黃天龍 黃妙芬 連銳鴻 楊浩銘 趙志敏

摘? 要：對農(nóng)作物不能按需灌溉、浪費大量水資源的問題進行了研究，設(shè)計了一種基于自動閉環(huán)雙?？刂扑惴ǖ闹悄芄喔认到y(tǒng)。該系統(tǒng)引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將灌溉設(shè)備與用戶網(wǎng)關(guān)、濕度傳感器和閥門控制器連接起來，采用自動閉環(huán)雙?？刂扑惴?，智能分析濕度傳感器采集的土壤濕度信息，動態(tài)調(diào)整灌溉量。根據(jù)土壤濕度進行精準灌溉，減少水資源浪費。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);自動閉環(huán)雙?？刂扑惴?土壤濕度信息;精準灌溉

中圖分類號：TP311.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）15-0009-05

Abstract： The problem of crops cannot be irrigated on demand and wasting a lot of water resources is studied， and an intelligent irrigation system based on Automatic Closed-loop Dual-mode Control Algorithm is designed. The system introduces the Internet of Things technology， connects the irrigation equipment with the user gateway， humidity sensor and valve controller， adopts an Automatic Closed-loop Dual-mode Control Algorithm， intelligently analyzes the soil humidity information collected by the humidity sensor， and dynamically adjusts the amount of irrigation. Carry out precise irrigation according to soil moisture to reduce water waste.

Keywords： internet of things technology; Automatic Closed-loop Dual-mode Control Algorithm; soil moisture information; precision irrigation

0? 引? 言

水是一種重要的自然資源，廣泛應用于社會主要生產(chǎn)力的經(jīng)濟活動和人們的日常生活。它是自然資源不可分割的重要組成部分。隨著當今世界國民經(jīng)濟快速健康發(fā)展，人口不斷實現(xiàn)快速增長，城市不斷增加和擴大，各地用水量不斷增加。因此，作為大規(guī)模的農(nóng)業(yè)灌溉，用水效率和生產(chǎn)力必須大大提高。

快速提高農(nóng)業(yè)用水效率的潛力和需求并存。有必要制定精心設(shè)計的水資源管理戰(zhàn)略并實施旨在提高用水效率和生產(chǎn)力的計劃。此外，日益嚴重的水污染導致水資源短缺。如何節(jié)約水資源成為研究的熱點。

近年來，國內(nèi)外眾多學者對溫室自動灌溉進行了大量研究，并取得了一定的成果。典型成果包括：程文鋒等的PLC和觸摸屏在自動噴灌控制器中的應用[1]、任文濤等的新型溫室空間節(jié)點式集雨滲灌低壓自動控制灌溉系統(tǒng)軟件設(shè)計與技術(shù)實現(xiàn)[2]、袁巧霞等的溫室節(jié)點集雨及滲灌低壓自動化滲透式灌溉系統(tǒng)可行性研究[3]等。多項研究成果已應用于部分商品果園和高端溫室的灌溉管理系統(tǒng)。

在眾多灌溉算法中，戴薛提出的自動閉環(huán)雙?？刂扑惴╗4，5]適用于以土壤含水率為控制對象的灌溉控制系統(tǒng)，屬于自動閉環(huán)控制。該算法能有效控制土壤含水率，及時適量灌溉，滿足精準灌溉的要求。同時，該算法使灌溉系統(tǒng)不僅節(jié)約了水資源，還節(jié)省了維護成本。

1? 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計包括水管鋪設(shè)、硬件系統(tǒng)組網(wǎng)、智能灌溉算法、Android程序功能模塊四個方面。

1.1 ? 水管鋪設(shè)方案設(shè)計

在計算機上制作坐標圖，如圖1所示，此坐標圖以A、B、C、D為界。每個灌溉設(shè)備的灌溉半徑約為8 m，可以覆蓋所有區(qū)域。在坐標圖由兩部分組成：一種是線段，包括主線段與子線段，其中主線段為主輸水管道，如圖1中H點到B點的線段I，子線段即為子水管，如圖中的J、L;另一種是坐標點，即為灌溉設(shè)備的坐標點，如圖中坐標點E、F、G、H。引入線性的回歸思想，為了得到最大化的利用效率，需要主線段在經(jīng)過坐標圖時，盡可能地擬合所有的坐標點。首先做一條線段，使該線段經(jīng)過坐標圖中任意兩個距離最遠的坐標點，如圖中線段I，經(jīng)過相互距離最遠的坐標點F、H，然后分別在坐標點E、G作線段I的垂線，垂足恰好均為坐標點K，兩條垂線如圖中線段J、L。由于兩點之間線段最短，易知線段I、J、L的長度之和最小，即主線段與子線段長度之和最小。由于每個灌溉設(shè)備的灌溉半徑約為8 m，根據(jù)這種灌溉設(shè)備鋪設(shè)方案，灌溉范圍可以覆蓋所有區(qū)域。這時，水管利用效率達到最大化。

對主線段位置進行線性回歸分析時，選擇平均性能最好的快速排序算法[6]，如圖2所示。在圖2中，將每個坐標點的橫坐標值作為一條數(shù)據(jù)保存在一個數(shù)組中。在數(shù)組中隨機指定一個數(shù)作為參考數(shù)，將數(shù)組進行拆分。通過單次排序，使左邊的數(shù)據(jù)小于參考數(shù)，右邊的數(shù)據(jù)大于參考數(shù)。這樣可以快速對數(shù)據(jù)進行排序，整個排序過程遞歸進行。多次排序后，整個數(shù)組就有序了。如果數(shù)組有奇數(shù)個數(shù)據(jù)，取出索引為“（數(shù)據(jù)長度-1）/2”的數(shù)據(jù)，即中位數(shù);如果數(shù)組有偶數(shù)個數(shù)據(jù)，取出索引為“數(shù)據(jù)長度/2-1”的數(shù)據(jù)和索引為“數(shù)據(jù)長度/2”的數(shù)據(jù)，它們的平均值就是中位數(shù)。通過快速排序算法可以得到最佳的主線段位置，可以求出主線段位置為圖1中的線段M。

1.2 ? 硬件系統(tǒng)組網(wǎng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)硬件主要由用戶網(wǎng)關(guān)、灌溉設(shè)備、濕度傳感器、閥門控制器、LoRa模塊[7]和ZigBee模塊[8-12]組成，如圖3所示。因此，有必要研究它們之間的組網(wǎng)方案和連接方式。包括：（1）采用CSMA/CA載波偵聽多點無線接入/ 沖突檢測的無線分布式組合聯(lián)網(wǎng)解決方案。（2）使用更抗數(shù)據(jù)傳輸干擾、更低功耗的LoRa模塊將灌溉設(shè)備連接到用戶網(wǎng)關(guān)。（3）使用延時短、自組網(wǎng)能力強的ZigBee模塊將灌溉設(shè)備連接到閥門控制器。（4）使用運行穩(wěn)定、高速的RS-485總線[13]將灌溉設(shè)備連接到濕度傳感器。

1.3? 智能灌溉算法設(shè)計

采用開關(guān)控制與模糊控制相結(jié)合的自動閉環(huán)雙?？刂扑惴?。該算法適用于以土壤含水率為控制對象的灌溉系統(tǒng)，由保護控制、開關(guān)控制和模糊控制三部分組成。反復使用算法進行測試，設(shè)計和控制各種參數(shù)，包括土壤含水率最低閾值、系統(tǒng)誤差判斷參數(shù)、傳感器對應閥門開關(guān)狀態(tài)等，最后通過智能灌溉算法達到精準灌溉的目的。

1.4? Android程序功能模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的程序設(shè)計為在Android設(shè)備上安裝和運行，包括客戶端和服務(wù)器端，分別由用戶和管理員來控制不同的屬性。客戶端包括四個模塊：用戶模塊、灌溉模塊、恢復設(shè)置模塊和程序更新模塊;服務(wù)器端包括：管理員模塊、用戶模塊、灌溉模塊、備份設(shè)置模塊和程序更新模塊五個模塊。

2? 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 ? 測試地塊的選擇

選擇一個約20 m×20 m的測試地塊，并在附近選擇一個與測試地塊相當?shù)膮⒖嫉貕K。在這兩個地塊中，傳統(tǒng)的灌溉作業(yè)必須已經(jīng)存在。首先在本次測試的地塊中進行物理環(huán)境模型建模，建立一個基本便于利用計算機網(wǎng)絡(luò)進行物理路徑環(huán)境規(guī)劃的虛擬環(huán)境搜索模型，即將實際中的物理相互空間抽象為一個基本可以通過搜索算法進行處理的虛擬抽象相互空間，實現(xiàn)相互空間映射;其次，路徑規(guī)劃搜索模型是以物理環(huán)境模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的搜索模型，采用一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搜索算法、A*算法、遺傳算法等算法，以尋找適合鋪設(shè)水管的路徑為核心，利用最優(yōu)算法對預定的性能函數(shù)進行優(yōu)化以獲得最優(yōu)值。最后，再次平滑路徑，使其成為可行的鋪設(shè)路徑。

2.2 ? 水管鋪設(shè)

由于整個灌溉系統(tǒng)是通過水管串聯(lián)起來的，所以需要使用平均性能最佳的快速排序算法來布置水管出口，以有效減少水管的總長度，最大限度地提高實際效率。

2.3? 組網(wǎng)方案確定

采用CSMA/CA載波偵聽多點接入/沖突檢測的分布式組網(wǎng)方案。該方案可用于低速率和不頻繁傳輸?shù)臄?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。使用支持遠距離數(shù)據(jù)傳輸、抗干擾、低功耗的LoRa 模塊連接灌溉設(shè)備和用戶網(wǎng)關(guān)。使用這種方法可以降低網(wǎng)關(guān)路由算法的復雜度，根據(jù)最優(yōu)父節(jié)點和下一跳算法減少路由表的大小和數(shù)據(jù)包的長度。如果使用ZigBee模塊組網(wǎng)，當實際傳輸距離大于大規(guī)模傳輸距離時，將無法連接。因此，在這種連接方式下，不使用僅支持短距離傳輸?shù)腪igBee模塊組網(wǎng)。但是，在連接灌溉設(shè)備和閥門控制器時，使用ZigBee模塊，因為它具有較短的延遲和強大的自組織網(wǎng)絡(luò)能力。此外，使用運行穩(wěn)定、通信速率高的RS-485總線連接灌溉設(shè)備和濕度傳感器。在這些組網(wǎng)方案的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化，權(quán)衡運行速度和緩存空間的時間、空間復雜度，經(jīng)過反復測試，取得了很好的組網(wǎng)效果。

2.3.1? 濕度傳感器組網(wǎng)方案

選擇適合無線局域網(wǎng)的CSMA/CA載波偵聽多點無線接入/沖突檢測協(xié)議將濕度傳感器接入網(wǎng)絡(luò)。該檢測協(xié)議的主要工作流程為：（1）首先對信道上的信號進行檢測，判斷是否正在使用。如果信道空閑，那么隨機等待一段時間后再次發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）如果收到發(fā)送數(shù)據(jù)的接收端正確接收得到數(shù)據(jù)確認幀，經(jīng)過一段時間的等待后，向發(fā)送端發(fā)送一個數(shù)據(jù)確認幀ACK。（3）如果發(fā)送端收到ACK幀，確認數(shù)據(jù)信號正確傳輸，一段時間后發(fā)送數(shù)據(jù)。該通信協(xié)議的基本要求，是避免通信設(shè)備在檢測時發(fā)生通信數(shù)據(jù)傳輸沖突[14]，因此采用了兩種檢測方法：（1）當檢測到信道空閑時，不會立即開始數(shù)據(jù)傳輸，而是等待一段時間后再發(fā)送數(shù)據(jù);（2）先發(fā)送小信道檢測幀RTS。如果接收到最近的接入點的幀數(shù)據(jù)中有CTS，則認為在發(fā)送時間內(nèi)的信道是空閑的，然后發(fā)送數(shù)據(jù)。這兩種方法的目的是避免濕度傳感器之間過度干擾，影響系統(tǒng)運行。

2.3.2? 灌溉設(shè)備組網(wǎng)方案

采用基于模糊系統(tǒng)控制的開關(guān)控制組成的自動閉環(huán)雙?？刂扑惴āＯ到y(tǒng)通過無線通信模塊定時向灌溉設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求;灌溉設(shè)備分析系統(tǒng)請求，通過RS-485總線向相應的濕度傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求;濕度傳感器通過RS-485總線采集土壤水分數(shù)據(jù)返回給灌溉設(shè)備，然后由灌溉設(shè)備返回系統(tǒng);系統(tǒng)根據(jù)控制算法對土壤含水量數(shù)據(jù)進行分析處理，并根據(jù)處理結(jié)果向灌溉設(shè)備發(fā)送閥門切換請求。灌溉設(shè)備通過ZigBee模塊向閥門控制器發(fā)送閥門切換請求;閥門控制器控制閥門的開啟和關(guān)閉狀態(tài)，并通過ZigBee模塊將相關(guān)信息返回給灌溉設(shè)備，再返回給系統(tǒng)。這樣的重復構(gòu)成了一個自動閉環(huán)雙模控制灌溉系統(tǒng)。

每個濕度傳感器測量土壤水分的有效范圍為直徑約20 cm，每個灌溉設(shè)備灌溉輸出水的有效范圍為直徑約8 m。經(jīng)研究，在20 m×20 m的測試地塊內(nèi)，平均分布6套設(shè)備（每套設(shè)備包括灌溉設(shè)備、濕度傳感器和閥門控制器各一個）作為數(shù)據(jù)實現(xiàn)工具;使用2套模塊（每套模塊包含LoRa模塊和ZigBee模塊各一個）作為數(shù)據(jù)傳輸工具;用戶網(wǎng)關(guān)作為傳輸樞紐工具。

在完成測試地塊的所有工作并分析結(jié)果后，隨機選擇一套設(shè)備和一套模塊，用于移植部署到參考地塊，本次部署以上述組網(wǎng)方案為邏輯。同時，使用另一個用戶網(wǎng)關(guān)，同時將參考地塊改為測試地塊2，即視作不同的用戶。測試地塊對應的用戶和測試地塊2對應的用戶在服務(wù)器端上設(shè)置為兩個獨立的用戶，使用兩個用戶賬號登錄客戶端，測試相關(guān)數(shù)據(jù)是否相互獨立。

2.4 ? 數(shù)據(jù)庫設(shè)計與規(guī)劃[15]

在單個數(shù)據(jù)庫中使用不同的表[16]來存儲不同用戶的數(shù)據(jù)，從多方面優(yōu)化MySQL數(shù)據(jù)庫的性能。包括：（1）盡量選擇最適用的每個字段屬性：例如盡可能精確設(shè)置表格中每個字段的最大寬度，以保證在能夠滿足實際數(shù)據(jù)使用需要的基礎(chǔ)上，減少不必要的存儲空間。（2）盡量減少使用子查詢，使用連接替代子查詢，因為使用連接比子查詢更高效。需要在內(nèi)存中創(chuàng)建一個臨時連接表來完成這個兩步邏輯的查詢。（3）盡量使用索引，因為索引通常建立在用于JOIN、WHERE、ORDERBY的字段上。

2.5? Android程序功能模塊開發(fā)[17]

2.5.1? 客戶端

客戶端主要功能模塊有：

（1）用戶模塊：實現(xiàn)用戶登錄功能、用戶信息修改功能，界面如圖4所示。

（2）灌溉模塊：實現(xiàn)灌溉參數(shù)顯示、修改功能，界面如圖5所示。

（3）恢復設(shè)置模塊：實現(xiàn)恢復灌溉默認參數(shù)功能，界面如圖6所示。

（4）程序更新模塊：實現(xiàn)OTA 更新、安裝包更新功能，界面如圖7所示。

2.5.2? 服務(wù)器端

管理員模塊：實現(xiàn)管理員登錄功能、管理員信息修改功能。

用戶模塊：實現(xiàn)用戶注冊功能、用戶信息修改功能。

灌溉模塊：實現(xiàn)灌溉參數(shù)顯示功能、灌溉參數(shù)修改功能。

備份設(shè)置模塊：實現(xiàn)用戶信息默認設(shè)置備份功能，用戶灌溉參數(shù)默認設(shè)置備份功能。

程序更新模塊：實現(xiàn)更新推送功能。

3? 結(jié)? 論

本文設(shè)計了一種基于自動閉環(huán)雙?？刂扑惴ǖ闹悄芄喔认到y(tǒng)。本系統(tǒng)硬件由用戶網(wǎng)關(guān)、灌溉設(shè)備、濕度傳感器、閥門控制器、LoRa模塊和ZigBee模塊組成，軟件由Android開發(fā)的客戶端、服務(wù)器和MySQL數(shù)據(jù)庫組成。引入自動閉環(huán)雙?？刂扑惴?，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測土壤水分信息，實現(xiàn)實時監(jiān)測并上傳多種信息，快速響應灌溉作業(yè)，提高水資源利用率，實現(xiàn)精準灌溉。用戶可以從客戶端查看和操作某個區(qū)域的土壤含水率，同時可以對數(shù)據(jù)進行處理和分析。特別是在作物的不同生育期，用戶可以優(yōu)化和修改灌溉閾值和灌溉時間。該系統(tǒng)不僅可以滿足溫室短距離灌溉，也可以滿足大面積、長距離室外灌溉的要求。它具有應用廣泛、成本低、操作簡單的特點。

系統(tǒng)未來的發(fā)展可以從多個角度出發(fā)：（1）太陽能電池板可作為低壓電源，保護環(huán)境。（2）上述數(shù)據(jù)庫中存儲的參數(shù)由機器分析，并通過流行的人工智能技術(shù)進行優(yōu)化，以增加數(shù)據(jù)的價值。（3）探索更高效的算法實現(xiàn)，優(yōu)化效率。

參考文獻：

[1] 程文鋒，楊祥龍，王立人，等.PLC和觸摸屏在自動噴灌控制器中的應用 [J].農(nóng)機化研究，2009，31（5）：128-131.

[2] 任文濤，楊懿，張本華，等.溫室節(jié)點式滲灌自動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].農(nóng)業(yè)工程學報，2009（8）：59-63.

[3] 袁巧霞，蔡月秋.溫室集雨及低壓自滲灌溉可行性研究 [J].農(nóng)業(yè)機械學報，2006（4）：155-157+110.

[4] 戴薛.精準灌溉設(shè)備的控制算法 [J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2014，53（15）：3659-3661.

[5] JAVADIKIA P，TABATABAEEFAR A，OMID M，et al. Intelligent Control Based Fuzzy Logic for Automation of Greenhouse Irrigation System and Evaluation in Relation to Conventional Systems [J].World Applied Sciences Journal，2009（1）：16-23.

[6] 霍紅衛(wèi)，許進.快速排序算法研究 [J].微電子學與計算機，2002（6）：6-9.

[7] 王燦，王中華，王冬雪，等.基于LoRa的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計 [J].計算機測量與控制，2018，26（8）：217-221.

[8] 林少欽.無線智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計 [J].農(nóng)機化研究，2012，34（7）：146-149+153.

[9] 方旭杰，周益明，程文亮，等.基于ZigBee技術(shù)的無線智能灌溉系統(tǒng)的研制 [J].農(nóng)機化研究，2009，31（1）：114-118.

[10] 張觀山，束懷瑞，高東升，等.基于ZigBee和GPRS的遠程果園智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) [J].山東農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2012，43（3）：377-380.

[11] 劉俊巖，張海輝，胡瑾，等.基于ZigBee的溫室自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].農(nóng)機化研究，2012，34（1）：111-114+118.

[12] 高玉芹.基于ZigBee和模糊控制決策的自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計 [J].節(jié)水灌溉，2010（8）：52-55.

[13] 劉信宏，解魯旭，趙祺，等.基于RS485總線的土壤溫濕度集成傳感器 [J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（6）：6-8.

[14] 聶世群，田偉莉.IEEE802.11MAC層CSMA/CA機制的分析與研究 [J].內(nèi)江科技，2007（6）：102-103.

[15] 盛莉.基于MySQL的數(shù)據(jù)管理平臺設(shè)計 [J].信息與電腦（理論版），2020，32（22）：152-153.

[16] 趙震奇.智能灌溉系統(tǒng)上位機軟件的設(shè)計與實現(xiàn) [J].計算機時代，2012（12）：61-64.

[17] SEENU N，MOHAN M，JEEVANATH V S. Android Based Intelligent Irrigation System [J].International Journal of Pure and Applied Mathemmatics，2018，119（7）：67-71.

作者簡介：黃天龍（2001—），男，漢族，廣東河源人，本科在讀，研究方向：農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境信息采集;通訊作者：黃妙芬（1963—），女，漢族，廣東汕頭人，教授，博士，研究方向：海洋信息采集與處理。

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