农业智能节水灌溉系统设计分析

2021-11-17丁晓卫胡兆鹏严竞雄

乡村科技 2021年18期

陈浩丁晓卫卢曦胡兆鹏严竞雄

（南通理工学院，江苏南通 226002）

人口增长导致对农作物产量的需求不断增加，水资源压力随之增加。如果农业灌溉水资源利用率提高至70%，在不改变现在灌溉用水量的情况下，理论计算每年可以多产全国总人口一年的粮食［1］。农作物产量与其生长环境、智能化灌溉水平息息相关。为了提高水资源利用率、提升农业智能化灌溉水平，促进农业向绿色、现代化方向发展，需改变传统灌溉方式，实现真正意义上的智能化灌溉和自动化管理。

1 国内外研究现状

发达国家农业灌溉自动化与信息化发展水平较高，部分发达国家的水资源平均利用率已接近90%［2］。由布鲁克·梅森（Brooke Mason）等开发的iRain智能灌溉系统，可通过监测田间土壤水分条件来优化水资源管理，能实现在保证农作物产量的同时平均减少59%的用水量［3］。2020年，我国用水总量5 812.9亿m3，而农业用水占用水总量的62%以上［4］，但我国农业灌溉智能化建设还处于不断探索和发展中。

2 农业智能节水灌溉系统设计方案

2.1 需求分析

利用多传感器对作物生长环境参数进行采集。多传感器节点安装无线发射模块，通过ZigBee组建传感器网络。为保证远距离节点的正常通信，可适当增加路由节点。最后，通过串口通信连接可编程控制器，通过传感器数据融合技术实现感知数据的分析与处理，得出农业灌溉最优方案。组态软件通过ODBC实现MySQL数据访问，将感知数据转存到远程数据库中供远程服务器访问，智能终端通过HTTP协议或WebService协议实现与服务器的通信，通过MODBUS-TCP协议实现示范园区泵阀的实时远程控制。

2.2 农业智能节水灌溉系统整体结构

农业智能节水灌溉系统主要由数据采集模块、多传感器网络搭建模块、灌溉控制模块、数据处理模块、数据库访问模块和远程终端模块组成。农业智能节水灌溉系统总体框图如图1所示。

图1 农业智能节水灌溉系统总体框图

2.2.1 数据采集方案设计。利用多传感器采集实时数据：采集的数据包含静态数据和动态数据，主要包含水泵启停和阀门开关状态、水泵机组电参数、水泵管道压力、变频器运行参数、田间水位、田间持水量、水质水层深度、水质参数和气象参数等。现地测控单元中的数据采集由西门子系列可编程控制器S7-200来完成，水位、压力等传感器输出为模拟量，通过在可编程控制器中扩展模拟量输入输出模块EM231实现数据转换。土壤含水量、气象参数等信息基于MODBUS总线协议采集，将可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作为主站、传感器作为从站。数据采集方案框图如图2所示。

图2 数据采集框图

2.2.2 多传感器网络搭建。传感器节点、路由节点、协调器节点等通过ZigBee模块实现数据的无线传输。各个区域通过作物生长监测传感器和作物环境监测传感器实现参数监测，各个区域作为ZigBee数据采集控制节点，与路由器之间实现数据传输［5］。

2.2.3 灌溉控制模块。灌溉控制模块主要包含水泵动力控制单元和电动阀控制单元，水泵控制单元实现对水泵的启停控制，电动阀控制单元实现对田间阀门的控制，阀门的开关主要取决于田间持水量、水位、水层深度和气象参数。上位机通过交换机、光纤收发器等实现对泵阀的远程控制，进而实现对农田的智能灌溉。

2.2.4 数据处理模块。数据处理模块具有2个功能：一是PLC对采集的数据进行处理，二是基于作物环境和生长参数建立农作物最佳灌溉方案。在全面收集研究区的气象、水质、作物生长参数、土壤数据等信息的基础上，结合农田作物生长模型，利用物联网技术对采集的数据进行分析处理，寻求最优农田灌溉方案模型，找出模型敏感参数，并评价模型精度，实现水资源的重复利用。

2.2.5 数据库访问模块。数据库存储着灌溉区域的泵阀基本信息、泵阀运行信息、水位信息、土壤湿度信息和气象参数信息等，是实现远程监控和信息管理系统的基础。为实现远程终端模块的开发，需将数据转存到MySQL数据库中。采集和处理过的数据通过组态软件存储到本地或远程数据库中，组态软件与数据库间通过ODBC配置访问，通过在组态软件中建立与数据库相关联的字段名称实现数据传输。

2.2.6 远程终端模块。终端系统使用Java语言开发，服务器采用MySQL数据库，Android端通过HTTP协议与服务器建立通信，实时获取采集的数据并展现在Android端和Web界面，通过终端操作实现基础信息管理模块、监测信息管理模块、视频监控管理模块和GIS信息管理模块等的功能。