智能远程农田灌溉系统的实现

智能远程农田灌溉系统的实现

杨立欣  张悦彤  宫塏峻  李童

山东协和学院 山东省济南市 250107

摘 要：在传统模式中，农业灌溉通常是人工灌溉，水资源利用率较低。为有效解决上述问题，提高农业用水利用率，实现传统农业向智能农业的转变。团队结合物联网技术，对传感器信息采集模块、终端控制模块等进行了研究，设计了基于物联网技术的智能远程农田灌溉系统。该系统在应用过程当中能够保持正常运行，基本满足不同类型环境的需求，适用于菜园、温室大棚等封闭的环境，有效降低了人力成本，满足了干旱地区的灌溉需要。

关键词：农田滴灌；远程控制；智能滴灌系统

近年来，由于气候变化和人类活动，干旱地区可用的地表水急剧减少，导致次生盐碱化土壤、河流流量减少和地下水位下降等问题。大量农田、森林和草场在不同程度上退化，严重限制了地区的经济发展和农业生产力。因此，为了有效提供水资源，应将重点放在农业用水上。另一方面，滴灌是节约灌溉用水最有效的方法之一，水资源的利用效率非常高，可以达到95%左右。目前，农田的滴灌已广泛应用于农业生产，实现了农田节水灌溉的有效性，但智能化较低，严重浪费了人力资源。基于此，研究团队将物联网技术与现代控制技术相结合，设计了一种智能远程农田灌溉系统，以解决干旱地区水资源稀少的问题，将农业用水资源利用率大大提高，以促进经济发展、推进农业现代化、提升农业生态服务能力和产业兴农、推动农民脱贫致富。

一、系统开关环境及影响因素的确定

1.1系统开关环境

基于物联网技术进行农田滴灌系统服务器端设计，主要利用Friendly ARM H43作为系统平台，实现 Web服务和智能灌溉网关的设计。Friendly ARM作为一体化平台，具备低功耗、高性能等优点，可以利用虚拟技术将嵌入式操作系统移植到平台当中，形成用户界面。同时，服务器端系统的环境设计主要完成了Linux内核与UBOOT的变异，并将内核烧写到开发平台上。数据采集端设计利用 ZigBee 技术，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。其实现了无线传感器的网络通信服务，并进一步满足了ZigBee 网络协议以及IEEE 802.0.4技术标准等方面的需求。

1.2影响因素的确定

滴灌带水流。滴灌带水流大小检测主要用于对滴灌带堵塞情况的控制。温度和湿度。土壤的温度和湿度是影响农作物生长和灌溉的最重要的因素，确定为系统检测因素。灌溉水压。受到泵站供水、地形起伏和局部水头损失等因素的影响，灌溉水压会发生一定变化。而水压又会对滴灌带寿命、滴灌稳定性和自动施肥器工作造成影响， 因此将水压作为系统灌溉过程中的一个重要控制因素。光照强度。光照对作物的蒸腾效应有特定的影响。如果夏季光线很强，灌溉会导致农作物“生理干旱”，并对农作物的生长产生重大影响。 因此，光照强度用作重要的测试因素。

二、农田滴灌远程控制系统的总体设计

2.1系统结构设计

农田滴灌远程控制系统运行时将受到通信能力不可控、芯片处理能力受限、环境变化干扰等因素的影响。因此，在设计时需要充分考虑系统的功能、处理能力、通信能力、数据完整性以及供电能力等方面的可靠性，以便增强系统的容错能力，保证系统能长期稳定运行。控制界面的设计应简洁方便、操作简单，方便用户使用。系统研究时，主要解决以下问题：运用传感器模块对农田数据的采集、无线模块的运用、触摸屏界面与手机App客户端的开发等。

2.2 功能模块设计

2.2.1 监控模块设计

系统监控模块设计，主要通过上位机软件与云服务器系统两者进行连接，从而将现场数据一起同步到云服务器当中。可以利用微软系统和安卓系统将对应的监控软件安装到PC 和手机上，用户只需要在设备上登录到云服务器当中，能够通过监控软件对现场的数据进行实时监控，如土壤湿度、温度、光照强度以及滴灌时间和电磁阀状态。

2.2.2 传感器选择

基于物联网技术的农田滴灌远程控制系统的传感器设计，主要分为光照、温湿度以及水流量等传感器和压力变送器等方面。首先，光照传感器的设计选择MAX4409型号环境光传感器为主[3]。其次，温湿度传感器的设计主要选择瑞士生产的SHT20型号数字式传感器，此传感器具备I2C总线接口、低功耗等优点，能够将系统监测的结果直接转换成串行数字信号输出。再次，压力变送器的设计以通用型压力变送器为主，它不仅能够满足RTU协议的标准，还能够实现0~0.6 MPa范围测试。最后，水流量传感器的设计，以YF-S201型号的流量传感器为主以实现农田水流量传感器的设计，同时此传感器具备耐水压能力。电磁阀的选择以DC12V4分常电磁阀为主， 实现了对农田滴灌系统的灌溉的启停控制。

2.2.3 无线数据传输模块设计

针对无线数据传输模块的设计，选择利用具有超低功耗和透传能力的跨阵M4物联网模块所装配的WiFi模块， 为物联网应用和手机App应用提供基础依据。该模块通过互联网实现了联网通信，当模块向软件发送相关数据时，只需要利用TCP连接就能够进行数据传输，并对物联网农田滴灌系统进行远程控制操作[4]。

2.3 手机App设计

针对手机远程控制App设计，主要通过安装平台利用 Java 语言开发而成，并利用无线透传方式实现农田间的设备与用户手中的远程控制App之间的数据通信。当App 接收到关于农田的数据后，可以通过对设备定时的方式下达相应的任务，这样一来就能够在固定的时间实现对农田灌溉的工作。而物联网技术的应用，在为App 提供良好的体验时，还能够让用户随时随地通过App 进入云端平台查看与分析农田智能设备的数据，并将土壤湿度数据和水位情况实时上传到上位机显示界面上[5] 。而App的设计为用户提供了远程控制农田中电磁阀的启停的功能，实现了农田的排水与灌溉。

参考文献：

[1]付少华，兰壬庚，李伟，等.智慧农业灌溉系统的设计与实现[J].节水灌溉，2022(2)：71-74.

[2]钱晓艳，迟明路，程存欣，等.基于物联网的移动电话APP 远 程监控植物灌溉系统设计[J].机电工程技术，2021，50(3)：149-152.

[3]李艳，徐运武. 一种基于LoRaWAN的高扩频因子信道规划在智能灌溉系统中应用[J].物联网技术，2022，12(6)：129-131.

[4]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：广州大学，2021.

[5]胡伟.基于物联网的农田远程监控系统的软硬件协同设计[J]. 黄山学院学报，2021，23(3)：26-30.