基于物联网的智能农业节水灌溉系统应用探究

2019-12-03 06:50刘娇罗凡胡梅张文
南方农业·中旬 2019年8期
关键词:土壤环境节水客户端

刘娇 罗凡 胡梅 张文

摘 要 智能节水灌溉设备依托于农业物联网,借助4G远程无线通讯技术,可将作物土壤环境数据上传至客户端,从而完成农业灌溉的智能化、现代化,在提高生产效率的同时,减少人力资源浪费。当前,智能农业小型节水灌溉系统有广阔的应用空间,合乎我国农业信息化发展战略。为了使农业生产更加便捷,可将节水灌溉系统小型化,以适应家庭用户使用,意图使其服务大众,让外出的用户不用担心家中作物枯死。因此,设计了一款结合用户终端的智能家用给水设备,对该设备的系统方案、系统软件设计、系统硬件设计进行介绍,并进行了设备测试,以促进农业信息化的普及。

关键词 物联网;4G;智能农业;节水灌溉

中图分类号:F302.1 文献标志码:B DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.23.084

科学技术的不断的发展与革新推动着农业从传统化向现代化发展。物联网的概念于1999年提出,2005年,国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,将之定义为将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。

农业智能节水灌溉系统是物联网投入现实应用的一个分支,受我国自古以来形成的农业习惯以及文化水平的限制,智能节水灌溉发展较晚。随着国家的逐渐重视以及相关政策的大力扶持,当前智能节水灌溉得到快速发展[1]。

为了使农业生产更加的便捷化,可将节水灌溉系统小型化,以适宜家庭用户使用。因此,设计了一款结合用户终端的智能家用给水设备,对该设备的系统方案、系统软件设计、系统硬件设计进行介绍,并进行了设备测试,以促进农业信息化的普及。

1 系统方案

基于物联网技术的智能家用给水设备由数据采集处理部分、控制驱动部分、人机交互部分共3部分组成,整体系统结构如图1所示。

1.1 数据采集处理部分

数据采集处理部分处于结构框图的下侧,使用5V/12V、DC/AC作为工作电源,主要由STC89C51单片机及附属模块以及多种土壤环境传感器构成,由数据采集单元(各式传感器)收集土壤环境指数并通过人机交互部分上传至客户端。

该部分主要用于采集并处理作物的土壤环境指标,如pH值、湿度、温度等。模块自带存储芯片(核心处理器通过访问芯片寄存器地址获取相关工作参数),同时包含了多个驱动接口(用于后期扩展),模块本身也支持低功耗及休眠模式(能耗低)。

1.2 控制驱动部分

控制驱动部分位于结构框图右上方,主要由继电器及下属的外部设备构成,当继电器接收到特定驱动信号(高低电平)后,继电器导通从而控制附属的外部设备完成预定工作。

1.3 人机交互部分

人机交互部分负责与客户端进行信息传输,打包所收集的数据,并以规定的格式汇聚成数据流(数据流下载链路与数据流上传链路相同,仅数据流传输方向不同),数据流通过RS-485芯片抵达客户端。客户端可实时获取数据监测节点所监测的土壤环境指数,同时为作物的合理种植提供数据基础支撑。客户端也可随时修改数据监测节点的工作参数,使得用户不在家中也不必担心作物枯死。而至关重要的数据通信模块采用当前成熟的4G技术,并嵌入TCP/IP协议栈,保证通信节点可以稳定高速运作。附属的微型摄像头可传输作物的影像,也可作为后续扩展的硬件基础;LED指示灯主要分为电源、工作、数据交换指示3类,起提示作用。

2 系统软件设计

2.1 流程图

系统软件设计流程图如图2所示。

2.2 监测软件设计

监测软件的功能框架如图3所示。

软件总体框架如图4所示,可分为4个层次,即客户端、服务层、业务层以及数据层。

1)数据层:作物土壤环境监测数据以及设备工作参数。

2)业务层:负责系统整体功能的实现,主要有农作物土壤环境指数在线监测和监测终端参数修改功能。其中监测功能主要包括监测作物所接入传感器对应的数据;监测终端参数修改功能主要是通过客户端界面操作向附属设备发送指令从而实现参数修改的工作方案[2-3]。

3)服务层:向其他层提供数据服务。

4)客户端:即手機应用程序,面向用户,体现了较好的人机交互性。

3 系统硬件设计

系统硬件框图如图5所示。实际工作场景中,每个传感器节点都可以独立运作,以传感器节点#1为例。电源模块为各部分提供工作电源,其中处理模块由STC89C51单片机和附属模块构成,负责收集并处理土壤环境监测传感器监测的数据,而后数据经过RS485传输至通信节点,最后通信节点以4G的方式将数据传输至客户端。

4 设备测试

经实际测试表明,该设备正常工作时,能够准确监测作物土壤环境指数,并精确进行给水,传送较为清晰的影像。同时,经各个部分处理后的数据流可以定时上传到客户端,为用户的日常生活提供了便利。

5 结语

该设备能准确获取作物的当前土壤环境指数,以当前土壤环境指数为参照实现工作,也可按用户预设的方案工作,准确无误地实现了作物土壤环境指数在线监测以及监测终端参数修改功能。同时,设备传输的影像数据,能在规定生存周期内上传至客户端。该设备设计合理,操作简便,符合预期设想。

参考文献:

[1] 薛岩,张建锋,李鹏宇,等.基于需水模型的精细灌溉控制系统软件设计[J].计算机工程与设计,2014,35(9):3332-3336.

[2] 邬智俊,刘美华,胡钢,等.基于物联网技术的泵站供水计量系统设计[J].江苏水利,2018(9):53-56,60.

[3] 刘嘉宇.无线传感器网络低功耗节点设计与实现[D].北京:北京交通大学,2015.

(责任编辑:赵中正)

收稿日期:2019-07-13

基金项目:四川省2019大学生创新创业训练计划项目资助(S201910640007,X2019007)。

作者简介:刘娇(1997—),女,四川三台人,本科在读,研究方向为通信工程。E-mail: njsywlx@163.com。

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