裴天鵬　王欣　田航　譚詠麟　王佩芳　周欣欣

摘? ?要：為培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，促進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提升，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以單片機(jī)作為控制器，通過分析傳感器采集溫度濕度及光照度等環(huán)境數(shù)據(jù)，制定最優(yōu)的灌溉方案，實(shí)現(xiàn)智能灌溉，更好地節(jié)省水利資源，便捷灌溉操作。通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)，能夠培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，提高學(xué)生的科研思維及創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);農(nóng)業(yè);單片機(jī);創(chuàng)新

近年來，我國普通高校畢業(yè)生數(shù)量逐年大幅度的增長，就業(yè)形勢嚴(yán)峻。在《中國制造2025》綱要的要求下，普通高等院校開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)于開發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，促使大學(xué)生參與社會(huì)競爭，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著我國水資源貧乏情況日益嚴(yán)峻，中國政府相繼發(fā)布了多個(gè)節(jié)水灌溉規(guī)劃。其中，2015年5月農(nóng)業(yè)部印發(fā)的《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015—2030）》中要求“到2020年和2030年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)分別達(dá)到0.55和0.60以上”。但我國仍有1/2左右的耕地面積仍采用原始的利用水渠的方式進(jìn)行灌溉。據(jù)相關(guān)部門調(diào)查顯示，我國灌溉水有效利用系數(shù)基本在0.30，灌溉過程中滲漏和蒸發(fā)程度較高，水資源浪費(fèi)情況嚴(yán)重[1-2]。

根據(jù)我國灌溉現(xiàn)狀以及上述政策要求，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，不僅能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有灌溉系統(tǒng)的不足，還能夠?qū)崿F(xiàn)全面建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的目的，有利于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的建設(shè)。

1? ? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由多種環(huán)境傳感器、控制器、電磁閥以及窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）結(jié)點(diǎn)組成。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)主要是基于NB-IoT通信技術(shù)[3-4]，利用終端節(jié)點(diǎn)將現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)通過NB-IoT通信上傳到服務(wù)器上，服務(wù)器對(duì)其接收的數(shù)據(jù)執(zhí)行計(jì)算、存儲(chǔ)和其他處理，然后將處理結(jié)果發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，來打開或者關(guān)閉電磁閥，從而實(shí)現(xiàn)智能灌溉操作。

本系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場需求每隔一段適當(dāng)?shù)木嚯x布置相應(yīng)的電磁閥和傳感器，然后再通過NB-IoT終端節(jié)點(diǎn)對(duì)分布在現(xiàn)場的各個(gè)傳感器的參數(shù)及開關(guān)量模塊的狀態(tài)信息進(jìn)行采集與處理，然后通過NB-IoT通信模塊將信息通過以太網(wǎng)傳給服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)這些信息進(jìn)行處理與儲(chǔ)存，并選擇相應(yīng)的灌溉方案，用戶也可以通過手機(jī)端對(duì)服務(wù)器上的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，也可手動(dòng)對(duì)現(xiàn)場的控制量進(jìn)行相關(guān)的操作。

2? ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括各種相應(yīng)的傳感器、控制器、電磁閥以及NB-IoT結(jié)點(diǎn)。

2.1? 傳感器

農(nóng)田的相關(guān)物理數(shù)據(jù)是進(jìn)行農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉的重要依據(jù)，數(shù)據(jù)的收集以使用各種類型的傳感器為主要方式。各個(gè)灌溉區(qū)的環(huán)境傳感器采集每個(gè)時(shí)間段的環(huán)境數(shù)據(jù)后，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)匯總到NB-IoT結(jié)點(diǎn)，然后以電信號(hào)的形式傳送給控制器。

2.2? 控制器

控制器是實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)智能控制的最重要的硬件之一。本系統(tǒng)使用STC89C52單片機(jī)作為控制器。單片機(jī)在接收到電信號(hào)后，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并在液晶屏上顯示出來，同時(shí)，經(jīng)過運(yùn)算和對(duì)比給出當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)與規(guī)定值的差距，然后存儲(chǔ)當(dāng)天的測量和對(duì)比數(shù)據(jù)。最后把所得數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊衅魃?，整理后?jīng)由服務(wù)器發(fā)送給用戶手機(jī)客戶端。

2.3? 電磁閥

電磁閥安裝于各個(gè)灌溉區(qū)的控制系統(tǒng)中，用戶在通過手機(jī)客戶端看到農(nóng)田實(shí)時(shí)情況后作出決定，然后通過服務(wù)器和集中器將指令發(fā)送給單片機(jī)，最后單片機(jī)把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)控制電磁閥開啟或者關(guān)閉。

2.4? NB-IoT結(jié)點(diǎn)

各個(gè)灌溉區(qū)都設(shè)有一個(gè)NB-IoT結(jié)點(diǎn)，各結(jié)點(diǎn)之間通過物聯(lián)網(wǎng)互相連接，在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上展示各自灌溉區(qū)的環(huán)境情況以及用戶的灌溉經(jīng)驗(yàn)。

3? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了設(shè)置控制量初值、灌溉日志管理、灌溉規(guī)劃管理、預(yù)警控制管理、經(jīng)驗(yàn)交流平臺(tái)等功能。用戶可以通過手機(jī)端對(duì)服務(wù)器上的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，也可手動(dòng)對(duì)現(xiàn)場的控制量進(jìn)行相關(guān)的操作。

系統(tǒng)控制量默認(rèn)初值設(shè)置如下：濕度初值含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為17%，并且在15.5%～18.5%時(shí)不予變化。溫度初始值設(shè)置為25 ℃。具體控制參數(shù)可由用戶按照農(nóng)田的具體情況隨時(shí)進(jìn)行更改。

系統(tǒng)每天都會(huì)自動(dòng)整理生成一篇日志，日志詳細(xì)說明今日的灌溉量、溫度、濕度等詳細(xì)參數(shù)，并以每周、每月、每季度、每年為單位列出柱狀圖，使之更直觀地向用戶顯示農(nóng)田的具體狀況。

根據(jù)相應(yīng)的日志文件，本系統(tǒng)能夠智能設(shè)置每日灌溉水量的默認(rèn)值。用戶也可以進(jìn)行查看并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改，或者自行設(shè)置農(nóng)田的灌溉規(guī)劃進(jìn)行每日的灌溉工作，以便用戶提前做好儲(chǔ)水蓄水等灌溉前的相關(guān)準(zhǔn)備。在不同區(qū)域的農(nóng)田里的各種環(huán)境傳感器，定時(shí)向服務(wù)器實(shí)時(shí)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，服務(wù)器根據(jù)模糊控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將采集到環(huán)境參數(shù)以文本和圖像等形式進(jìn)行顯示，并將實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)在網(wǎng)上公布。用戶可以在服務(wù)器上隨時(shí)觀察農(nóng)田成長情況和歷史灌溉數(shù)據(jù)等，從而判斷是否需要進(jìn)行合適的人為干預(yù)控制系統(tǒng)。

當(dāng)溫度、濕度或因自然情況發(fā)生系統(tǒng)無法調(diào)節(jié)的狀況（如大暴雨、龍卷風(fēng)、旱災(zāi)等）時(shí)，系統(tǒng)檢測出異常情況后立即發(fā)送強(qiáng)提醒，提示用戶出現(xiàn)了異常情況并需要立即進(jìn)行相應(yīng)的處理。

此外，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了經(jīng)驗(yàn)交流平臺(tái)。用戶不僅能在服務(wù)器上看見自己農(nóng)田的情況，也能在經(jīng)驗(yàn)交流平臺(tái)上了解到其他用戶農(nóng)田環(huán)境和農(nóng)作物生長情況。在遇到解決不了的問題時(shí)，也可以向其他用戶求助。

4? ? 結(jié)語

介紹了一種具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制以及終端監(jiān)測和控制等功能的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)主要是基于NB-IoT通信技術(shù)，處理環(huán)境傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過控制器控制電磁閥的開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)智能灌溉操作。該設(shè)計(jì)積極響應(yīng)國家政策要求，彌補(bǔ)了我國現(xiàn)有灌溉技術(shù)的不足，提高了灌溉水的利用率，有利于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的建設(shè)，對(duì)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展起到幫助作用。同時(shí)，該設(shè)計(jì)也積極響應(yīng)國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的綜合訓(xùn)練的號(hào)召，在鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和提高學(xué)生動(dòng)手操作能力方面有極大的幫助，有助于高校開展創(chuàng)新教育。

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Practice of innovation and entrepreneurship training project

for college students based on project

Pei Tianpeng， Wang Xin， Tian Hang， Tan Yonglin， Wang Peifang， Zhou Xinxin

（School of Computer Science， Northeast Electric Power University， Jilin 132012， China）

Abstract： In order to cultivate students’ practical ability and promote their innovative and entrepreneurial ability， an intelligent water-saving irrigation system based on Internet of Things is designed. The design is based on Internet of Things technology， using single chip microcomputer as controller， by analyzing the environmental data such as temperature and humidity and illuminance collected by the sensor， the optimal irrigation scheme is worked out， the intelligent irrigation is realized， the water conservancy resources are saved better and the irrigation operation is convenient. Through innovative entrepreneurial design， students can cultivate the design concept of the system and improve students’ scientific research thinking and innovative ability.

Key words： Internet of Things; agriculture; single-chip computer; innovation