1 引言
水是农业的命脉,也是整个国民经济和人类生活的命脉。水资源状况和利用水平已成为评价一个国家一个地区经济能否持续发展的重要指标。我国是一个水资源相对贫乏的国家,年均降水量为630mm,低于全球陆面和亚洲陆面的降水量;年平均淡水资源总量为2.8万亿m3,人均占有水量仅2300m3,只相当于世界人均水平的1/4,居世界第109位,是世界上人均占有水资源最贫乏的13个国家之一;耕地水资源占有量28500 m3/hm2,为世界平均数的4/5。
2 农业用水现状及节水灌溉发展趋势
从全国对水资源量总的需求来看,在出现中等干旱的情况下,全国总需水量为5500亿m3左右,缺水量为250亿m3左右。若考虑供水中的地下水超采和超标准污水直灌等不合理供水因素,则全国实际缺水量在300～400亿m3之间。农业是我国的用水大户,约占全国总用水量的73%,但有效性很差,水资源浪费十分严重,渠灌区水的有效利用率只有40%左右,井灌区也只有60%左右,每m3水生产粮食不足1kg。而一些发达国家水的有效利用率可达80%以上,每m3水生产粮食大体都在2kg以上,其中以色列已达2.32kg。由此说明,我国各种节水农业技术的综合应用程度还十分低下,与发达国家相比还存在着很大的差距。
目前,比较有发展潜力的节水灌溉新技术是:一是与生物技术相结合的作物调控灌溉技术。是从作物生理角度出发,在一定时期主动施加一定程度有益的亏水度,使作物经历有益的亏水锻炼,改善品质,控制上部旺长,实现矮化密植,到达节水增产的目的。二是应用3S技术的精细灌溉技术。就是运用全球卫星定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS),遥感技术(RS)和计算机控制系统,实时获取农用小区作物生长实际需求的信息,通过信息处理与分析,按需给作物进行施水的技术,可以最大限度提高水资源的利用率和土地的产业率。这是农田灌溉学科发展的热点和农业新技术革命的重要内容。 三是智能化节水灌溉装备技术。就是把生物学、自动控制、微电子、人工智能、信息科学等高新技术集成节水灌溉机械与设备,实时地检测土壤和作物的水分,按照作物不同的需水要求来实施变量施水,达到最优的节水增产效果。
本文所设计的基于物联网技术的农田节水灌溉系统是将上述的三者进行有机的结合,在此基础上运用物联网技术,从而实现全自动化与信息化的节水灌溉系统。
3 系统结构设计
农田节水灌溉系统由土壤水分传感器、物联网终端采集单元、喷灌机控制终端、远程监控计算机系统组成。如图1所示。传感器埋入土壤中,直接获取地表下0～100cm各个深度处的土壤水分信息,并将其转化为0～5V模拟电压信号。物联网终端采集单元一方面用于采集传感器的土壤水分信息,另一方面利用GPRS网络模式将土壤水分信息传递给安装于监控中心的监控计算机。在一个农田节水灌溉监控系统中,根据需要,物联网终端采集单元可以有多个,每个采集终端可以作为一个土壤墒情固定监测站,分布在区域内不同的特征点处进行土壤水分信息采集。监控中心计算机循环接收各个采集终端发送的土壤墒情信息,监控计算机将接收到的数据与数据库中的农作物需水量进行分析、比对,从而形成最佳灌溉方案,然后由监控计算机将灌溉命令下发到喷灌机控制终端,喷灌机控制终端直接控制喷灌机以及深井泵等设备进行灌溉作业。系统结构图如图1所示。
4 系统功能特点
(1) 系统管理,该部分对系统所有的数据表进行结构定义和维护;并对维持系统正常运行的帐户、权限、界面、系统运行参数、文件类别和属性等信息进行管理和维护;定义特定领域的知识规范。
(2) 喷灌机控制,根据土壤墒情信息,系统制定灌溉方案,通过GPRS网络远程控制喷灌机,实现全自动灌溉。
(3) 数据的查询检索功能,具有多种形式和途径的查询检索功能,并以图件、表格或其他形式输出查询结果。查询方式包括点位查询、空间查询和逻辑条件组合查询。
(4) 数据采集单元自动定位,终端数据采集根据放置地点自动将经纬度数据发送至监控中心计算机,中心计算机在操作界面上自动确定并显示数据采集单元的布设地点。
(5) 数据分析功能,针对不同属性进行不同区段的分析,结果以专题图形式提供,可供打印输出。
5 上位机软件结构
监控中心主要由网络服务器和土壤墒情数据处理计算机构成,具有Intemet公网固定IP,其功能是进行数据的实时接收、处理和显示。监控中心计算机软件采用亚控组态王作为开发平台。通过对组态王的二次开发,中心计算机可以实时采集数据并显示,形成数据库、报表,供灌溉预报及决策使用,依据监测数据计算灌水时间与灌水量,将监测与计算结果用图表、曲线显示或打印输出[1]。系统设计将从简洁易用的角度出发,其主要操作界面如图2所示。
6 物联网采集单元的设计
物联网采集单元的设计为本系统的终端采集单元,由于在农田灌溉上检测范围比较大,数量多、布点不固定并只在农耕季节使用等特点考虑,采集终端需要设计成可灵活移动、易于安装的方式,其次在每一个采集终端上安装GPS定位模块,使发送到监控中心计算机上的数据带有地理位置下标,中心计算机根据上传的数据的地理位置下标来确定采集点具体地理位置,从而实现准确的数据采集。另外,由于数据采集单元放置在农田里,采用“太阳能电池板+蓄电池”的形式为采集单元供电。
采集终端主要由MCU单元、采集单元、太阳能供电单元、通信单元、GPS定位单元等部分组成,其结构如图3所示。其中,采集单元利用土壤湿温度传感器采集土壤墒情数据,数据经嵌入式微控制器MCU(MicroControUer Unit)处理后,通过GPRS网络发送至监控中心计算机上,中心计算机收集温湿度数据,并自动显示相关信息。土壤传感器输出的信号被信号调理电路处理后传送到子系统内部的模数转换器ADC(AnMog—to—DistalConvener)。MCU定时启动ADC,进行模数转换并取走数据,然后把经过处理的数据通过串行口传送到GPRS模块,并启动该模块将数据发送到GPRS无线网络。数据被GPRS网络接收后经由网关转送至Internet,最后被连接到Intemet的中心站计算机接收[2]。
采集终端的核心控制MCU是整个采集系统的核心,考虑到成本和处理性能的要求,嵌入式MCU选用ATMEL公司生产的低功耗8位微处理器ATmega128作为数据采集子系统的处理器芯片。该芯片硬件资源丰富,具有功耗低、功能多、价格便宜和性能强大等优点。在该终端中核心处理器ATmega128单片机通过COM0直接与GPRS模块相连接,完成对GPRS模块的初始化和基于GPRS网络的数据传输功能。系统中的GPS模块则通过ATmega128的COM1进行通信。ATmega128自身带有128K字节FLASH存储器,下位机程序可直接通过编程器下载到片内FLASH中。同时ATmega128再带4K字节的EEPROM存储器,传感器采集数据直接存放在EEPROM中。在该设计中采用的GPRS通信模块和GPS模块接口均为TTL电平接口,可以直接与ATmega128单片机的串行接口进行连接,接口电路如图4、图5所示:
嵌入式GPRS模块的供电为直流5V供电,TXD、RXD为通信接口,在本设计中可直接连接至AVR单片机的串行接口上, ONLINE为在线指示接口,当连接到网络以后该端口输出一个低电平信号,通过74ALS04进行反向以后驱动D1发光二极管,当发光二极管点亮以后便证明现在控制器已连接网络。GPS模块通过单片机的COM2口连接,如图5所示。
在该采集终端中,土壤湿度传感接口为0～5V模拟量接口,所以传感器选择昆仑海岸公司生产的JWSL一5VB保护型温湿度变送器,其输出信号为直流电压信号,范围为0～5V,温度与湿度信号从各自的通道输出,相互独立。传感器输出的信号经过线性转换处理后输入到ATmega128的ADC1引脚,由ATmega128内部的ADC进行模数转换。ATmega128内部的ADC具有8个通道,每通道的分辨率为10bit,输入电压范围为0～5V,能够满足该系统数据巡回采集的需要。传感器信号调理及与ATmega128的接口电路如图6所示。传感器输出的电压信号进入该电路之后,首先经过低通滤波。传感器输出的电压信号本身可能有不稳定因素,加上经过长电缆传送,此过程中还会受到其他设备的干扰,很多中高频噪声叠加到信号中,所以在信号进入处理器的ADC之前,先通过低通滤波器尽可能地把噪声和干扰滤除。这里使用一阶RC低通滤波器进行滤波,截止频率为15．92Hz,可以有效地衰减中高频干扰成分,较好地反映出信号的变化。传感器输出信号通过滤波器后,再经一级电压跟随器缓冲,由R1和R3组成的分压电路转换成0—4.09V的电压信号后,再经一级缓冲,最后送人处理器的ADC1端口(温度信号送ADC1,湿度信号送ADC2)[2]。
7 结束语
本文设计的基于物联网技术的节水灌溉控制系统依据土壤墒情和作物需水情况制定最优灌溉方案,对作物实行按需灌溉,最大限度的降低水资源的消耗,缓解水资源日趋紧张的矛盾,并且还为作物提供了更好的生长环境,充沛发扬现有节水配备的作用,优化调度,提高效益。
参考文献:
[1]常波,基于无线传感器网络的节水灌溉智能监测系统设计[J].安徽农业科学,2010,38(27):23.
[2]黄伟峰等,森林土壤温湿度嵌入式远程实时监测系统[J].农业化研究,2009,(12):107-108.
作者简介:赵寒涛(1974-),男,高级工程师,从事机电一体化等方面的科研工作。