李昊，岳谭，孙想成，李港，吴全恒，陶启宏

（蚌埠学院 计算机与信息工程学院，安徽蚌埠，233000）

0 引言

基于物联网和开源的硬件和软件结合的概念，已经研究出了各种传感系统和监测系统。硬件系统的可用性和相对较低的成本,以及软件组件的可移植性和易用性,允许使用更多的潜在用户，之前无法实现的传感技术和实时监控技术，现在都可以加以实现。电子监控的进步和不断发展的蜂窝通信技术越来越多地为远程监控提供了非常多、较为便捷且价格便宜的选择。然而，由于2G 和3G 蜂窝网络服务没用太久就将停止，大量已经有的监测系统将需要新的完善与构造，以在替代蜂窝网络上运行。开发了一种土壤湿度监测系统，包括更新的开源Arduino Stdio 微控制器和最近引入的LTE Cat-M1 蜂窝网络，通过蜂窝网络传输传感器测量数据，以访问互联网网站。该监控系统的电子电路建设成本约为1500 元，蜂窝网络接入和数据传输成本为每月不到10 元的优势的物联网技术，以进行精确的土壤墒情检测和需水量预测为核心，进行了智慧节水灌溉。

1 智能农业灌溉系统设计

1.1 硬件结构设计

利用了物联网应用技术系统的硬件构成进行设计，如图1 所示。耕地里配了主控制单元STM32 单片机处理装置，依赖于发电装置系统提供电源和重置的功能。GSM/4G 系统和以太网形成了相对完备的农业生产与灌溉网络系统。主控单元包括电磁阀门、传感变频器等传感器，通过土壤温湿度装置传感器将所收集的土壤数据发送到信号处理与收发机之中，数据在信息平台处理后再发送到现场的管理单位STM32，移动端可以到现场智能的调节平台进行完整的多功能智能的灌溉操作。

图1 智能农业灌溉系统硬件结构图

1.2 模块设计

(1)边缘计算模块

边缘分析和数据处理、灌溉条件计算、数据分析、电机工作功率确定后，自动启动电机开始工作。

(2)储水装置管理模块

蓄水管理系统主要负责灌溉雨水等，利用水的保存储蓄。

(3)农田状况监测模块

农田状况监测系统主要监测农田青菜的生长状况，判断是否需要灌溉，以及需要多少灌溉。例如土壤温湿度、农作物生长状态 、光照强度等。

(4)自动灌溉管理模块

自动灌溉管理系统主要是由监控模块传输的数据，与不同农作物的习性数据进行比较，自行判断是否需要灌溉。

(5)用户平台管理模块

用户管理平台可以方便用户管理灌溉系统，根据农户的经验自主操作灌溉，并方便监控自动灌溉作业。

(6)错误提示信息模块

故障反馈模块检测每个设备的操作状态是否出现异常，并在装置系统出现故障时通知用户并采取紧急措施。

(7)串口通信模块

无线发送和接收模块将收集的数据发送到云层备份，接收结果，然后与每个模块工作。

物联网智能灌溉系统的模块功能框架如图2 所示。

图2 物联网智能灌溉系统的模块功能框架图

1.3 软件设计

为确保参数变化能符合实际情况，实际土壤含水量IN1是通过实时监测得到的。然后针对不同的作物情况，结合大数据分析确定最佳的土壤含水量IN2；计算出在各种情况下的误差和变量后，从而编写出一个微控制器程序来管理硬件电路的所有传感器测量、数据传输和电源管理功能。该程序是使用开源的Arduino IDE 编写的，它从Arduino 项目下载并安装在个人电脑上。该程序运行开始说明包括程序模块包含与硬件设备接口的例程（库），包括蜂窝调制解调器和微控制器的内部实时时钟。这些设备初始化之后，配置了程序变量和输入/输出引脚。此外,还必须充分考虑土壤温度、湿度等关键因素,来判断是否需要启用智能农田灌溉系统。而物联网的智慧农田灌溉系统核心控制算法流程,如图3 所显示。

图3 物联网智能灌溉系统核心控制算法流程图

1.4 系统技术路线

技术路线在对农业种植进行深入调查之后，在现有的基础上，初步设计农业灌溉管理系统。系统面向大型农业种植体系，数字化管理农业种植，合理取消传统用水漫灌的方式，改为区域喷灌，提高水的利用率，大大节省了水资源。用户可以在终端端查看农田状态，远程操控灌溉农田。

例如在农田系统中种植低矮农作物，将温湿度传感器设置在低矮农作物生长环境周围，每隔五米设置一个传感器并将传感器埋入低矮农作物根部附近距离地面50cm 处，实时监测土壤的数据并进行分析；在农田周围空旷处设置两个光敏电阻传感器，来判断光照强弱来判断低矮农作物代谢状态分析是否需要补水；在农田中每隔十米布置一个喷水装置，喷水头可根据电动机工作功率的改变而改变其喷水距离的远近和水量的多少。如模型示意图4、5 所示。

图4 模型示意图

图5 模型示意图

系统中采用硅湿敏电阻作为检测土壤湿度传感器，在农田中每隔5 米设置一个传感器，通过检测不同区域土壤的湿度判断该区域的农作物是否缺水，从而对缺水的区域定点灌溉，避免水资源的浪费；在农田两端设置光照传感器，判断光的强弱，当判断光照强烈时无论土壤干燥与否，都不进行灌溉，避免因在灌溉农田时光照过强而烧死农作物。并采用两套温湿度传感器，一套置于土壤中用于检测土壤温湿度，控制灌溉程度；另一套置于地面上用于检测空气中的湿度，判断是否降雨，从而避免降雨前的灌溉造成资源的浪费。

1.5 系统功能设计

1.5.1 温室环境实时监控

土壤水分监测系统开发在本研究中部署在农业领域种植在农业部的农业研究服务，由生长季节监测水分的条件来确定灌溉的时间应用程序。在每个部署位置，土壤湿度传感器安装在四个深度；土壤表面以下1、2、3 和4 英尺（约30、60、90 和120 厘米）。木桩被推到传感器附近的土壤中，并在离土壤表面约20 厘米高的木桩上安装了一个防风雨的塑料外壳。传感器导线通过弹簧端子块被连接到监测系统电路板上，电池被连接到电路上，完成的监测电路被放置在防风雨外壳内。

1.5.2 异常报警

在数据传输成功后，该程序终止了互联网和蜂窝数据服务。微控制器的内部实时时钟被重置，并指定下一次测量时间，并使微控制器、传感器电路和蜂窝调制解调器进入低功耗睡眠模式。该电路保持在低功耗模式，直到下一次测量时间，间隔两小时，当发出内部报警时，微控制器被唤醒。设施通电，并进行重复测量和数据传输的过程。

1.5.3 远程自动化控制

提供移动客户端。采用了远程自动控制,使用者便能通过手机远程管理温室设备。该控制系统还能够自定义规则,以进行对温室设备的智能化管理,例如在土壤温度和湿度过低时,温室的农田灌溉系统便会自动浇水。

1.5.4 历史数据分析

特定时期的环境信息能够在不同的环境下实现分类、对比和检索。系统提供列表与图标两个检索方式,让使用者更直接的掌握历史数据。本系统对农作物生产信息进行了统一的数据模型,利用信息统计分析、数据挖掘等手段对信息做出合理的分类,从而更有利于农作物生长发育、合理增加粮食作物生产的指导信息。

2 面向智能灌溉的物联网应用

本研究开发的土壤水分监测系统可作为开发其他遥感或控制系统的基础。微控制，物联网程序和蜂窝屏蔽的进展是服务于各种项目的基本组件，软件库和编程也有同样的效果，如用于传输数据和低功耗睡眠模式，其程序已经编写好，可以在其他应用程序中重用。廉价、可靠和准确的传感器，设计为易于与可编程微控制器接口，并可能在农艺和环境监测、灌溉和用水等领域感兴趣。更强大的微控制器的扩展能力为传感器集成提供了更多的机会，由于更高的处理速度和增加的内存，数据收集和分析的复杂性，以及在电池供电下更长的无人值守操作时间。

3 结语

本文着重的讲述了硬件结构、模块设计、核心控制算法和技术路线，以及物联网在农耕田地节水灌溉中的功能实现。在物联网技术引用下构造的智能农耕灌溉系统，既能对农耕地的温度湿度进行具体分析，也可以在系统中的传感器将采集到的数据通过部署的物联网节点传送到本地终端设备，用户终端设备在接收到数据后进行判断处理，判断农田的所需，将所得到的结果上传到云端，农户根据云端的结果，进行灌溉操作，实现智能灌溉；能够对缺水区域定点灌溉节约水资源；对农田智能检测，保证了农作物生长对水量需求提高农作物的质量。