大规模用水节点的灌溉物联网监控系统设计 

大规模用水节点的灌溉物联网监控系统设计 

吴姝,王琨,王超,冒薇,王晓蓉

苏州经贸职业技术学院，江苏 苏州市，215009

项目名称及编号：基于物联网技术的智能灌溉系统研究（YJ-ZK2006）

摘要：为了减少人为干预农田灌溉系统，高效管理灌溉用水，我们可以使用一种基于实时输入数据的物联网农田智能灌溉系统，借助Android手机通过无线传感器网络对滴灌系统进行远程监控，用户可以通过感知田间环境温湿度值、土壤水分值和水箱水位，提高作物产量和品质。基于此，本文对大规模用水节点的灌溉物联网监控系统设计进行探究,具有重要意义。

关键词：用水节点；灌溉物联网；监控系统

引言：随着中国经济的快速发展，中国农业的发展也翻开了新的篇章。我们根据现代农业生产的实际需求，积极推进农业信息化业务的拓展，开展相关农产品的研发与设计。通过各种传感器、高清摄像头和其他设备自动采集数据，如采用小型气象站设备，可自动采集气温、湿度、风向、光强等数据；通过土壤传感器，可以获得土壤温度、湿度和溶解氧的关键信息；通过高清摄像头，可以实时查看作物生长情况；通过自动虫情灯，可以采集害虫的种类和数量信息。

一、通过短距离分布式组网技术采集数据节点

传统的灌溉方式主要是人工灌溉或水泵灌溉，这是对水资源的严重浪费，灌溉不均匀，对土地影响很大，容易造成土壤肥力损失，也可能造成土壤紧实，土地次生盐渍化。正是由于传统灌溉方法的弊端，当今农业灌溉中采用智能灌溉方法，实现精确、智能灌溉。为了实现智能灌溉，这些系统通过传感器监测土壤水分，指导工作人员科学灌溉或通过系统智能判断灌溉。在滴灌、渗灌和微喷灌节水的基础上，通过田间布置的探头测量土壤水分和养分状况，并将水肥信号通过传感器传输到计算机，然后通过编辑的程序对灌溉施肥技术系统进行智能化指导。田间灌溉智能控制系统将田间划分为多个种植区，土壤干旱信息通过分布在不同种植区域的水分传感器，以主干灌溉网络和分支灌溉的形式传输到控制中心。控制中心根据土壤蒸散模型、不同作物的日灌溉策略和不同生育期的灌溉策略，提供科学、准确、自动化的灌溉，实现按需灌溉和节水，这样可以节省资源并确保数据不会因低功耗而丢失。

由于农田面积巨大，无线通信通常用于灌溉控制，我们应借助采集的信息通过短距离分布式组网技术采集到数据节点，然后通过电信运营商产品（如2G和3G）通过GPRS传输到数据中心。这就需要提供田间节水灌溉实时监测服务、田间节水灌溉智能分析控制服务和田间节水灌溉管理服务。应用服务器处理业务逻辑是整个系统的核心，并发出控制指令，主要包括灌溉阀控制、自动反冲洗过滤器控制和精密灌溉控制。前端设备采集数据后，智能井灌控制器TJ710采用5G/4G/3G、NB物联网等网络将数据传输至集迅物联网智能灌溉云平台，同时可以接收后端发送的控制指令。计算机实时监控系统具有高清摄像头，支持图片采集、视频录制等功能，达到实时监控的目的；机械井分布点以GIS地图的形式显示。不同的图标颜色表示机械井的不同状态。点击机井图标，查看现场设备和机井的详细信息。同时还具备支持报警记录、历史视频和图片记录的云存储，以及监控数据的实时监控和分析。一旦监控数据达到最高阈值，即可生成一键报警，并对报警事件进行分类和分级。

二、设计一套物联网农业田间智能灌溉系统

根据田间种植布线难点和主要监测点，我们可以设计一套物联网农业田间智能灌溉系统，数据远程监控田间环境和作物生长环境，实现自动水分预报和智能灌溉决策。用户可以自定义灌溉方案和计划，通过一键进行手动/自动控制。在手动方式下,系统将按照方案比例进行灌溉。通过个人电脑的移动客户端系统,我们能够使用电脑的移动在任意地点远程管理灌区中的任何设施。我国是个传统农业国家,耕地近二十亿亩。NB物联网技术和传感器的融合,能够适应在巨大耕地和多变自然环境情况下发展农业无线组网技术的需要。它通过太阳能电池板直接供电,而没有通过外部供电,因此能够直接把农业信息发送至云端。[1]

比如说，农业生产物联网监控系统采用先进的传感技术，实现对作物整个生长周期的实时监控和自动控制，详细记录作物从播种到成熟的生产过程，为农产品质量安全追溯系统提供数据源。利用田间传感器采集农作物的农产品（如菜园等）数据，包括日照数，利用有线或无线网络将数据传输到农业大数据服务平台，同时根据不同的农作物，建立不同的作物生长模型，并通过模型分析，获得农业种植过程中的最佳生长环境，调整作物生长环境，预测作物上市日期。系统中的数据可以自动无线传输，数据可以同时上传到手机APP和国家水分监测系统。监测站可检测4层土壤水分和温度，管式自动监测土壤水分监测4层以上（可根据需要定制）土壤水分、土壤温度等因素，此外系统还可以满足土壤水分监测系统的数据和对接上传要求，还可以通过手机APP在线查看设备、监控数据以及功率和作物图像的情况。

三、借助控制层自动调节环境温度

农业生产物联网监控系统主要由视频环境监控、环境信息采集、作物生长模型、田间设备控制、智能灌溉等模块组成。农业生产计划管理子系统结合当地物候信息和作物生长机理，制定合理的农业生产计划，为具体的农业生产提供指导。农业生产计划管理子系统包括两个生产调度管理和作物管理功能模块，农业生产者通过生产调度管理模块编制作物生产调度计划，并可以通过农事管理模块，制定具体的农事活动，农业从业人员可以根据农业生产者制定相应的田间管理活动，此外，本模块还记录了实际的田间管理活动。该系统将以报表的形式对农业生产者制定的农业活动和农业实施者执行的操作进行比较分析，为农产品质量安全追溯系统提供数据来源。[2]

在科技几何多元化发展的时代,传统农作物依赖天气的日子终将变成过去,而农村发展也要智能,因此我们将及时引入农村的温室物联网与监测体系,以助力于农户进行智慧农业的进程。温度控制层是通过自动调整温度,以达到植株生长发育的最合理区域,为植株生长与发育创造良好环境条件的关键保证,目的是通过创造一个适用区域农田及设施种植环境环保监测和灌溉管理系统的小型化田间无线数据传输设备,以解决区域农田和设施种植环境参数的监测与远距离数据传输。同时通过收集田间土壤湿度传感器组的含水量数据,利用环境气象预报和计算机决策系统控制田间布设的灌溉电磁阀，可以保证土壤含水量满足作物生长需求。[3]并通过经验丰富的老一辈农业从业人员种植，编辑成灌溉专家决策数据库（计算机决策系统），根据不同作物，分别进行相对科学准确的灌溉，以满足作物的生长需求，实现农业生产自动化、智能化的目标。栽培环境监测与灌溉控制系统的田间无线传输装置主要包括：第一部分还包括传感器模块、数据采集A／D转换模块、无线驱动单片机、电磁阀和第一无线通信模块。传感器模块通过数据采集A／D转换模块将采集到的田间栽培环境信号传输给第一无线通信模块。第一无线通信模块的输出端通过无线驱动单片机控制电磁阀的开关。实现其无线通信。本发明根据不同作物的生长过程，分别进行相对科学、精确的灌溉，满足作物的生长需求，实现农业生产自动化、智能化的目标。

总结：智能灌溉可以有效解决传统灌溉中的水资源浪费问题，可以改善作物生长环境，减少植物病虫害的发生，从而使作物健康生长，促进产量和品质的提高，给农民带来更多的经济效益，也有利于农业的可持续发展。

参考文献：

[1]王志强,钮丹丹,王佳兴,高鑫,吴昊,夏倩,蒋永年,郭亚.大规模用水节点的灌溉物联网监控系统设计[J].排灌机械工程学报,2021,39(10):1062-1067.

[2]李嘉熙. 基于物联网的智能猪舍环境监测与调控系统研究[D].黑龙江八一农垦大学,2021.DOI:10.27122/d.cnki.ghlnu.2021.000273.

[3]陶兴. 基于物联网的干深-时域灌溉数据监控装置的应用研究[D].广州大学,2021.DOI:10.27040/d.cnki.ggzdu.2021.001195.