基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)應(yīng)用探究

劉嬌 羅凡 胡梅 張文

摘 要 智能節(jié)水灌溉設(shè)備依托于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，借助4G遠程無線通訊技術(shù)，可將作物土壤環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至客戶端，從而完成農(nóng)業(yè)灌溉的智能化、現(xiàn)代化，在提高生產(chǎn)效率的同時，減少人力資源浪費。當(dāng)前，智能農(nóng)業(yè)小型節(jié)水灌溉系統(tǒng)有廣闊的應(yīng)用空間，合乎我國農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展戰(zhàn)略。為了使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加便捷，可將節(jié)水灌溉系統(tǒng)小型化，以適應(yīng)家庭用戶使用，意圖使其服務(wù)大眾，讓外出的用戶不用擔(dān)心家中作物枯死。因此，設(shè)計了一款結(jié)合用戶終端的智能家用給水設(shè)備，對該設(shè)備的系統(tǒng)方案、系統(tǒng)軟件設(shè)計、系統(tǒng)硬件設(shè)計進行介紹，并進行了設(shè)備測試，以促進農(nóng)業(yè)信息化的普及。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng);4G;智能農(nóng)業(yè);節(jié)水灌溉

中圖分類號：F302.1 文獻標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.23.084

科學(xué)技術(shù)的不斷的發(fā)展與革新推動著農(nóng)業(yè)從傳統(tǒng)化向現(xiàn)代化發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)的概念于1999年提出，2005年，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，將之定義為將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。

農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)投入現(xiàn)實應(yīng)用的一個分支，受我國自古以來形成的農(nóng)業(yè)習(xí)慣以及文化水平的限制，智能節(jié)水灌溉發(fā)展較晚。隨著國家的逐漸重視以及相關(guān)政策的大力扶持，當(dāng)前智能節(jié)水灌溉得到快速發(fā)展[1]。

為了使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加的便捷化，可將節(jié)水灌溉系統(tǒng)小型化，以適宜家庭用戶使用。因此，設(shè)計了一款結(jié)合用戶終端的智能家用給水設(shè)備，對該設(shè)備的系統(tǒng)方案、系統(tǒng)軟件設(shè)計、系統(tǒng)硬件設(shè)計進行介紹，并進行了設(shè)備測試，以促進農(nóng)業(yè)信息化的普及。

1 系統(tǒng)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家用給水設(shè)備由數(shù)據(jù)采集處理部分、控制驅(qū)動部分、人機交互部分共3部分組成，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集處理部分

數(shù)據(jù)采集處理部分處于結(jié)構(gòu)框圖的下側(cè)，使用5V/12V、DC/AC作為工作電源，主要由STC89C51單片機及附屬模塊以及多種土壤環(huán)境傳感器構(gòu)成，由數(shù)據(jù)采集單元（各式傳感器）收集土壤環(huán)境指數(shù)并通過人機交互部分上傳至客戶端。

該部分主要用于采集并處理作物的土壤環(huán)境指標(biāo)，如pH值、濕度、溫度等。模塊自帶存儲芯片（核心處理器通過訪問芯片寄存器地址獲取相關(guān)工作參數(shù)），同時包含了多個驅(qū)動接口（用于后期擴展），模塊本身也支持低功耗及休眠模式（能耗低）。

1.2 控制驅(qū)動部分

控制驅(qū)動部分位于結(jié)構(gòu)框圖右上方，主要由繼電器及下屬的外部設(shè)備構(gòu)成，當(dāng)繼電器接收到特定驅(qū)動信號（高低電平）后，繼電器導(dǎo)通從而控制附屬的外部設(shè)備完成預(yù)定工作。

1.3 人機交互部分

人機交互部分負責(zé)與客戶端進行信息傳輸，打包所收集的數(shù)據(jù)，并以規(guī)定的格式匯聚成數(shù)據(jù)流（數(shù)據(jù)流下載鏈路與數(shù)據(jù)流上傳鏈路相同，僅數(shù)據(jù)流傳輸方向不同），數(shù)據(jù)流通過RS-485芯片抵達客戶端。客戶端可實時獲取數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點所監(jiān)測的土壤環(huán)境指數(shù)，同時為作物的合理種植提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐?？蛻舳艘部呻S時修改數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點的工作參數(shù)，使得用戶不在家中也不必擔(dān)心作物枯死。而至關(guān)重要的數(shù)據(jù)通信模塊采用當(dāng)前成熟的4G技術(shù)，并嵌入TCP/IP協(xié)議棧，保證通信節(jié)點可以穩(wěn)定高速運作。附屬的微型攝像頭可傳輸作物的影像，也可作為后續(xù)擴展的硬件基礎(chǔ);LED指示燈主要分為電源、工作、數(shù)據(jù)交換指示3類，起提示作用。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 流程圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖2所示。

2.2 監(jiān)測軟件設(shè)計

監(jiān)測軟件的功能框架如圖3所示。

軟件總體框架如圖4所示，可分為4個層次，即客戶端、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層以及數(shù)據(jù)層。

1）數(shù)據(jù)層：作物土壤環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及設(shè)備工作參數(shù)。

2）業(yè)務(wù)層：負責(zé)系統(tǒng)整體功能的實現(xiàn)，主要有農(nóng)作物土壤環(huán)境指數(shù)在線監(jiān)測和監(jiān)測終端參數(shù)修改功能。其中監(jiān)測功能主要包括監(jiān)測作物所接入傳感器對應(yīng)的數(shù)據(jù);監(jiān)測終端參數(shù)修改功能主要是通過客戶端界面操作向附屬設(shè)備發(fā)送指令從而實現(xiàn)參數(shù)修改的工作方案[2-3]。

3）服務(wù)層：向其他層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

4）客戶端：即手機應(yīng)用程序，面向用戶，體現(xiàn)了較好的人機交互性。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示。實際工作場景中，每個傳感器節(jié)點都可以獨立運作，以傳感器節(jié)點#1為例。電源模塊為各部分提供工作電源，其中處理模塊由STC89C51單片機和附屬模塊構(gòu)成，負責(zé)收集并處理土壤環(huán)境監(jiān)測傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)，而后數(shù)據(jù)經(jīng)過RS485傳輸至通信節(jié)點，最后通信節(jié)點以4G的方式將數(shù)據(jù)傳輸至客戶端。

4 設(shè)備測試

經(jīng)實際測試表明，該設(shè)備正常工作時，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測作物土壤環(huán)境指數(shù)，并精確進行給水，傳送較為清晰的影像。同時，經(jīng)各個部分處理后的數(shù)據(jù)流可以定時上傳到客戶端，為用戶的日常生活提供了便利。

5 結(jié)語

該設(shè)備能準(zhǔn)確獲取作物的當(dāng)前土壤環(huán)境指數(shù)，以當(dāng)前土壤環(huán)境指數(shù)為參照實現(xiàn)工作，也可按用戶預(yù)設(shè)的方案工作，準(zhǔn)確無誤地實現(xiàn)了作物土壤環(huán)境指數(shù)在線監(jiān)測以及監(jiān)測終端參數(shù)修改功能。同時，設(shè)備傳輸?shù)挠跋駭?shù)據(jù)，能在規(guī)定生存周期內(nèi)上傳至客戶端。該設(shè)備設(shè)計合理，操作簡便，符合預(yù)期設(shè)想。

參考文獻：

[1] 薛巖，張建鋒，李鵬宇，等.基于需水模型的精細灌溉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].計算機工程與設(shè)計，2014，35（9）：3332-3336.

[2] 鄔智俊，劉美華，胡鋼，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的泵站供水計量系統(tǒng)設(shè)計[J].江蘇水利，2018（9）：53-56，60.

[3] 劉嘉宇.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

（責(zé)任編輯：趙中正）

收稿日期：2019-07-13

基金項目：四川省2019大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助（S201910640007，X2019007）。

作者簡介：劉嬌（1997—），女，四川三臺人，本科在讀，研究方向為通信工程。E-mail： njsywlx@163.com。