珂國(guó)外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及對(duì)我國(guó)的啟示J中國(guó)科學(xué)院院刊，2013(6)：11-17.許愛萍天津智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中的主要問(wèn)題與解決路徑J世界農(nóng)業(yè)，2017(3)：198-203.齊松濤，方部玲，曹越，等智能灌溉在現(xiàn)代休閑農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用試驗(yàn)J.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016(3)：421423.劉