位山灌区智能灌溉系统研究

王爱苹

(聊城市位山灌区管理服务中心，山东 聊城 252000)

灌区是一个半人工的生态系统，它是依靠自然环境提供的光、热、土壤资源，加上人为选择的作物和安排的作物种植比例等人工调控手段而组成的一个具有很强的社会性质的开放式生态系统[1-4]。然而，目前的灌溉系统没有充分利用两种稀缺而宝贵的灌溉资源，即水和能源，因此很少有灌溉系统能够把握何时何地需要灌溉。不必要的灌溉，或在需要时延迟灌溉，能分别导致水/能源浪费和作物产量低[5-8]。因此，智能集成灌溉系统的设计十分必要。

根据目前的文献研究，学者们基于数据传输方法设计了一些先进的智能灌溉系统，如可以控制多块农田的中央智能灌溉系统。该产品在每个所需要的灌溉区域都设置一个数据采集节点，该节点连接到农田中安装的计算机，通过Internet上的TCP/IP协议进行通信。此外，还有学者提出了一种基于云智能灌溉控制系统，该系统使用无线传感器网络。环境参数由传感器收集并上传到云中进行评估。评估传感器数据后，从云端远程控制致动器网络。这些技术虽然先进，但成本难控制，技术要求高[9-10]，因此本文以聊城市位山灌区为例，基于物联网开发了一个低成本的灌溉监测系统。该系统由多个传感器组成，可以测量多种环境参数。测量的核心控制器可以处理来自传感器的数据，Arduino模型可以用作核心控制器。最后，可以通过WI-FI系统在计算机上实时查看传感器数据，同时设定算法来监控和决策灌溉需求。

1 位山灌区简介

位山灌区始建于1958年，是全国第五大灌区、黄河第二大灌区、山东省最大灌区。作为引进与配置黄河水资源的主要工程，位山灌区承担了聊城65%的耕地灌溉任务，保障了100多万城乡居民的饮水安全，已经成为聊城农业、工业、城市生态水系、居民生活用水的主要水源支撑和华北地区跨流域调水的重要基础保障。灌区于1958年10月开灌，至1961年6月共引水37.9亿 m3，浇地2 563万亩次。1962年停止引黄灌溉，1966年复灌后，1970-1985年灌区累计引水136.5亿 m3，累计灌溉面积4 077万亩，年均灌溉面积255万亩。1982-1985年，每年灌溉面积为340～380万亩。灌区地下水位保持稳定，盐碱地减少，增产效益显著。与此同时，灌区还为聊城工业、城镇居民生活及环境用水提供了大量优质水源。引黄补源，有效地缓解了地下水位下降的趋势，保障了机井的正常使用，改善了区域生态环境。向电厂供水，有力地服务了工业建设。向东昌湖、古运河、徒骇河供水，为打造“江北水城”提供了水源支持，改善了投资环境，促进了旅游业的发展。灌区自 1981 年以来还先后承担了 6 次引黄济津和 10 次引黄入卫跨流域调水任务，向天津、河北送水 52亿 m3，有力地支援了两省市的经济建设。

2 监测系统总体设计

灌溉监测系统的整体设计主要基于物联网技术，一共包含了两部分，硬件和软件。硬件部分有传感器，LCD显示传感器， arduino atmega 328 (将模拟信号值转换为数字值)、Wi-Fi模块 (建立硬件和软件之间的连接)。在软件方面，我们开发了一个基于嵌入式c语言的程序设计。第一级结构设计中，先将PCB安装在组件和传感器在上面，之后将BLYNK应用程序安装在android版本中以查看输出。当系统启动，给设计模块提供直流电流，以接通arduino和WIFI。我们对土壤的参数进行了一对一的测试，并将测试结果与hotspot一起给出了LCD显示屏上显示的准确值。当设计模块位于任何土体上，且WIFI联通，系统能在任何时间任何地点在移动终端上观察到各参数实时值变化规律，同时自动分析数据后来决策是否进行灌溉。图1为本次设计的一个由不同传感器组成的模块功能图。如图所示，模型内置ADC和Wi-Fi模块，将嵌入式设备连接到internet，传感器则连接到Arduino UNO板用于监控数据，ADC将转换相应的传感器所读取的数字值，最后带有Wi-Fi模块的ATMEGA 328实现模型。

图1 模块功能图

3 传感器设计

本次土壤环境监测的传感器包括pH传感器、湿度、温度传感器、流量传感器等。现对其性能进行简要介绍，如图2所示。

图2 水质监测的传感器

3.1 pH传感器

溶液的pH值是该溶液酸度或碱度的测量值， pH标度为对数标度，其范围为0～14，溶液性质为中性时为7。高于7的值表示碱性，低于7的值表示酸性溶液。本设计采用5V电源供电，可与arduino接口相连。pH值的正常范围为6～8.5。

3.2 湿度传感器

主要用来测量土壤相对含水量，做土壤墒情监测及农业灌溉和林业防护。土壤湿度传感器采用FDR频域反射原理。FDR(Frequency Domain Reflectometry)频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤相对含水量，FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。

3.3 温度传感器

DS18B20温度传感器的范围为-55℃～+125℃。此温度传感器是数字类型，可提供准确的读数。

3.4 流量传感器

流量传感器用于测量流经传感器的水流量，主要由一个塑料阀体、一个转子和一个霍尔传感器组成的效应传感器。当水和液体流过泵时，销轮转子旋转阀门，速度将与流量成正比。霍尔效应传感器将在转子每转一圈时提供一个电脉冲。

4 硬件设计组装

图3为Arduino Uno微控制器板。Arduino是基于ATmega328P开发的，有14个数字输入/输出，其中6个可用作PWM输出，6个模拟输入，一个16 MHz石英晶体，一个USB连接，一个电源插座，一个ICSP头和重置按钮。它包含支持微控制器所需的一切。IDE软件是Arduino的参考版本， Uno板是一系列USB Arduino板中的第一块。

图3 Arduino Uno微控制器板 图4 无线模块

图4中的无线模块ESP8266 WiFi是一个具有集成TCP/IP协议的独立SOC，可以让任何微控制器访问WiFi网络的堆栈。ESP8266是能够下载应用程序或卸载所有Wi-Fi网络功能，从而安装另一个应用程序处理器。每个ESP8266模块使用AT命令设置固件，都经过预编程处理。

图5为本次设计组装后的软件成品。

图5 设计组装后的软件成品

5 结语

本次设计的灌溉监测系统具有独特优势的GSM网络，系统可自动监测土壤中各种组分的变化情况，可根据分析的数据自动监测是否需要进行灌溉。具有成本低，无需人工干预，比传统的人工来控制灌溉的方式更经济，更方便快捷。该系统具有良好的灵活性，根据需求可随时更换相应的传感器和改变相关的软件程序。此外系统可以扩展到监测整个位山灌区的水文、空气污染、工业和环境污染等等，具有广泛的应用和推广价值。测试时将嵌入式设备保留在环境中进监测，可以实现即智能土壤环境监测，进行灌溉决策，但需要在收集数据和分析的环境中部署传感器设备，再通过网络与其他对象交互，然后收集数据分析结果，通过Wi-Fi提供给终端。