基于电信云平台的智能灌溉一体化系统

胡浩博，马惠铖，王海军，白海涛

（延安大学西安创新学院，陕西 西安 710100）

0 引 言

我国作为农业大国，农业灌溉所需水资源量大，现有农业灌溉大多数还是以传统灌溉为主，灌溉过程没有科学的管理，导致水资源及人力成本消耗严重。因此，节约水资源、科学管理、降低人力成本是我国从农业大国走向农业强国的主要途径之一[1-2]。为此，本文基于中国电信物联网开放平台设计了一套智能灌溉一体化系统，以实现农业灌溉与物联网云端的互联以及农田灌溉自动化、灌溉数据可视化，进而节约水资源和人力成本。

1 系统整体设计

智能灌溉一体化系统是关于农业灌溉自动化的控制系统，主要由六部分构成，分别是底层传感器、微控制器Arduino UNO、被控部分、Air724UG 4G LTE模块、显示屏OLED、CTWing云平台。该设计基于CTWing平台，对灌溉环境的空气温湿度、光照强度、土壤湿度三项信息进行综合对比，进而实时执行智能灌溉。系统方案设计框架如图1所示。

图1 系统方案设计框架

2 系统硬件设计

2.1 传感器模块设计

传感器模块包括DHT11数字温湿度传感器、土壤湿度传感器和光敏传感器。由于农作物在灌溉过程中易受其他环境影响，DHT11温湿度传感器具有良好的稳定性，能够满足检测灌溉环境外部温湿度的要求[3-5]。

土壤湿度传感器作为感知灌溉环境土壤的主要元件，其表面采用镀镍处理，感应面积进行加宽处理，进一步提升传感器的导电性能，解决了土壤接触部分易生锈问题，使得传感器使用周期加长。用土壤湿度传感器感知农作物生长所处土壤的相对含水量，即土壤水分占种植地总体水分的比例。在大面积种植作物时，每一处土壤所含水分含量有所差异，当土壤水分过低、过高时，土壤传感器会实时感知农作物生长土壤湿度环境，并将感知数据发送至CTWing云平台，CTWing平台的数据可视化功能会呈现农作物生长所需水分状况，反映出农作物的产量是否会因此受到影响[6]。

光敏传感器是灌溉环境的光照强度感知元件。由于夏季光照强度对农作物生长的影响较大。夏季灌溉水分蒸发量大，水资源浪费严重；光照过强、温度过高时，直接灌溉会对作物产生一定伤害，影响作物生长，故需要在一定光照范围内减少水资源蒸发。控制系统在合理时间进行灌溉，能够降低对作物生长的伤害。

2.2 微控制器模块

Arduino单片机具有丰富的I/O口，进行I/O口的拓展比较容易，能够用于大多数传感器感知数据的处理，对采集的数据能够进行有效控制。选择Arduino单片机作为本灌溉系统的MCU，能够满足系统的需求。此MCU具有良好的控制功能以及灵活的输入输出口，故更适合作为灌溉系统的MCU。

2.3 Air724UG 4G LTE通信模块

选用Air724UG 4G LTE模块作为系统的通信模块，其具有低功耗、信号稳定性好等优点，避免灌溉场所WiFi不稳定或无WiFi信号的状况，使用范围广泛；还具有基站定位等功能，支持二次开发，为底层感知数据上传云端提供了良好的保障。可连接大多数灌溉系统，形成国内新一代的智能灌溉网，进一步减少人力、物力的投入。

2.4 系统被控模块

本系统的灌溉控制方式分为底层继电器控制和云端下发指令自动控制两种。底层继电器控制是通过底层传感器感知灌溉环境，将数据发送给单片机，单片机经过程序判断，综合传感器感知数据，下发指令给继电器，进行灌溉工作。云端下发指令自动控制是通过将底层传感器感知的数据上传至云端，云端形成数据可视化界面，通过CTWing平台上的MQTT消息订阅功能进行指令下发。当灌溉环境的阈值低于农作物的生长条件时，云端会自动下发指令给单片机，单片机接收到命令后作出响应，开启继电器，进行灌溉工作；当灌溉环境的阈值达到农作物的生长条件时，继电器关闭，系统停止工作，完成智能节水灌溉工作。

2.5 系统显示模块

系统显示模块采用OLED显示屏，显示底层所感知的灌溉环境温湿度、土壤湿度、光照强度等数据。OLED显示屏幕具有可视角度大、功耗低、操作简单方便、功能丰富等优点，能够实时显示数据、图形等，故选择其作为灌溉系统的显示模块。

2.6 CTWing云平台

首先，打开中国电信物联网开放平台，进入AEP控制台；根据平台开发向导进行操作，将开发平台注册好后创建产品，填写所有产品信息后即可完成创建。CTWing平台具有多种通信协议，系统采用MQTT通信方式、中国电信物联网卡4G移动蜂窝数据的网络类型等完成与平台的连接，能够有效提升物联网在农业领域的应用能力[7-8]。然后，将底层设备接入云端，通过CTWing平台提供的API文档进行开发，并在平台上开启相关消息通知与订阅管理等功能，开发完成后在CTWing平台上发布应用。

3 系统软件设计

系统能够实时监测灌溉环境温湿度、土壤湿度、光照强度，并判断所采集的环境数据是否符合农作物生长条件、各项数据是否在农作物生长阈值范围内；通过单片机进行指令下发，继电器响应，判断是否进行灌溉工作。这种自动化设计能够达到节水灌溉、科学灌溉的目的。图2为灌溉系统的总体流程。

图2 灌溉系统的总体流程

启动DHT11温湿度传感器、土壤湿度传感器、光敏传感器，再对OLED显示屏进行初始化，测量灌溉环境温湿度、土壤湿度以及光照强度，把采集到的感知数据发送至OLED显示屏显示，并上传至CTWing云平台；系统根据农作物生长所需温湿度阈值下发指令，并在CTWing云平台以可视化方式告知管理员农作物灌溉状况以及作出响应保证灌溉系统正常工作。

4 系统测试

将硬件底层系统放置实验环境，系统通电，上电后OLED显示屏将传感器感知的数据实时显示在屏幕上。图3为系统运行数据显示。

图3 系统运行数据显示

当系统上电后，CTWing云平台中的智能灌溉一体化系统即刻显示“在线”状态，并根据系统订阅管理对系统消息进行跟踪。图4为系统订阅管理界面。

图4 系统订阅管理界面

5 结 语

智能灌溉一体化系统是以Arduino UNO为底层核心，利用Air724UG 4G LTE通信模块，基于CTWing平台、传感器技术设计出的一套智能灌溉一体化系统。通过底层传感器采集数据，并在OLED显示屏上显示，同时上传至CTWing云平台，将可视化的数据远程告知管理员，达到自动灌溉的效果。系统利用传感器感知以及MCU控制，从数据感知到数据上云全程自动，可以有效监控灌溉环境温湿度、土壤湿度、光照强度。经过测试，系统能够自动智能处理农作物灌溉，实现农作物灌溉的自动化[9-10]。通过将物联网技术应用于农业生产中，进一步解决农作物灌溉水资源利用率低下、人力资源消耗严重的问题。本系统具有一定的实用价值，符合当下对中西部地区农作物灌溉的可行性、实用性等要求。