崔天時(shí)，孫建偉，呂信超，鄭　鐵，孟祥遠(yuǎn)，李昕洋，林　珊

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，哈爾濱　150030；2.黑龍江省電力有限公司建設(shè)部，哈爾濱　150090)

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基于GPRS的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)

崔天時(shí)1，孫建偉1，呂信超1，鄭鐵1，孟祥遠(yuǎn)1，李昕洋1，林珊2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，哈爾濱150030；2.黑龍江省電力有限公司建設(shè)部，哈爾濱150090)

摘要：農(nóng)業(yè)灌溉用水所占比例較高，且浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。本系統(tǒng)為基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?、?yīng)用于田間數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)南到y(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)感知、監(jiān)測農(nóng)作物、土壤及氣象等信息。系統(tǒng)的下位機(jī)應(yīng)用控制器自身A/D轉(zhuǎn)換器采集農(nóng)田土壤濕度的數(shù)據(jù)信息，利用基于TCP/IP協(xié)議的GPRS通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，將各節(jié)點(diǎn)的土壤信息傳遞給上位機(jī)，用戶可通過上位機(jī)觀測到農(nóng)作物的信息，并控制其出水電磁閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物灌溉適時(shí)、適量的控制，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。

關(guān)鍵詞：灌溉系統(tǒng)；農(nóng)田；TCP/IP；GPRS通信

0引言

水是生命之源，而淡水資源更是人類生活不可或缺的重要資源。我國是13個(gè)淡水資源比較貧乏的國家之一，水資源嚴(yán)重短缺，淡水資源的人均占有量僅是世界人均占有量的1/4[1]，大部分水資源用于了農(nóng)業(yè)灌溉，而水的利用率很卻很低。就全國范圍而言，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家己達(dá)70%～80%[2]。因而，對于我國而言，在農(nóng)業(yè)上合理利用水資源、提高水資源的利用率尤為重要。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，國外以色列、日本、美國等在節(jié)水灌溉方面已經(jīng)取得了很大的成績。特別是以色列這個(gè)干旱國家，目前全國農(nóng)業(yè)土地基本上實(shí)現(xiàn)了灌溉管理自動(dòng)化，并且普遍推行自動(dòng)控制系統(tǒng)，按時(shí)、按量將水、肥直接送入農(nóng)作物根部，水資源利用率和單方水的糧食產(chǎn)量都達(dá)到了較高水平[3]。

國內(nèi)的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)與國外的系統(tǒng)相比還有相當(dāng)大的差距，在傳感器精度低、遠(yuǎn)程控制性能差等條件的影響下，需要一套完整的節(jié)水灌溉系統(tǒng)對農(nóng)田進(jìn)行灌溉。本系統(tǒng)就是針對農(nóng)業(yè)用水方面的浪費(fèi)問題而研發(fā)的一種基于GPRS的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于GPRS的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)分為下位機(jī)和上位機(jī)兩個(gè)部分，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

下位機(jī)由控制器、傳感器及GPRS模塊等部分組成，通過多種傳感器采集農(nóng)田的氣象信息及土壤信息，可通過GPRS模塊連接至服務(wù)器，將采集到的數(shù)據(jù)信息通過GPRS無線通信方式遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器終端。下位機(jī)利用太陽能電池維持所需電量，白天將太陽能轉(zhuǎn)化成電能存儲(chǔ)在蓄電池中，以供夜晚或陰雨天氣維持工作。

上位機(jī)由服務(wù)器和客戶端所構(gòu)成，服務(wù)器可識(shí)別不同下位機(jī)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類、存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫中。一旦客戶端成功連入服務(wù)器后，就可以接收到服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。用戶可在任意地點(diǎn)和任意時(shí)間內(nèi)登錄客戶端，即可觀測到農(nóng)田內(nèi)的農(nóng)作物信息，并根據(jù)農(nóng)作物的生長情況進(jìn)行分析和判斷，決定是否需要為農(nóng)田進(jìn)行灌溉。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　下位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的下位機(jī)由控制器、傳感器、電磁閥、GPRS模塊和電源模塊5部分組成。

2.1.1控制器

下位機(jī)的主控制器為STM32單片機(jī)，它是ST公司生產(chǎn)的一款低成本、低功耗、高性能的32位單片機(jī)，擁有2個(gè)12位的16個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換器、8個(gè)定時(shí)器、多個(gè)I/O端口及13個(gè)通信接口。其具有豐富的外設(shè)，快速的中斷處理能力，對于實(shí)時(shí)控制具有極大的優(yōu)勢；配合ST公司發(fā)布的庫文件，可以大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本[4]。

2.1.2傳感器

下位機(jī)上連接了1個(gè)風(fēng)速傳感器、1個(gè)風(fēng)向傳感器、1個(gè)大氣溫濕度傳感器和1個(gè)土壤水分溫度傳感器。土壤水分溫度傳感器SMS-50功耗低、響應(yīng)速度快、測量精度高，水分誤差測量精度為±3%，溫度測量誤差精度為±0.4℃，輸出電壓為0～2V。傳感器均輸出模擬信號(hào)，控制器通過自身所帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.1.3電磁閥

系統(tǒng)的電磁閥采用了常閉型直動(dòng)式電磁閥，可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)電磁閥孔徑大小。利用單片機(jī)的I/O口來控制電磁閥的開關(guān)，其中應(yīng)用了光耦TLP521，可以使信號(hào)單向傳輸、輸入與輸出完全實(shí)現(xiàn)電氣隔離，并對電路進(jìn)行隔離保護(hù)。應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2　電磁閥工作電路

2.1.4GPRS模塊

GPRS通信技術(shù)是一項(xiàng)基于TCP/IP協(xié)議的無線通信傳輸技術(shù)，系統(tǒng)采用的GPRS模塊的型號(hào)為SIM900A。GSM的訪問速度為9.6kb/s，而GPRS則達(dá)到171.2kb/s的訪問速度； GSM連接網(wǎng)絡(luò)需要10 ~ 30s，而GPRS只需要很短的時(shí)間就能夠接入網(wǎng)絡(luò)；對于費(fèi)用而言，GSM是按連接時(shí)間計(jì)費(fèi)的，而GPRS只需要按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)[5]。由于系統(tǒng)的檢測可以間斷進(jìn)行，使用字符串進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因而使用GPRS模塊成本更低。

相對于固定IP的網(wǎng)絡(luò)連接方式，本系統(tǒng)采用域名連接的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。固定的公網(wǎng)IP地址需要花費(fèi)很高的金額，通過域名連接的方式可以避免使用固定的IP地址，系統(tǒng)中采用花生殼將本地IP與域名綁定在一起進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。

GPRS模塊與控制器之間采用了串口通信的方式進(jìn)行連接?？刂破魍ㄟ^發(fā)送AT指令與GPRS模塊進(jìn)行通信[6]。串口通信方式簡便，傳輸速度快，準(zhǔn)確性高，經(jīng)常被應(yīng)用于控制領(lǐng)域。串口通信的電路如圖3所示。

圖3　串口通信電路

2.1.5電源模塊

系統(tǒng)的電源模塊包括太陽能電池板、太陽能控制器和蓄電池3個(gè)部分。太陽能電池板的主要材料為硅，可以將接收到的太陽光通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能；太陽能控制器則是電源部分的中心環(huán)節(jié)，可以將太陽能電池板產(chǎn)生的電能供應(yīng)給蓄電池儲(chǔ)能，并為外部用電器供電。太陽能控制器采用了串聯(lián)式PWM充電電路，具有高效的充電效率和長時(shí)間的使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，可以起到過充、過放、電子短路、過載保護(hù)等自動(dòng)控制。蓄電池的放電標(biāo)準(zhǔn)為12V 7.2AH/20HR，可為系統(tǒng)提供12V的電源電壓，同時(shí)保證系統(tǒng)可以在夜間或陰雨天氣維持正常的工作狀態(tài)。太陽能控制器電路如圖4所示。

圖4　太陽能控制器電路

2.2　上位機(jī)設(shè)計(jì)

2.2.1服務(wù)器設(shè)計(jì)

服務(wù)器使用Visual Basic語言進(jìn)行開發(fā)，它是由Microsoft公司開發(fā)的一種面向?qū)ο蟮目梢暬?、結(jié)構(gòu)化、模塊化的程序設(shè)計(jì)語言。Visual Basic語言語法簡單，功能強(qiáng)大，擁有大量的第三方控件。

服務(wù)器中應(yīng)用了Winsock控件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，Winsock的作用在于為兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)建立鏈接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Winsock支持兩種通信協(xié)議：數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議(UDP)。TCP協(xié)議只需連接兩臺(tái)計(jì)算機(jī)就可相互進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；而UDP方式不需要雙方建立連接，一方就可直接向另一方發(fā)送數(shù)據(jù)，但是不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｒ虼?，本設(shè)計(jì)中選用TCP協(xié)議。在TCP協(xié)議中，建立連接的雙方中，一方稱為服務(wù)器，而另一方稱為客戶端。通信雙方在連接時(shí)，必須使用同一個(gè)端口號(hào)[7]。

服務(wù)器中連接了Microsoft Access數(shù)據(jù)庫。下位機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為22位，服務(wù)器通過下位機(jī)的前3位來區(qū)分不同的下位機(jī)，并將下位機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。服務(wù)器的工作流程如圖5所示。

圖5　服務(wù)器工作流程圖

2.2.2客戶端設(shè)計(jì)

客戶端應(yīng)用Java語言進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，它是一種可以撰寫跨平臺(tái)應(yīng)用軟件的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言。Java語言具有卓越的通用性、高效性、平臺(tái)移植性和安全性。隨著我國Internet網(wǎng)絡(luò)的迅速普及，網(wǎng)絡(luò)編程領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，編程人員也在不斷增加，越來越多的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)者選用Java語言。同時(shí)，一些C和C++程序員也轉(zhuǎn)向了Java語言領(lǐng)域[8]。

客戶端上應(yīng)用了MySQL數(shù)據(jù)庫，它是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，體積小，速度快，成本低。因?yàn)樗_放源代碼，所以得到了廣泛的使用。用戶可在任意的時(shí)間、地點(diǎn)進(jìn)入域名為www.neauirrigationsystem.com的網(wǎng)站，用戶需要在登錄界面輸入用戶名和密碼進(jìn)入主界面，主界面上顯示著需要澆灌的農(nóng)田，用戶將光標(biāo)移動(dòng)到農(nóng)田上即可顯示出當(dāng)前農(nóng)田的種植信息，包括農(nóng)作物的種植面積及生長適宜濕度等。

用戶也可從主界面中看到實(shí)時(shí)顯示的農(nóng)田的風(fēng)向、風(fēng)速、光照強(qiáng)度、空氣溫濕度和土壤溫濕度等信息。用戶可根據(jù)植物生長所需要的濕度對農(nóng)作物實(shí)行灌溉操作，遠(yuǎn)程控制農(nóng)田里的水閥進(jìn)行灌溉。這極大地方便了用戶，使用戶可以不用去農(nóng)田便可對農(nóng)作物進(jìn)行適時(shí)適量的灌溉，節(jié)約了水資源，提高了灌溉效率?？蛻舳说墓ぷ髁鞒倘鐖D6所示。

圖6　客戶端工作流程圖

3系統(tǒng)調(diào)試

3.1　試驗(yàn)結(jié)果與分析

選取不同時(shí)間段用下位機(jī)對農(nóng)田氣象信息和土壤信息采集進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，取大氣溫濕度、土壤溫濕度及風(fēng)速風(fēng)向這6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測試。大氣溫濕度的數(shù)據(jù)對照表如表1所示，土壤溫濕度的數(shù)據(jù)對照表如表2所示，風(fēng)速風(fēng)向的數(shù)據(jù)對照表如表3所示。

表1　大氣溫濕度數(shù)據(jù)對照表

表2　土壤溫濕度數(shù)據(jù)對照表

續(xù)表2

表3　風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)對照表

由表1～表3可以看出：本系統(tǒng)的大氣溫濕度、土壤溫濕度和風(fēng)速風(fēng)向的測量誤差精度均在3%的范圍內(nèi)，能夠滿足對農(nóng)田灌溉的需求。經(jīng)過反復(fù)的實(shí)地試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，能夠滿足對農(nóng)田遠(yuǎn)程灌溉的要求，可以保證全天候的工作環(huán)境，對于節(jié)水灌溉的應(yīng)用與推廣具有很大的意義。

3.2　實(shí)物圖

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示。

1.風(fēng)向傳感器　2.風(fēng)速傳感器　3.太陽能電池板

4結(jié)論

本系統(tǒng)利用GPRS無線通信技術(shù)，采用下位機(jī)、服務(wù)器、客戶端三者結(jié)合的方式，完成了一個(gè)系統(tǒng)的、高效的、低成本、操作簡便、便于推廣的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)。

下位機(jī)采用STM32單片機(jī)進(jìn)行農(nóng)作物數(shù)據(jù)信息采集，服務(wù)器接收下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息并將其存入數(shù)據(jù)庫?？蛻舳瞬捎猛ㄓ镁W(wǎng)頁的形式，以一種友好的人機(jī)交互界面為用戶提供了遠(yuǎn)程監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境信息、控制農(nóng)作物灌溉需求的好途徑。

試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)可以很好地完成對農(nóng)作物生長環(huán)境的信息采集與傳輸任務(wù)，精度高、傳輸速度快、工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本、人機(jī)界面友好及節(jié)約用水等目標(biāo)；解決了傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)成本高、安裝過程復(fù)雜、維護(hù)困難等問題，使人們可以在隨時(shí)隨地獲取農(nóng)作物的信息，適時(shí)適量地對其進(jìn)行灌溉。系統(tǒng)對于農(nóng)業(yè)水資源的合理利用和節(jié)水灌溉控制技術(shù)的使用和推廣具有重要意義。

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The Irrigation System Based on GPRS

Cui Tianshi1, Sun Jianwei1, Lv Xinchao1, Zheng Tie1, Meng Xiangyuan1, Li Xinyang1, Lin Shan2

(1.College of Eectricity and Information, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2.Ministry of Construction, Electric Power Company of Heilongjiang Province, Harbin 150090, China)

Abstract：Proportion of agricultural irrigation water is higher, but very serious waste phenomenon. This system based on wireless data transmission is applied in the field of data acquisition and transmission system, real time perception, monitoring of crop, soil and meteorological information, etc. System of the application of the controller itself A/D converter of farmland soil moisture data information, the use of GPRS communication technology based on TCP/IP protocol implementation multi-node data communication, each node of the soil information is passed to the PC, the user can be observed through the upper machine crop information, and control the water solenoid valve switch, the control system for the crop irrigation timely, right amount, achieve the goal of water-saving irrigation.

Key words：irrigation systen; farmland; TCP/IP; GPRS communication

中圖分類號(hào)：S274.2；S126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0193-05

作者簡介：崔天時(shí)(1967-)，男，哈爾濱人，副教授，博士，(E-mail)tscui@neau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B04-2-9)

收稿日期：2015-10-13