基于物联网的田园节水灌溉系统设计

王希娟

(陕西国际商贸学院 信息与工程学院， 西安 712046)



基于物联网的田园节水灌溉系统设计

王希娟

(陕西国际商贸学院 信息与工程学院， 西安 712046)

在保证灌溉需求的情况下，为最大限度的节水灌溉，对田园节水灌溉系统进行了设计。设计方案以物联网技术为基础，重点对灌溉设备、灌溉控制方法进行了研究。灌溉设备采用了雾化喷灌的方式，具有灌溉覆盖面大和灌溉用水均匀的优势。灌溉控制方法则改进了局部土壤达到缺水临界值时立即浇水的传统做法，基于改造的K近邻算法思想，同时对多块土地的土壤湿度进行统计计算，再按照计算结果判定是否灌溉。系统运行情况充分体现了该系统的智能化、低成本和有效节水等特点。

物联网； 节水； 灌溉

0 引言

随着国家对农业节水灌溉的鼓励与支持，以及近年来物联网技术的迅速发展，国内对智能化灌溉系统的研究也日益增多。文献[1]采用了RS-485总线通信的方式设计了一种按需灌溉的分布式智能系统。文献[2]采用AT89S52单片机设计了一种可以红外遥控的定时定量家庭智能浇花器。文献[3]依据模糊控制原理设计了一种基于查表方式控制浇水量的灌溉系统。文献[4]基于ZigBee技术研制了一套物联网精准灌溉控制系统，经过试验，实现了实时土壤墒情监测和控制灌溉。文献[5]设计了一种ZigBee无线通信的绿地自动灌溉控制系统，主要对协调器、无线传感器和无线控制器进行了软硬件设计。文献[6]基于ZigBee和GPRS技术开发了一种温室番茄远程智能灌溉系统，实现了无人值守、远程监控和适时适量灌溉。文献[7]采用Arduino单片机设计了一款带有传感器自动检测水位功能的家庭智能灌溉系统。文献[8]基于Arduino单片机开发了一种可以远程控制的蔬菜大棚智能灌溉系统。

我国农业灌溉虽然已引进了微灌、滴灌方式，但大多数地区仍存在着灌溉基础设施薄弱、灌溉方式粗放等问题。另外，国内研究的微灌系统主要采用红外、蓝牙和ZigBee等无线通信技术进行开发，终端控制器采用PC机实现的居多。然而，近年来迅速发展的WiFi无线通信技术在信号覆盖范围和传输速度方面则更具优势。目前国内采用WiFi技术开发的智能灌溉系统却尚少。由此可见，开发一套采用微灌形式，以物联网技术为基础，基于WiFi无线通信技术，按照合理的控制方法通过智能手机进行控制的田园节水灌溉系统，不仅可以弥补现有灌溉系统的不足，而且能够达到定时定量灌溉，有效实现节水灌溉的目的。

1 系统总体结构设计

本文研究的灌溉系统基于物联网技术和WiFi无线通信技术设计实现，采用安卓智能手机远程控制，可以实时监测田园的温度、湿度、光照度、土壤湿度等数据，以及采用微灌喷头等设备实现家庭园艺、小范围农作物的智能化节水灌溉。

本系统的无线智能网络由无线网关、智能终端控制器和WiFi无线通信三部分构成。其中，无线网关采用物联网技术实现，不仅可以接收智能终端控制器发送的指令、各类传感器监测的实时数据，而且还可以将接收的控制指令转化为对系统硬件设备的驱动。为了不增加额外的遥控器，并且便于用户携带，智能终端控制器基于Android平台实现，使用安装了WIFI无线通信功能的APP安卓智能手机作为终端控制器，用户可以在智能手机APP的界面中选择相应的按钮或者输入控制指令实现对系统的远程监控。WiFi无线通信是无线网关和智能终端控制器之间的无线信息传递的桥梁，通常采用WiFi无线模块实现。

田园灌溉应根据农作物生长习性的不同区别对待，如果单纯采用自动灌溉方式不便于用户根据季节、天气、温度等随机因素适时调整灌溉用水量，不仅不能有效灌溉，而且容易造成水资源的浪费。因此，本系统设计了自动灌溉和用户控制灌溉两种工作模式，用户操作自由度更大，系统灵活度更高。不论在哪种工作模式下，系统均可以实现数据采集、报警、信息显示和节水灌溉的功能，系统功能结构设计,如图1所示：

图1 基于物联网的田园节水灌溉系统功能结构图

(1) 数据采集功能

农作物的灌溉用水量和灌溉时机主要受土壤湿度、环境温湿度、光照度、时间、施肥情况和气候等因素的影响，因此，准确监测农作物生长的环境状况是灌溉的前提。数据采集模块主要负责对农作物生长环境的土壤湿度、环境温度、光照度进行实时监测，以及设置监测数据的阈值。

(2) 报警功能

系统自动采集的土壤湿度、环境温湿度、光照度等实时数据，并与用户设置的阈值相比较，当小于设定土壤湿度阈值且环境温湿度在允许灌溉范围内时，系统发出警示，提醒用户农作物需要浇水了。

(3) 信息显示功能

系统采集的土壤湿度、环境温湿度、光照度等实时数据可以以字符化的形式显示出来，还可以对用户需要设置的控制指令进行提示。

(4) 节水灌溉功能

当农作物满足灌溉条件时，可以在自动灌溉工作模式下自行启动灌溉装置进行灌溉，也可以在用户控制灌溉工作模式下通过用户的手机指令远程控制灌溉过程。

2 系统硬件结构设计

本系统的硬件结构主要包括智能手机、WiFi模块和无线网关相关硬件，如图2所示：

图2 系统硬件结构设计图

(1) 智能手机

Android智能手机作为本系统的智能终端控制器，用户可以发送控制指令对灌溉系统进行远程控制。除此之外，数据采集模块监测的数据也可以通过WiFi模块远程传送给智能手机实时显示。

(2) WIFI模块

本文选取的是TLN13UA60串口WiFi模块，该模块主要负责无线网关控制器与智能手机的WiFi无线通信，实现控制指令、监测数据的无线传输。特别注意的是，本系统必须在WiFi状态下进行工作，因此要求系统安装环境中必须能够无线路由上网，运行过程中不断电、断网。

(3) 无线网关相关硬件

① 控制器

控制器是无线网关中最重要的硬件，也是灌溉系统智能化的核心，通常使用单片机实现。市场的单片机种类繁多，性能、适用场合各有不同。由于本系统的应用范围和安装成本有限，因此，本系统选取了开源的Arduino单片机作为无线网关控制器。

Arduino单片机是AVR系列的单片机，具有使用灵活、性能强大、开发门槛低和价格便宜等优点。Arduino单片机的型号较多，主要包括有Duemilanove系列、Nano系列、Leonardo系列、Mini 系列和Uno系列五种。经过对比，Arduino Uno系列单片机下载程序的速度更快、更稳定，并且能够提供两种供电方式，因此，本系统采用了Arduino UNO R3单片机进行开发。

由于系统需要WiFi通信，但直接在Arduino UNO R3单片机上添加WiFi模块或其他功能模块需要进行焊接。因此，为了避免焊接的麻烦，本文采用了ARDUINO XBEE V5.0传感器扩展板，可以实现WiFi模块或其他功能模块的直接插拔操作。

② 数据采集模块

基于影响农作物灌溉量的因素较多，本系统选取了主要的几个性能指标进行数据采集和监测，包括土壤湿度、空气温度、空气湿度、光照度。市场上的传感器类型众多，根据本文需求选取了土壤湿度传感器、空气温湿度传感器、光照度传感器和用于设置阈值的电位器等硬件材料进行数据采集，具体内容如下：

土壤湿度传感器

土壤湿度是灌溉的关键因素，通常采用土壤湿度传感器进行测量。土壤湿度传感器可以通过探头电流感应土壤阻力大小，并以此来衡量土壤的水分情况。本文采用的是模拟输出的Funduino土壤湿度传感器，供电电压为3.3V或5V。根据田园的面积大小，可以划分为多个区域，每个区域划分为若干块，每块田地里布设1个土壤湿度传感器进行土壤湿度监测。

空气温湿度传感器

除了土壤湿度因素以外，灌溉的条件里还包括空气的温度和湿度情况。例如，夏季不宜在中午温度较高的情况下给农作物浇水，在水分蒸发较快的季节可以在下午3～4点酌情补水。因此，本文采用了将温度和湿度合二为一监测的微雪DHT11温湿度模块作为空气温湿度传感器。该模块是已校准的数字温湿度传感器，用于检测环境温湿度，采用标准单总线接口，工作电压为3.3V～5.5V，监测的温度分辨率为1℃，精度为±2℃，检测范围是0～50℃；监测的湿度分辨率为1%RH，精度在0～50℃时为±5%RH，检测范围在25℃时为20%RH～90%RH。监测时，可根据情况在不同区域的每块田地中布设1个空气温湿度传感器。

光照度传感器

光照强度与农作物的光合作用有着密不可分的关联，通过监测光照强度可以根据需要人为进行补光(例如大棚农作物)。本文采用了数字光强度检测模块GY-30作为光照度传感器，该模块采用ROHM原装BH1750FVI芯片，可对广泛的亮度进行1lx的高精度测定，直接数字输出，省略复杂的计算，光照度范围为0-65535lx，供电电源为3～5V，但需要用户自行焊接排针。同样，监测时可在不同区域的每块田地中布设1个光照度传感器。

电位器

在不同的季节农作物的灌溉量和灌溉时间有所区别，因此，灌溉各参数的阈值也应有所变化，为了便于用户根据需要调节灌溉各参数的阈值，可以使用电位器来实现。电位器是经过对电压和电流大小的调节，实现分压、电流控制和变阻的功能。这里将电位器用作变阻器，即通过调节电位器的阻值，实现对灌溉各参数阈值的调节。本文采用的电位器是YwRobot制造的旋转电位器，旋转角度可达到270°，工作电压为3.3V或5V，阻值为20K。

③ 报警模块

当土壤湿度统计值低于平均土壤湿度值且符合灌溉其他参数要求时，首先向用户发出警示。本文采用了LED指示灯和无源蜂鸣器进行报警，其中红色和绿色LED指示灯各1个(绿色表示测量参数正常，红色表示测量参数异常)、无源蜂鸣器1个。

④ 信息显示模块

为了让用户更加清楚的了解当前各项参数情况，本文通过一定的算法，将每块田地布设的多个传感器监测的数据进行计算后，通过信息显示模块显示出来。以一个区域为例，本文采用了3个LCD1602 IIC液晶屏，分别显示该区域中经过计算的土壤湿度统计值、空气温湿度统计值和光照度统计值。

⑤ 节水灌溉模块

节水灌溉模块是本系统的关键功能模块，用于实现抽水、浇水和节水的功能，以一个区域为例，该模块采用的硬件包括12V电磁阀1个、锁扣三通5个、微灌喷头5个、堵头1个、水管(10米主管1个、细管5个)、水龙头转接口1个，各硬件连接结构，如图3所示。

图3 节水灌溉模块结构示意图

从图3中可以看出，采用电磁阀抽水可以将电磁阀的入水口通过水龙头转接口与水龙头直接相连，避免了采用潜水泵抽水时还需要添加一个蓄水池的麻烦。电磁阀的出水口连接了灌溉的主管道(本文为10米)，在主管道上根据灌溉区域的不同，分别安装若干个锁扣三通(本文采用5个)。锁扣三通有3个连接口，其中一个入水口，连接主管；另外两个为出水口，一个出水口连接输出端的主管，另一个出水口连接细管，其主要作用则是将主管道的水引入需要该区域对应的细管中进行灌溉。在每个细管的末端安装有微灌喷头，本文采用的是单出口雾化喷头，作用是将细管中的水源雾化后喷洒在相应的灌溉区域中，可以实现均匀灌溉和节水灌溉。在主管中布设了若干个锁扣三通之后，使用一个堵头作为主管的末端。

除此之外，无线网关控制器实现对灌溉模块的控制，一般可以采用继电器完成。因此，本文采用了1个四路继电器实现对电磁阀的开关控制。由于本文采用的是12V电磁阀，还需要添加1个升压模块进行升压。

当田园的面积较大时，可以对划分的每个区域布设一个图3所示的节水灌溉功能模块，即可以实现大面积田园的按需求、分区域节水灌溉。

⑥ 电源模块

本系统电源模块包含两个电源，其中一个电源用于长期供电，主要连接Arduino单片机、四路继电器、LCD1602 IIC液晶屏和升压模块；另一个电源平时关闭，可以根据需要进行供电，主要连接土壤湿度传感器和温度传感器。

3 系统软件设计

如果说硬件构成了系统的骨架，那么软件就是驱动系统骨架运转的动力。根据实际需求，本文设计了自动灌溉和用户控制灌溉两种工作模式。系统启动后，用户可以发送手机指令选择系统的运行模式。

在自动灌溉工作模式下，各类传感器实时监测各项参数数据，并将这些数据返回给用户手机和显示模块显示，当需要灌溉且满足灌溉条件时，首先开始自动报警，然后无线网关控制器自动控制继电器的开关，实现对电磁阀的驱动，从而完成自动抽水灌溉。在灌溉过程中，用户具有灌溉过程的终止权利，即用户可以通过发送手机指令随时停止灌溉。

在用户控制灌溉工作模式下，用户的控制权更大，各类传感器实时监测各项参数数据，并将这些数据返回给用户手机和显示模块显示，当需要灌溉且满足灌溉条件时自动报警，并提示用户下一步操作的指令，用户可以选择相应指令实现是否灌溉。如果进入灌溉状态，无线网关控制器自动控制继电器的开关，实现对电磁阀的驱动，从而完成自动抽水灌溉，用户也可以随时发送指令终止该过程。

(1) 控制指令设计

根据工作模式的不同，本文设计的控制指令如表1所示。

表1 控制指令说明表

(2) 算法介绍

本文系统软件的设计思想源于K近邻算法，并根据系统功能的需要进行了算法改进。以一个灌溉区域为例，将该区域划分为n块。系统进入工作状态后，各传感器就开始进行实时监测。当所有土壤湿度传感器监测的土壤湿度值均小于电位器设置的参考阈值时，系统处于安全监测阶段，需要完成的工作仅为平均T分钟返回一次监测数据，不报警、不灌溉。

第1个土壤湿度传感器的监测数据低于参考阈值，直到第floor()个土壤湿度传感器的监测数据低于参考阈值，系统进入紧急监测阶段，监测数据时间为平均分钟返回一次，不报警、不灌溉。

当第floor()个土壤湿度传感器的监测数据低于参考阈值时，系统进入参数统计计算阶段，按照下述方法进行计算：

首先，选取当时土壤湿度值最低的相应土壤湿度传感器作为传感器网络的观测节点，计算时赋予该节点最大的权值。其次，计算K的数值，本文K=floor(0.6n)。之后，基于与观测节点欧式距离越近、权值越大的思想，分别对K个距离观测节点最近的传感器节点当前监测值赋予相应的权值。接着，对选择的K+1个土壤湿度传感器节点监测数据计算加权平均值(即土壤湿度统计值)，并将该值与n个土壤湿度传感器节点当前监测的土壤湿度平均值比较大小，当其小于土壤湿度平均值时，系统进入浇水灌溉准备阶段。

系统进入浇水灌溉准备阶段时，对环境的温湿度、光照强度进行比对，其中本文的环境温湿度、光照强度均采用平均值的方法进行计算。当满足了环境温湿度、光照强度的条件时，系统进入报警、抽水灌溉阶段。

系统进入报警、抽水灌溉阶段时，无线网关控制器控制报警模块报警，以及控制节水灌溉模块工作。

(3) 系统程序流程图

以自动灌溉工作模式为例，系统程序流程图如图4所示：

图4 自动灌溉模式程序流程图

用户控制灌溉工作模式的程序流程与自动灌溉工作模式类似，不同点在于灌溉过程用户可以发送指令进行过程控制，在此就不赘述了。

4 系统性能分析

经过实验，本系统运行正常，各项参数能够实时监测并反馈到用户的智能手机上显示，并可以显示各项参数的统计值在显示模块中，能够根据土壤湿度、环境温度和光照度的实时监测情况智能的进行一个田园区域的节水灌溉。通过分析，此系统可以利用智能化的控制方法和有效的灌溉方式节省田园的灌溉用水，是一种低成本的节水灌溉系统。

5 总结

本文研究以实际需求为目标，采用目前流行的物联网相关技术，以低成本的方式解决田园灌溉水资源缺乏的问题，符合我国当期的国情需要。该成果的研究为节水灌溉系统提供了一种新的控制方法思想，具有良好的经济效益和推广价值。

[1] 赵燕东，章军富，尹伟伦，等．按植物需求精准节水灌溉自动调控系统的研究[J]．节水灌溉：2009(0l)：11-24．

[2] 张兆鹏．基于AT89S52的家庭智能浇花器的设计[J]．电子设计工程：2011，19(5)：39-41.

[3] 赵丽，张春林. 基于单片机的智能浇花系统设计与实现[J].长春大学学报：2012，22(6)：650-651.

[4] 胡培金.基于“物联网”架构的精准灌溉控制系统研究[D].北京：北京林业大学，2011.

[5] 李晓丽.基于ZigBee技术的绿地自动灌溉控制系统的研究与实现[D].杭州：浙江大学，2011.

[6] 陈辉.基于ZigBee与GPRS的温室番茄远程智能灌溉系统的研究与实现[D].杭州：浙江大学，2013.

[7] 杨志芹.基于Arduino单片机的智能灌溉系统设计与应用[J].机电工程技术：2016,45(11):80-83.

[8] 韩永佳.基于Arduino的蔬菜大棚智能灌溉控制系统设计[J].山西水利科技：2016(11)：82-85.

Design of Rural Water-saving Irrigation System Based on Internet of Things

Wang Xijuan

(College of Information and Engineering, Shanxi Institute of International Trade &Commerce, Xi’an 712046, China)

In order to guarantee irrigation demand, a rural water-saving irrigation system has been designed for maximum water-saving irrigation, it provides a set of solutions. The design scheme technology is focusing on irrigation equipment and irrigation control method, and is based on the Internet of Things. The irrigation equipment is adopted the way of the atomized spray irrigation, and has the advantage of coverage for irrigation and irrigation uniformity. The Irrigation control method based on the modified KNN algorithm ideas also improves the traditional practices on which the local soil is watered immediately when reaching to the critical value. The method computes the soil moisture at the same time for more land, and then determines whether irrigation is carried out according to the calculation results. Its operation performance fully embodies the intelligent, low cost and effective water saving.

Internet of Things; Water saving; Irrigation

2016年陕西国际商贸学院科研项目(SMXY201636)

王希娟(1983-)，女，西安人，硕士，讲师,高级工程师，研究方向：物联网、智能控制。

1007-757X(2017)07-0018-05

TP311

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2017.03.08)