1 引言
水是農(nóng)業(yè)的命脈,也是整個國民經(jīng)濟(jì)和人類生活的命脈。水資源狀況和利用水平已成為評價一個國家一個地區(qū)經(jīng)濟(jì)能否持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)。我國是一個水資源相對貧乏的國家,年均降水量為630mm,低于全球陸面和亞洲陸面的降水量;年平均淡水資源總量為2.8萬億m3,人均占有水量僅2300m3,只相當(dāng)于世界人均水平的1/4,居世界第109位,是世界上人均占有水資源最貧乏的13個國家之一;耕地水資源占有量28500 m3/hm2,為世界平均數(shù)的4/5。
2 農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀及節(jié)水灌溉發(fā)展趨勢
從全國對水資源量總的需求來看,在出現(xiàn)中等干旱的情況下,全國總需水量為5500億m3左右,缺水量為250億m3左右。若考慮供水中的地下水超采和超標(biāo)準(zhǔn)污水直灌等不合理供水因素,則全國實際缺水量在300～400億m3之間。農(nóng)業(yè)是我國的用水大戶,約占全國總用水量的73%,但有效性很差,水資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重,渠灌區(qū)水的有效利用率只有40%左右,井灌區(qū)也只有60%左右,每m3水生產(chǎn)糧食不足1kg。而一些發(fā)達(dá)國家水的有效利用率可達(dá)80%以上,每m3水生產(chǎn)糧食大體都在2kg以上,其中以色列已達(dá)2.32kg。由此說明,我國各種節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的綜合應(yīng)用程度還十分低下,與發(fā)達(dá)國家相比還存在著很大的差距。
目前,比較有發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)水灌溉新技術(shù)是:一是與生物技術(shù)相結(jié)合的作物調(diào)控灌溉技術(shù)。是從作物生理角度出發(fā),在一定時期主動施加一定程度有益的虧水度,使作物經(jīng)歷有益的虧水鍛煉,改善品質(zhì),控制上部旺長,實現(xiàn)矮化密植,到達(dá)節(jié)水增產(chǎn)的目的。二是應(yīng)用3S技術(shù)的精細(xì)灌溉技術(shù)。就是運(yùn)用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和地理信息系統(tǒng)(GIS),遙感技術(shù)(RS)和計算機(jī)控制系統(tǒng),實時獲取農(nóng)用小區(qū)作物生長實際需求的信息,通過信息處理與分析,按需給作物進(jìn)行施水的技術(shù),可以最大限度提高水資源的利用率和土地的產(chǎn)業(yè)率。這是農(nóng)田灌溉學(xué)科發(fā)展的熱點和農(nóng)業(yè)新技術(shù)革命的重要內(nèi)容。 三是智能化節(jié)水灌溉裝備技術(shù)。就是把生物學(xué)、自動控制、微電子、人工智能、信息科學(xué)等高新技術(shù)集成節(jié)水灌溉機(jī)械與設(shè)備,實時地檢測土壤和作物的水分,按照作物不同的需水要求來實施變量施水,達(dá)到最優(yōu)的節(jié)水增產(chǎn)效果。
本文所設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)是將上述的三者進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合,在此基礎(chǔ)上運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),從而實現(xiàn)全自動化與信息化的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。
3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)由土壤水分傳感器、物聯(lián)網(wǎng)終端采集單元、噴灌機(jī)控制終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)系統(tǒng)組成。如圖1所示。傳感器埋入土壤中,直接獲取地表下0～100cm各個深度處的土壤水分信息,并將其轉(zhuǎn)化為0～5V模擬電壓信號。物聯(lián)網(wǎng)終端采集單元一方面用于采集傳感器的土壤水分信息,另一方面利用GPRS網(wǎng)絡(luò)模式將土壤水分信息傳遞給安裝于監(jiān)控中心的監(jiān)控計算機(jī)。在一個農(nóng)田節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)中,根據(jù)需要,物聯(lián)網(wǎng)終端采集單元可以有多個,每個采集終端可以作為一個土壤墑情固定監(jiān)測站,分布在區(qū)域內(nèi)不同的特征點處進(jìn)行土壤水分信息采集。監(jiān)控中心計算機(jī)循環(huán)接收各個采集終端發(fā)送的土壤墑情信息,監(jiān)控計算機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的農(nóng)作物需水量進(jìn)行分析、比對,從而形成最佳灌溉方案,然后由監(jiān)控計算機(jī)將灌溉命令下發(fā)到噴灌機(jī)控制終端,噴灌機(jī)控制終端直接控制噴灌機(jī)以及深井泵等設(shè)備進(jìn)行灌溉作業(yè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
4 系統(tǒng)功能特點
(1) 系統(tǒng)管理,該部分對系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)表進(jìn)行結(jié)構(gòu)定義和維護(hù);并對維持系統(tǒng)正常運(yùn)行的帳戶、權(quán)限、界面、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、文件類別和屬性等信息進(jìn)行管理和維護(hù);定義特定領(lǐng)域的知識規(guī)范。
(2) 噴灌機(jī)控制,根據(jù)土壤墑情信息,系統(tǒng)制定灌溉方案,通過GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制噴灌機(jī),實現(xiàn)全自動灌溉。
(3) 數(shù)據(jù)的查詢檢索功能,具有多種形式和途徑的查詢檢索功能,并以圖件、表格或其他形式輸出查詢結(jié)果。查詢方式包括點位查詢、空間查詢和邏輯條件組合查詢。
(4) 數(shù)據(jù)采集單元自動定位,終端數(shù)據(jù)采集根據(jù)放置地點自動將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心計算機(jī),中心計算機(jī)在操作界面上自動確定并顯示數(shù)據(jù)采集單元的布設(shè)地點。
(5) 數(shù)據(jù)分析功能,針對不同屬性進(jìn)行不同區(qū)段的分析,結(jié)果以專題圖形式提供,可供打印輸出。
5 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)
監(jiān)控中心主要由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和土壤墑情數(shù)據(jù)處理計算機(jī)構(gòu)成,具有Intemet公網(wǎng)固定IP,其功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時接收、處理和顯示。監(jiān)控中心計算機(jī)軟件采用亞控組態(tài)王作為開發(fā)平臺。通過對組態(tài)王的二次開發(fā),中心計算機(jī)可以實時采集數(shù)據(jù)并顯示,形成數(shù)據(jù)庫、報表,供灌溉預(yù)報及決策使用,依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)計算灌水時間與灌水量,將監(jiān)測與計算結(jié)果用圖表、曲線顯示或打印輸出[1]。系統(tǒng)設(shè)計將從簡潔易用的角度出發(fā),其主要操作界面如圖2所示。
6 物聯(lián)網(wǎng)采集單元的設(shè)計
物聯(lián)網(wǎng)采集單元的設(shè)計為本系統(tǒng)的終端采集單元,由于在農(nóng)田灌溉上檢測范圍比較大,數(shù)量多、布點不固定并只在農(nóng)耕季節(jié)使用等特點考慮,采集終端需要設(shè)計成可靈活移動、易于安裝的方式,其次在每一個采集終端上安裝GPS定位模塊,使發(fā)送到監(jiān)控中心計算機(jī)上的數(shù)據(jù)帶有地理位置下標(biāo),中心計算機(jī)根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)的地理位置下標(biāo)來確定采集點具體地理位置,從而實現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集。另外,由于數(shù)據(jù)采集單元放置在農(nóng)田里,采用“太陽能電池板+蓄電池”的形式為采集單元供電。
采集終端主要由MCU單元、采集單元、太陽能供電單元、通信單元、GPS定位單元等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,采集單元利用土壤濕溫度傳感器采集土壤墑情數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)嵌入式微控制器MCU(MicroControUer Unit)處理后,通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心計算機(jī)上,中心計算機(jī)收集溫濕度數(shù)據(jù),并自動顯示相關(guān)信息。土壤傳感器輸出的信號被信號調(diào)理電路處理后傳送到子系統(tǒng)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(AnMog—to—DistalConvener)。MCU定時啟動ADC,進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并取走數(shù)據(jù),然后把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過串行口傳送到GPRS模塊,并啟動該模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)被GPRS網(wǎng)絡(luò)接收后經(jīng)由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)送至Internet,最后被連接到Intemet的中心站計算機(jī)接收[2]。
采集終端的核心控制MCU是整個采集系統(tǒng)的核心,考慮到成本和處理性能的要求,嵌入式MCU選用ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗8位微處理器ATmega128作為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的處理器芯片。該芯片硬件資源豐富,具有功耗低、功能多、價格便宜和性能強(qiáng)大等優(yōu)點。在該終端中核心處理器ATmega128單片機(jī)通過COM0直接與GPRS模塊相連接,完成對GPRS模塊的初始化和基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)中的GPS模塊則通過ATmega128的COM1進(jìn)行通信。ATmega128自身帶有128K字節(jié)FLASH存儲器,下位機(jī)程序可直接通過編程器下載到片內(nèi)FLASH中。同時ATmega128再帶4K字節(jié)的EEPROM存儲器,傳感器采集數(shù)據(jù)直接存放在EEPROM中。在該設(shè)計中采用的GPRS通信模塊和GPS模塊接口均為TTL電平接口,可以直接與ATmega128單片機(jī)的串行接口進(jìn)行連接,接口電路如圖4、圖5所示:
嵌入式GPRS模塊的供電為直流5V供電,TXD、RXD為通信接口,在本設(shè)計中可直接連接至AVR單片機(jī)的串行接口上, ONLINE為在線指示接口,當(dāng)連接到網(wǎng)絡(luò)以后該端口輸出一個低電平信號,通過74ALS04進(jìn)行反向以后驅(qū)動D1發(fā)光二極管,當(dāng)發(fā)光二極管點亮以后便證明現(xiàn)在控制器已連接網(wǎng)絡(luò)。GPS模塊通過單片機(jī)的COM2口連接,如圖5所示。
在該采集終端中,土壤濕度傳感接口為0～5V模擬量接口,所以傳感器選擇昆侖海岸公司生產(chǎn)的JWSL一5VB保護(hù)型溫濕度變送器,其輸出信號為直流電壓信號,范圍為0～5V,溫度與濕度信號從各自的通道輸出,相互獨(dú)立。傳感器輸出的信號經(jīng)過線性轉(zhuǎn)換處理后輸入到ATmega128的ADC1引腳,由ATmega128內(nèi)部的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ATmega128內(nèi)部的ADC具有8個通道,每通道的分辨率為10bit,輸入電壓范圍為0～5V,能夠滿足該系統(tǒng)數(shù)據(jù)巡回采集的需要。傳感器信號調(diào)理及與ATmega128的接口電路如圖6所示。傳感器輸出的電壓信號進(jìn)入該電路之后,首先經(jīng)過低通濾波。傳感器輸出的電壓信號本身可能有不穩(wěn)定因素,加上經(jīng)過長電纜傳送,此過程中還會受到其他設(shè)備的干擾,很多中高頻噪聲疊加到信號中,所以在信號進(jìn)入處理器的ADC之前,先通過低通濾波器盡可能地把噪聲和干擾濾除。這里使用一階RC低通濾波器進(jìn)行濾波,截止頻率為15．92Hz,可以有效地衰減中高頻干擾成分,較好地反映出信號的變化。傳感器輸出信號通過濾波器后,再經(jīng)一級電壓跟隨器緩沖,由R1和R3組成的分壓電路轉(zhuǎn)換成0—4.09V的電壓信號后,再經(jīng)一級緩沖,最后送人處理器的ADC1端口(溫度信號送ADC1,濕度信號送ADC2)[2]。
7 結(jié)束語
本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)依據(jù)土壤墑情和作物需水情況制定最優(yōu)灌溉方案,對作物實行按需灌溉,最大限度的降低水資源的消耗,緩解水資源日趨緊張的矛盾,并且還為作物提供了更好的生長環(huán)境,充沛發(fā)揚(yáng)現(xiàn)有節(jié)水配備的作用,優(yōu)化調(diào)度,提高效益。
參考文獻(xiàn):
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作者簡介:趙寒濤(1974-),男,高級工程師,從事機(jī)電一體化等方面的科研工作。