基于物联网技术的农业智能灌溉系统应用

吴泰文　姚云飞　孙歆钰

基于物联网技术的农业智能灌溉系统应用

吴泰文姚云飞孙歆钰

（荆楚理工工学院湖北荆门448000）

文章针对目前农业生产及灌溉过程中存在的问题，分析了物联网技术融合人工智能技术与农作物栽培、灌溉过程，探究了农业环境中的温度、湿度、土壤水分、土壤养分、光照强度、二氧化碳浓度、土水势、叶水势等数据，形成灌溉要求，以实现自动化灌溉应用。

物联网；农业；智能灌溉

与根据资料显示，我国现有的人均耕地面积远远低于世界平均水平，仅为其40 %；同时数据显示我国人均水资源占有量，也只是世界平均水平的28 %。与现代化绿色农业发展息息相关的灌溉用水远远不能满足我国14 亿人口农产品供给的发展要求。因此，农业生产必须变原有的大水漫灌，为现代化的精细滴管，只有这样才能最大限度地利用好农业用水资源，产生最大效益。

目前，已经进入万物互联的时代，物联网技术的发展，也为农业精细灌溉提供了可借鉴的技术方法。文章所述系统由物联网边缘传感器、数据采集系统、自适应喷灌系统与控制中心组成，其设计遵循农业生产规程的有关规定执行。

1 系统原理

通过研究不同农作物生长过程中，受哪些环境因素影响，确定需要物联网边缘传感器的类型，根据植物特点确定传感器封装形式。通过单片机技术、光谱采集分析技术、虚拟仿真、数据融合等传感器技术，开发土壤密度、水浸情况，叶片含水量等快速传感设备；通过现有商用传感器，并做出适应性改造，开展温度、糖度、pH值等多参数传感器进行相应传感器和多参数传感器小型化集成。采集器能够采用太阳能供电，并且能保证阴雨天气可以连续正常工作至少5 天；确保所采集的数据能够准确、高效地回传平台，通过数据能够对调控设备进行策略控制，实现自动化。

各类智能检测采集设备，需要统一数据接口，同时根据不同传感器监测所得数据特点，规划合适的数据格式定义，从而为所有数据的准确传输和高效利用创造条件。

数据反馈后，需要在处理中心根据气象数据、光照数据、风力数据等，对所有数据进行统一分析，并根据分析结果，提出农作物灌溉需求，并将其形成量化数据，驱动农作物灌溉机构，进行精确滴灌作业，同时将各类数据进行存储。

为了保障数据的实时传输，可以通过4G/5G/LORAWAN/NB-IOT等多种有线或无线网络搭建物联网传输网络和灌溉设施驱动网络进行传输，以实时性、可靠性为约束条件，确保网络拓扑形式的安全可靠，无缝连接，最终形成稳定的智能化灌溉系统拓扑形式。提高农业种植全过程监测预警、防灾减灾、优化调控等过程中的精准监测与决策管理水平。

2 系统组成

该应用系统设计由农作物种植区各类边缘传感器、数据中继监控采集分站、数据处理中心、自适应智能化灌溉分系统、数据及电力传输网络组成。

其中，农作物种植区各类边缘传感器包括以下两类：一是环境因素高精度数据采集设备，主要包含田间环境中的温度、湿度、土壤水分、土壤养分、光照强度、二氧化碳浓度、土壤含水量等数据采集传感器，二是农作物生长监控高精度数据采集设备，主要包含叶片含水量、温度、pH值等传感器。各类传感器数据，经A/D采样后由单片机存储管理。传感器采用心跳定时输出、无线（有线）发送方式。其核心电路是模数转换、单片机和2.4G发射模块。传感器供电由电池供电和太阳能供电，两种方式，确保相关设备可以不间断地工作。

数据中继监控采集分站主要负责整合分散的边缘传感器信息，特别是通过无线Mesh网络完成各个离散传感器信息的汇集，同时，装备微型气象站功能，负责对现场光照、降水、风力信息进行采集，之后完成所有数据打包，通过有线网络回传数据中心。

数据处理中心主要对回传来的数据进行解包分析，同时实时显示各个传感器及数据中继监控分站的信息，供农业技术负责人员进行人工研判或自动形成反馈数据。

自适应智能化灌溉分系统根据数据处理中心所下发的数据，控制水泵从水源处抽水，并将水泵如各类不同的灌溉管路，完成精细化灌溉作业。

数据及电力传输网络是整个农业智能灌溉系统的神经网络，需要根据不同农业种植环境，完成有线及无线布线，确保网络拓扑形式稳定可靠，实现数据的不间断传输与灌溉分系统的稳定供电。

2.1 MC9 S08 GT60 单片机介绍

MC9S08 GT60 单片机是飞思卡尔公司的高性能、低成本的八位单片机，它作为该项目中各类边缘传感器的数据采集与暂存的核心芯片，完成前端的数据处理工作。此单片机可以快速执行开发与调试指令，兼容M68 HC08 系列调试指令。可以通过背景调试控制器，完成针对不同传感器数据的采集编程功能设计。该型单片机支持在线编程Flash存储，内嵌8通道10 bit模数转换核，串行接口模块和I2C总线传输，可以实现各项种植环境及农作物数据处理需求。

2.2 MC13192 ZigBee芯片介绍

MC13192 ZigBee芯片同为飞思卡尔公司生产的芯片，全面支持IEEE802.15.5协议标准的低功耗、短距离数据传输，可以灵活构建Star型或Mesh型网络。共有16 个通信通道，最大发射功率3.6dBm。内置发射、接收RAM，每个5 MHz带宽都采用OQPSK传输，传输速率可达250 kbps ,支持三种工作模式。最低接收电平可达- 92 dBm。

2.3 MC13192 与MC9S08 GT60 连接

MC13192 与MC9S08 GT60 通过SPI技术建立连接，MC13192 同时为MC9S08 GT60 提供时钟。PTB口作为MC9S08 GT60 外部器件接口，模拟串口位于引脚PTB6、PTB7端口，通过接口芯片驱动外部显示二极管或其他显示单元，引脚PTB3 作为各种农作物种植环境或植物附加边缘传感器的模拟输入端，通过程序设定进行A/D转换。同时将转换后的结果送MC13192 调制发射。

3 主要传感器端与控制工作原理

3.1 各类边缘传感器的工作

田间各类传感器和农作物传感器，首先需要将个传感器检测所得的模拟量通过A/D转换，然后将数字量编码，最后通过ZigBee技术发送。MCU中内置了10 位A/D转换器，对2 V电压的检测精度可以达到/210 =0.009 V，完全可以满足检测需要。同时，通过ZigBee平台以2.4 GHzOQPSK方式，将检测所得数值变为10 位数据并加入地址码，进行发射。单片机还可将土壤湿度、环境温度等所监测到的数据，通过传感器平台本身的显示模块进行显示，可以让巡查人员实时获取相关农作物数据。

3.2 数据中继监控采集分站

数据中继监控采集分站需要首先根据传输频率不同对各个边缘传感器数据分时接收。再根据所得到的数据进行相应判断，并按照所接收到的不同类型数据，实时将数据通过MCU打包，再通过MCURS232 串行接口传输数据，并通过串口RJ45 转换器经以太网络传输至中央监控主机。

3.3 数据处理中心

数据处理中心通过网络，将分布于不同农作物种植园区的中继监控分站的数据进行汇总，同时根据各个监控分站的数据进行汇总分析，并根据农作物灌溉要求，反馈给前端灌溉网络，做出相应的精细化灌溉。同时，将所有数据汇总记录在数据库中，便于监测分析。如出现有悖于常规的数据阈值，则发出告警提示，以确保农作物种植的智能化管理。

3.4 自适应智能化灌溉分系统

该系统根据数据处理中心所发布的控制指令，控制精密变频器、抽水泵机、喷淋电磁阀、节水喷淋头，对不同农作物模拟人工进行滴灌、根灌、喷灌，最大限度地节约灌溉用水，同时也防止根系腐烂等现象出现。

4 小结

文章采用物联网边缘传感器技术、智能化自适应灌溉网络、农作物生长数据智能分析、有线无线网络传输，组合构建了一套农业生产智能化灌溉系统，解决现代农业生产中灌溉的精细化问题。该系统成本低廉、可靠性高，特别适合于中西部缺水地区的农业生产。

[1]张兴超.智能灌溉远程监控系统设计[J].中国科技信息,2019(24):58-59.

[2]谢福来.基于物联网的智能灌溉管理系统设计[D].西安:西安工程大学,2019.

吴泰文（1998- ），男，湖北黄冈人，本科在读，研究方向：计算机信息技术。

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.02.27

S274.2

A

2095-1205(2020)02-42-02