何蔓蔓 馬龍華 馬占東

摘要 節(jié)水滴灌是新疆農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的標志性成果，全疆微灌面積位居全國第1，發(fā)展滴灌自動化迫在眉睫。但是，現(xiàn)有滴灌自動化產(chǎn)品存在成本高、野外供電困難、信號傳輸困難、農(nóng)藝專家知識無法沉淀和優(yōu)化等問題。為此，設(shè)計出一套適用于新疆大田的智慧節(jié)水滴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3部分組成：一是適用于新疆大田環(huán)境的滴灌控制器;二是適用于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)交換的通信協(xié)議和硬件實現(xiàn);三是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺。滴灌控制器整合供電、通信和控制模塊，降低了成本，增強了魯棒性?；贚oRa的通信協(xié)議降低了功耗，增強了在高桿植物環(huán)境下的抗干擾性。大數(shù)據(jù)云平臺可實現(xiàn)對環(huán)境的自動感知，對滴灌系統(tǒng)的智能控制，對專家滴灌方案的保持和持續(xù)進化。三者結(jié)合，可以從整體上提高滴灌系統(tǒng)的自動化、信息化和智能化程度。

關(guān)鍵詞 微灌;自動化;信息化;智能化

中圖分類號 S274.2文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）15-0229-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.15.063

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Abstract Drip irrigation is a milestone in the modernization of agriculture in Xinjiang. Xinjiang microirrigation area ranked first in the country. However， the existing drip automation products have several problems： the cost is high， onsite power supply is difficult， signal transmission is difficult， expert knowledge can not precipitate and optimize. This paper presents a novel system for smart drip irrigation system to solve the above problems. The system consists of three parts： the drip irrigation controller， the data communication protocol and hardware implementation， the agricultural data cloud platform. The drip controller integrates power， communication and control modules， reducing costs and enhancing robustness. The LoRabased communication protocols reduce power consumption and enhance the antijamming capability. The cloud platform achieves the intellectual decision base on the perception of environment. Combined with the three， the system improves the drip irrigation system as a whole in the aspect of automation， information and intelligent.

Key words Microirrigation;Automation;Information;Intelligence

作者簡介 何蔓蔓（1989—），女，河南商丘人，助理工程師，碩士，從事智能控制技術(shù)及應(yīng)用研究。

收稿日期 2018-10-16

新疆是典型的干旱綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，建設(shè)節(jié)水型農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[1-3]。當前，全疆農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉面積已達162.67萬hm2，幾乎在所有作物上都實施了高效節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣和普及，微灌作物種類、微灌形式、微灌面積均處于全國領(lǐng)先地位，但也存在3個方面的不足[4-6]：一是自動化程度不高，即現(xiàn)有滴灌產(chǎn)品以滴灌管、滴灌帶、砂石過濾器等為主，灌溉自動化產(chǎn)品雖有但不多，且存在成本高、野外供電困難等問題;二是信號傳輸困難，即大田區(qū)域手機信號覆蓋不全，高稈作物干擾信號傳輸;三是智能化程度不足，即當前的節(jié)水滴灌作業(yè)仍然依靠專家經(jīng)驗，缺少對環(huán)境的自動感知和對滴灌系統(tǒng)的智能控制。以上問題制約了新疆未來節(jié)水高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展。為此，筆者研制出一套適用于新疆大田的智慧節(jié)水滴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3部分組成：一是適用于新疆大田環(huán)境的滴灌控制器;二是適用于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)交換的通信協(xié)議和硬件實現(xiàn);三是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺。該系統(tǒng)能實現(xiàn)新疆大田滴灌的環(huán)境感知、數(shù)據(jù)傳輸、決策分析、智能控制等功能，可為農(nóng)業(yè)滴灌調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)，達到節(jié)約化、自動化、智能化的滴灌目標。

1 系統(tǒng)組成

智慧滴灌系統(tǒng)由3部分組成：滴灌控制器、信號傳輸協(xié)議、大數(shù)據(jù)云平臺。其中，滴灌控制器[7-8]針對現(xiàn)有控制器成本高和大田環(huán)境下供電困難的問題，將過去各自獨立的供電模型、通信模型和控制模塊整合到一個滴灌控制器中，不僅降低了成本，而且魯棒性更強;通信協(xié)議針對433兆低頻窄帶組網(wǎng)技術(shù)易受高稈農(nóng)作物抗干擾的問題，提出使用基于LoRa技術(shù)[9]的具有適用于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的抗干擾強、速率低、功耗低特點的線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術(shù);農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)云平臺依賴以上通信協(xié)議獲取氣候、作物和土壤墑情等數(shù)據(jù)，再結(jié)合農(nóng)資數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析，作出優(yōu)化決策，遠程控制滴灌控制器完成滴灌作業(yè)。

1.1 滴灌控制器

已實現(xiàn)的滴灌控制器主要由兩部分組成：一是供電系統(tǒng);二是控制系統(tǒng)。在設(shè)計供電系統(tǒng)時，考慮到新疆地區(qū)晴熱少雨的氣候環(huán)境，利用太陽能作為電能來源，利用長壽命電池儲存電能。太陽能電池系統(tǒng)由太陽能板、電壓轉(zhuǎn)換芯片、超級電容、長壽命電池和開關(guān)電路組成?？刂撇糠钟蒐oRa協(xié)議控制芯片、AD轉(zhuǎn)換芯片、觸動開關(guān)控制芯片、看門狗芯片組成?？傮w設(shè)計如圖1所示。

供電部分采用太陽能為電能來源，通過電源管理芯片為4組2.7 V超級電容供電，并為3.0 V鋰電池充電。超級電容可反復(fù)充電無上限。電源管理芯片選用德州儀器的SM72441，內(nèi)部集成8通道、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可自動充電，也可PWM編程控制充電。鋰電池的充放電也由此芯片控制，直至充滿后斷電。在白天光照條件良好的情況下，由超級電容放電供電，傍晚無光照時，由鋰電池供電。為防止鋰電池和電容的互相充電損耗，在硬件電路設(shè)計時將2種充電模式進行電氣隔離。供電系統(tǒng)通過DC-DC電壓轉(zhuǎn)換芯片，為控制器提供所需電壓。

控制部分由4個子系統(tǒng)組成，即核心芯片及外圍系統(tǒng)、數(shù)模轉(zhuǎn)換和傳感器系統(tǒng)、看門狗系統(tǒng)、電磁閥控制系統(tǒng)。核心芯片完成充放電管理、電壓管理芯片、電壓轉(zhuǎn)換芯片和功耗管理。數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過低功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器向核心芯片傳遞傳感器數(shù)據(jù)?？撮T狗系統(tǒng)防止電路死機。電磁閥控制系統(tǒng)通過對閥門電機的正反向通電，控制閥門通斷狀態(tài)。

1.2 信號傳輸

灌溉控制器與首部控制器之間采用自定義的LoRa協(xié)議[10]，首部控制器與大數(shù)據(jù)云平臺之間采用成熟的手機4G網(wǎng)絡(luò)。

LoRa全稱為“Long Range”，是一種低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要的技術(shù)特性為低功耗、低成本和覆蓋面廣。LoRa技術(shù)基于線性Chirp擴頻調(diào)制，延續(xù)了頻鍵控調(diào)制的低功耗性能，并因Chirp調(diào)制而具有長距離傳輸性能和較好的抗干擾性能。LoRa是物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）時代物物相連的重要載體，其信號穿透能力強于Zigbee，傳輸距離優(yōu)于Wi-Fi通訊，適用于大田農(nóng)業(yè)中通訊距離遠、作物造成屏障的特殊環(huán)境。

筆者設(shè)計的LoRa方案基于433MHz免費頻段，星型組網(wǎng)，并制定了一套適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，確保指令的上傳下達。采用獨立的控制模塊負責收集、整合與之相連的傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送至主控器。通信控制模塊圍繞數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分析處理單元進行，完成數(shù)據(jù)包的傳輸，負責對來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)包拆包分解通過LoRa協(xié)議發(fā)送給終端控制器，或?qū)碜詡鞲衅鞯臄?shù)據(jù)組包后通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送給服務(wù)器。通過異構(gòu)通信協(xié)議融合算法實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)包的統(tǒng)一資源管理，并根據(jù)約定規(guī)則重組或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。在通信出現(xiàn)異常時，具有異常處理功能，可重傳或丟棄錯誤包，保障傳輸協(xié)議的魯棒性。終端節(jié)點在無上下行鏈路請求的情況下，會進入長期休眠狀態(tài)，以節(jié)省能耗，當有下行數(shù)據(jù)請求時，網(wǎng)關(guān)會向該節(jié)點發(fā)送激活代碼，隨后終端節(jié)點會進入激活狀態(tài)，進行下行數(shù)據(jù)的接收。對于不需要頻繁通信、延遲要求不高、數(shù)據(jù)量不大的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用場景來講，LoRa協(xié)議顯然具有較大優(yōu)勢。

1.3 大數(shù)據(jù)云平臺

大數(shù)據(jù)云平臺[11-13]依托堅實的控制器和信號傳輸技術(shù)，將環(huán)境（光照、溫度、濕度）、土壤（鹽堿度、濕度、溫度）、管道（PE/EC、流量、壓力）、農(nóng)資等全方位的數(shù)據(jù)匯總至平臺，實現(xiàn)手機端的田間控制和平臺端的集中控制，具體控制方式如圖2所示。

田間控制使用手機接入云平臺進行，可根據(jù)傳感器的反饋，實現(xiàn)水泵等執(zhí)行機構(gòu)的手動或自動控制，例如：定時定量的自動滴灌水/肥/藥、定比例的自動滴灌肥藥、由光照量或濕度觸發(fā)的自動滴灌水、低溫自動管道保護、壓差觸發(fā)的自動反沖洗、壓差或流量觸發(fā)的堵塞或破管自動報警和關(guān)閥、恒壓滴灌等。使用手機進行遠程田間控制不僅方便，還可降低控制器的觸摸屏成本。

集中控制使用計算機在大數(shù)據(jù)云平臺上進行，具體如圖3、4所示。集中控制有五大類功能：一是田間滴灌控制器的遠程控制，支持控制器的遠程、滴灌計量、更新控制器程序等，可實現(xiàn)田間控制的所有功能，例如定時定量定點灌溉、條件觸發(fā)灌溉等;二是可視化，包括基于地理信息系統(tǒng)的管網(wǎng)及設(shè)備可視化，傳感器狀態(tài)異常可視化，管網(wǎng)流量、壓力、環(huán)境、土壤等異?？梢暬?，基于手機定位的田間作業(yè)人員實時跟蹤，傳感器歷史狀態(tài)、作業(yè)人員實時軌跡追蹤;三是滴灌方案制定，包括基于作物種類/環(huán)境/土壤等變量手工制定滴灌方案，歷史方案保存與查詢，基于歷史方案的最優(yōu)方案學(xué)習(xí)，對不同農(nóng)作物滴灌方案的設(shè)定與進化等;四是田塊管理，包括作物種類登記、土壤類型登記、收成登記、歷史信息查詢等;五是人員管理，包括作業(yè)人員賬號管理、作業(yè)人員田塊權(quán)限管理、操作歷史記錄與查詢等。

大數(shù)據(jù)云平臺是云計算、物聯(lián)網(wǎng)、“3S”技術(shù)（遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)的統(tǒng)稱）等多種信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中綜合、全面的應(yīng)用，與現(xiàn)代生物技術(shù)、種植技術(shù)等高新技術(shù)融為一體，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準化種植、可視化管理、智能化決策，實現(xiàn)更精準的農(nóng)業(yè)信息感知、更集中的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源的互聯(lián)互通、更深入的智能控制，促進發(fā)展資源節(jié)約型、環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)資源由高強度利用向節(jié)約高效利用的轉(zhuǎn)變。

2 系統(tǒng)中的科學(xué)問題

2.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的云端控制問題

在傳統(tǒng)自動化控制中，被控對象的數(shù)學(xué)模型是控制和測量的前提，但在引入大數(shù)據(jù)云計算后，系統(tǒng)建模過程中不可避免地引入建模誤差，對應(yīng)這種復(fù)雜系統(tǒng)，由于變量眾多，無法建立精確的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制應(yīng)運而生。

然而在這一新領(lǐng)域還存在很多問題，例如在數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制方法下，如何根據(jù)已接收到的數(shù)據(jù)來區(qū)分線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng);如何分析基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性;如果有數(shù)據(jù)丟失或時間延遲發(fā)生，如何計算間歇性觀測的子空間等。這些都有待進一步探索。

2.2 云端平臺的安全性

云控制系統(tǒng)的安全問題是最重要的問題[11]。針對云控制系統(tǒng)的攻擊形式多種多樣，除了針對傳輸網(wǎng)絡(luò)的 DDOS攻擊，還有攻擊控制信號和傳感信號本身的欺騙式攻擊和重放攻擊等。對于云控制系統(tǒng)而言，設(shè)計的目標不僅僅要抵御物理層的隨機干擾和不確定性，更要抵御網(wǎng)絡(luò)層有策略、有目的的攻擊。因此，云控制系統(tǒng)的安全性對現(xiàn)有控制安全技術(shù)提出了更高的要求。

3 結(jié)語

設(shè)計出一套適用于新疆大田環(huán)境的智慧化農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)覆蓋控制器、無線傳輸協(xié)議和云平臺3個方面，可實現(xiàn)滴灌作業(yè)下的環(huán)境感知、數(shù)據(jù)傳輸、智能控制、遠程服務(wù)、決策分析等功能，為滴灌調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)，達到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提升滴灌管理效能、提高農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟效益的目的。

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