雷彤 鮑永昊 金冠祺 張禎 姜沁怡

摘 要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于DTU模塊監(jiān)測農(nóng)田冠層土壤數(shù)據(jù)并可遠(yuǎn)程自動控制的智能灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)采用DTU模塊通過虛擬端口傳輸數(shù)據(jù)至SQL，終端可對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制;系統(tǒng)應(yīng)用LoRa模塊連接控制柜與數(shù)據(jù)采集單元，并以蓄電池為電源，保證了野外使用的可行性與便捷性;系統(tǒng)引入模糊決策理論計(jì)算作物實(shí)際需求灌水量，并考慮灌溉不均勻的影響，對濕度區(qū)間進(jìn)行調(diào)整，以此優(yōu)化灌溉系統(tǒng)的用水效率。

關(guān)鍵詞：智能灌溉;實(shí)時(shí)監(jiān)測;DTU;灌溉決策;LoRa模塊

1 引言

隨著中國農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源短缺的問題越來越嚴(yán)重。如何實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用成為中國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要問題，為解決這一突出問題，國內(nèi)外研究學(xué)者重點(diǎn)研究各類流體機(jī)械相關(guān)的優(yōu)化問題，提高設(shè)備用水效率。農(nóng)業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，中國農(nóng)業(yè)用水量約占全國總用水量的65%。發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)可以進(jìn)一步優(yōu)化用水效率，緩解水資源短缺問題，從而促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

智能灌溉是根據(jù)作物的實(shí)際需水量，應(yīng)用自動控制技術(shù)和信息技術(shù)，實(shí)施合理的灌溉制度，提高灌溉精度和作物水分利用率的灌溉方法。自二十世紀(jì)80年代從美國開始發(fā)展，目前，智能灌溉系統(tǒng)在國外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但我國對其研究和應(yīng)用還較少，與發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距[1]。我國的灌溉系統(tǒng)大多依靠手工操作，部分灌溉系統(tǒng)應(yīng)用了自動化控制，但灌溉時(shí)間和灌溉量的確定均由經(jīng)驗(yàn)方法確定，智能化程度很低。因此，我國的智能灌溉擁有很大的發(fā)展空間。

本文主要闡述一種農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)是依托傳感器采集數(shù)據(jù)，通過檢測農(nóng)田冠層土層中的濕度、溫度等參數(shù)進(jìn)行判斷，可以在無人工干預(yù)的情形下實(shí)現(xiàn)自動灌溉，滿足作物的實(shí)時(shí)需水量，并達(dá)到節(jié)約水資源和人工成本的目的，最終取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制中心是基于天尚智控組態(tài)軟件編寫，采用西門子S7-200單片機(jī)作為中轉(zhuǎn)控制器[2]，串口數(shù)據(jù)通過GPRS WL-4010 DTU遠(yuǎn)程連接控制中心，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目的。GPRS DTU是一種應(yīng)用廣泛的通信設(shè)備，其硬件組成部分主要包括CPU控制模塊、無線通訊模塊以及電源模塊，通過串口數(shù)據(jù)與IP數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)換，可輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)通信[3]。

系統(tǒng)通過傳感器進(jìn)行模擬量采集，通過溫度傳感器、濕度傳感器、氮磷鉀傳感器以及PH值傳感器對監(jiān)測農(nóng)田的冠層土壤進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)由LoRa模塊遠(yuǎn)程傳輸至PLC。LoRa模塊為基于LPWAN的遠(yuǎn)距離無線通信模塊，無需接入網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信[4]。LoRa模塊的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)模擬量采集有線連接的繁瑣性，提高了本系統(tǒng)的野外使用方便性與靈活性。由于傳感器與LoRa模塊功耗很小，故均采用蓄電池供電，無需引入有線電源，且更換電源十分便捷。數(shù)據(jù)接入PLC后，通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心，在PC端、手機(jī)APP以及控制柜顯示屏上均可實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)控制模式分為自動控制與手動控制兩種，以自動控制為主，可實(shí)時(shí)切換。自動控制模式下，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的傳感器數(shù)據(jù)，由控制中心自動控制電磁閥開閉與水泵啟停;手動控制模式可由多個(gè)控制端進(jìn)行控制，PC端、手機(jī)APP和控制柜觸摸屏均可控制電磁閥開閉。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了故障監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)判斷出田間冠層土壤數(shù)據(jù)異常時(shí)，可自動報(bào)警，出發(fā)蜂鳴器與警報(bào)燈。系統(tǒng)控制原理圖如圖1所示。遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)控制柜如圖2所示。

3 系統(tǒng)工作流程

本文所設(shè)計(jì)的智能噴灌系統(tǒng)分為手動控制模式與自動控制模式，兩種模式相互配合。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是針對在噴灌區(qū)域的不均勻灌溉現(xiàn)象做出的智能化環(huán)境調(diào)控，除此以外用戶可以在手動系統(tǒng)控制觸摸屏以及移動終端上進(jìn)行模式切換選擇，便于用戶的多種情況使用。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

3.1 手動控制模式

手動控制模式所需硬件設(shè)備：濕度傳感器、溫度傳感器、氮磷鉀傳感器、PH值傳感器、電磁閥、開關(guān)、蜂鳴器、警報(bào)燈、噴灌系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、給水泵、西門子S7-200 PLC、觸摸屏、DTU模塊、LoRa模塊。

手動控制流程：

1.各類傳感器采集模擬量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由LoRa模塊傳送至PLC，再通過DTU模塊經(jīng)由虛擬端口傳送到移動端控制界面;

2.觸摸屏以及移動端控制界面上通過圖表的形式實(shí)時(shí)顯示土壤濕度、溫度等相關(guān)信息，并將系統(tǒng)運(yùn)行的流程圖顯示在界面上，以便用戶查看系統(tǒng)的顯示情況;

3.供水系統(tǒng)給水泵的開關(guān)以及控制灌溉啟停的電磁閥連接PLC，PLC系統(tǒng)連接觸摸屏界面，實(shí)現(xiàn)觸摸屏界面控制系統(tǒng)各部分的電磁閥的啟停，以及控制硬件系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)灌溉量的控制。

手動觸摸屏控制界面如圖4所示。

3.2 自動控制模式

自動控制模式所需硬件設(shè)備：濕度傳感器、溫度傳感器、氮磷鉀傳感器、PH值傳感器、電磁閥、開關(guān)、蜂鳴器、警報(bào)燈、噴灌系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、給水泵、西門子S7-200 PLC、觸摸屏、DTU模塊、LoRa模塊。

自動控制流程：

3.2.1各類傳感器采集模擬量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由LoRa模塊傳送至PLC，再通過DTU模塊經(jīng)由虛擬端口傳送到移動端控制界面;

3.2.2移動端通過組態(tài)軟件接收信號，通過判斷程序，確定此時(shí)土壤濕度數(shù)值、土壤溫度數(shù)值是否處在適宜區(qū)間，并由此發(fā)送指令給控制機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步控制電磁閥開閉以及溫度調(diào)節(jié)裝置;

自動觸摸屏控制界面如圖5所示。

3.3 故障檢測系統(tǒng)

本系統(tǒng)采取的故障檢測原理是基于自動控制原理中基礎(chǔ)的閉環(huán)檢測，獨(dú)立于運(yùn)行系統(tǒng)之外。檢測到系統(tǒng)故障時(shí)，啟動警報(bào)燈與蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

3.3.1在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由PLC實(shí)時(shí)監(jiān)測硬件運(yùn)行狀態(tài)，判斷硬件狀態(tài)與設(shè)定值是否相同。A9A62B8A-0F04-4FB1-AF4C-B2B899D707E1

3.3.2在系統(tǒng)開始進(jìn)行自動控制運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤濕溫度數(shù)據(jù)：（1）在調(diào)節(jié)土壤濕度過程中，監(jiān)測土壤濕度隨時(shí)間變化曲線，當(dāng)斜率不為正值，觸發(fā)報(bào)錯界面，顯示各硬件實(shí)現(xiàn)狀態(tài)情況界面;（2）當(dāng)供水系統(tǒng)完成調(diào)節(jié)土壤濕度，控制開關(guān)自動關(guān)閉，此時(shí)監(jiān)測土壤濕度隨時(shí)間變化曲線，若斜率出現(xiàn)正值，觸發(fā)報(bào)錯界面，顯示各硬件實(shí)現(xiàn)狀態(tài)情況界面。

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)基于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線灌溉系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的智能化處理。目前根據(jù)國內(nèi)外的灌溉系統(tǒng)調(diào)研，我們對幾類噴灌噴頭做了模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在灌溉區(qū)域內(nèi)土壤獲水量并不均勻，即按照我們設(shè)計(jì)的灌溉系統(tǒng)，在灌溉區(qū)域內(nèi)當(dāng)土壤濕度達(dá)不到要求，系統(tǒng)開啟調(diào)節(jié)系統(tǒng)，供水系統(tǒng)開啟，當(dāng)測點(diǎn)土壤濕度達(dá)到要求，調(diào)節(jié)系統(tǒng)關(guān)閉，此時(shí)對于沒有安排測點(diǎn)的區(qū)域，土壤濕度未必處在適宜溫度內(nèi)。本系統(tǒng)所作的智能化處理，是對于常規(guī)噴管區(qū)域做樣點(diǎn)規(guī)劃，合理設(shè)置樣點(diǎn)，放置土壤濕度傳感器，將數(shù)據(jù)通過DTU，存儲在SQL軟件中，通過設(shè)置多組實(shí)驗(yàn)，計(jì)算最佳濕度的調(diào)整值，用于運(yùn)行系統(tǒng)中。

4 數(shù)據(jù)處理及灌溉決策

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集農(nóng)田冠層土壤溫度和濕度，以及土壤氮磷鉀含量、土壤PH值，將數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送至控制中心，進(jìn)行存儲與調(diào)用，土壤溫度及濕度信息經(jīng)過模糊決策后用于農(nóng)田作物的智能灌溉。

4.1數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)將最先接入組態(tài)軟件中，在PC端及手機(jī)APP上以圖表形式實(shí)時(shí)顯示。此外，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將存儲在SQL軟件中，SQL與組態(tài)軟件對接，可以實(shí)時(shí)存儲與讀寫數(shù)據(jù)。對所監(jiān)測的農(nóng)田一般設(shè)置四個(gè)測點(diǎn)，根據(jù)農(nóng)田的形狀具體確定測點(diǎn)分布位置，最終移動端顯示數(shù)據(jù)由四個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)加權(quán)得出。

4.2灌溉決策

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的灌溉決策模塊基于實(shí)時(shí)采集的農(nóng)田冠層土壤溫濕度數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的農(nóng)田作物種類確定適宜濕度區(qū)間，最后根據(jù)模糊決策理論[5，6，7]確定所需要的灌水量。

以揚(yáng)州地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物油菜的盛花期為例，該階段油菜適宜濕度區(qū)間為78-87%[8]。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，首先將設(shè)定濕度區(qū)間調(diào)整為78-87%。灌溉決策模塊調(diào)用SQL中存儲的冠層土壤實(shí)時(shí)溫度與濕度數(shù)據(jù)，利用MATLAB計(jì)算求出土壤濕度持水量的調(diào)整系數(shù)，并由四個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算得到土壤平均含水率。按照油菜這一作物預(yù)設(shè)的溫濕度比例權(quán)重確定模糊決策模型，最終得出實(shí)際需求灌水量。

5 系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況簡便化、可視化。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路分為手動控制部分以及自動控制部分。手動控制通過觸摸屏控制無線控制集成柜，連接電磁閥等控制部件，土壤濕度數(shù)據(jù)以及各類硬件運(yùn)行狀態(tài)可以實(shí)時(shí)傳輸顯示在觸摸屏上，便于用戶監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行情況。自動控制通過網(wǎng)絡(luò)虛擬端口將土壤溫濕度數(shù)據(jù)以及各類硬件運(yùn)行狀態(tài)傳送到SQL中存儲起來，組態(tài)軟件可以調(diào)用SQL中數(shù)據(jù)，通過組態(tài)軟件的編程制作出方便用戶監(jiān)視的PC端與移動端界面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)行情況監(jiān)視。

（2）實(shí)現(xiàn)自動控制灌溉系統(tǒng)的智能化。本系統(tǒng)基于大量參考文獻(xiàn)，使用模糊決策得出揚(yáng)州地區(qū)油麥菜作物的最佳適宜土壤濕度持水量，以該持水量作為數(shù)據(jù)參考，在實(shí)驗(yàn)灌溉區(qū)域進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，為解決由于灌溉不均勻引起的局部濕度不合理現(xiàn)象，通過MATLAB編程計(jì)算引入最佳適宜土壤濕度持水量的調(diào)整系數(shù)，得出調(diào)整后的最佳適宜土壤濕度持水量，用于自動控制系統(tǒng)。

（3）實(shí)現(xiàn)精確控制灌溉水量，節(jié)約水資源，合理化作物灌溉。對于傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)以及目前進(jìn)行智能化的灌溉系統(tǒng)，一直在優(yōu)化土壤濕度的范圍，得出合理的灌溉方案。而在實(shí)際過程中灌溉區(qū)域里噴頭的布置會影響灌溉區(qū)域內(nèi)噴水的均勻性，可能在設(shè)定的灌溉量下，局部區(qū)域的土壤濕度會過高，而有些局部區(qū)域的土壤區(qū)域卻達(dá)不到要求，盡管是按照最佳適宜的灌溉量進(jìn)行噴灌，但效果可能并不好。本系統(tǒng)基于智能化模塊中對于數(shù)據(jù)的采集與存儲，利用MATLAB編程程序?qū)喔葏^(qū)域的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出最佳適宜土壤濕度持水量的調(diào)整系數(shù)，這可以有效的避免水資源的浪費(fèi)，也使得灌溉系統(tǒng)的工作更加合理。

（4）系統(tǒng)具有故障檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)在運(yùn)行過程中設(shè)立有獨(dú)立的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視裝置，對于系統(tǒng)中各工作硬件，實(shí)行實(shí)時(shí)檢測，并且將信息傳輸至終端，用戶可以在觸摸屏以及連網(wǎng)終端實(shí)時(shí)查看，并且當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常會實(shí)時(shí)觸發(fā)警報(bào)燈與蜂鳴器，可以及時(shí)進(jìn)行維修。

（5）野外使用方便性與靈活性。本系統(tǒng)使用LoRa模塊替代控制柜與數(shù)據(jù)采集模塊之間的連線，解決了以往農(nóng)田位置偏僻從而線路布置困難的問題，提高了系統(tǒng)的適用性與方便性。此外，采用蓄電池為傳感器與LoRa模塊供電，無需引入有線電源，更換電源十分便捷，系統(tǒng)搭建成本低。

結(jié)束語

基于DTU模塊遠(yuǎn)程監(jiān)測的農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)依托傳感器采集數(shù)據(jù)，通過對農(nóng)田冠層土壤溫濕度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，應(yīng)用灌溉決策模塊，可在無人工干預(yù)的情形下實(shí)現(xiàn)自動遠(yuǎn)程智能控制灌溉，在提高水資源利用率和節(jié)約人工成本上有顯著優(yōu)勢。該系統(tǒng)符合現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展規(guī)律，將有很大的發(fā)展空間。

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作者簡介：雷彤（2001-），男，漢族，安徽安慶人，揚(yáng)州大學(xué)本科在讀，研究方向：能源與動力工程

基金項(xiàng)目：2020年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃“基于大數(shù)據(jù)云端的農(nóng)田智能噴灌系統(tǒng)研究”（202011117062Y）A9A62B8A-0F04-4FB1-AF4C-B2B899D707E1