基于光电子信息处理的智能灌溉监控系统研究

徐静玮

摘 要 为节约水资源和提高农田水利灌溉效率，开展了基于大数据的节水智能灌溉系统研究。本文研究了采用传感器、物联网技术实现田间信息的实时采集和传输;采用嵌入式技术实现灌溉执行装置的控制;采用大数据、GPRS、移动互联网技术实现智能灌溉决策和监控。该系统的研究与应用，能够降低灌溉工作量，提供更加科学的灌溉决策。

关键词 智能灌溉;光电子信息处理;系统

引言

目前，我国仍然有很多的地区采用人工控制灌水阀进行漫灌，一方面土地湿度与农作物不匹配，另一方面一旦忘记关阀门，将会造成经济损失和水资源的极大浪费。因此，可以依托发展的计算机和信息技术，将传统的灌溉方式转变为智能灌溉控制方式。智能灌溉监控系统结合了计算机技术、信息技术、无线传感网络技术等，采用多个传感器节点监测灌溉用水量，自动开启和关闭阀门，实现智能节水灌溉。通过远程监控系统对农田灌溉区域进行实时监控，根据监控结果实时调节水量，既能保证农田的灌溉效率，提高水资源利用率，进而提高农作物产量，而且还能降低灌溉成本[1]。因此，研究智能灌溉监控系统具有重要意义。

1智能灌溉系统总体方案设计

智能灌溉系统是一种基于物联网并结合自动控制技术、数据分析处理技术、通信技术和计算机技术而形成的新型高科技灌溉系统形式。系统应具有较强的实时性、高效性和实用性等特点，能够提高农业灌溉的效率、减少水资源的浪费。系统主要由远程监控中心和无线传感网络两部分组成，利用了物联网的感知层、网络层和应用层等三层网络架构进行设计。感知层采用温湿度传感器与微型ZigBee智能化传感节点获取农田灌溉过程中所需原始数据信息，为保证智能灌溉精准度，提供科学、有效的基础[2]。以局域网、广域网和互联网为基础建立的网络层是一种无线数据传输通道，主要用于实现感知层与应用层之间的数据传输功能。采用无线数据传输的网络通信形式同时也可避免农田、果林等不同农业种植环境下有线网络布线带来的各种问题。应用层可利用控制算法高效处理网络层传送来的大量农田环境数据信息，并做出合理的灌溉策略，控制电磁阀、水泵执行相应动作，实现智能化灌溉与远程监控管理。

2基于光电子信息处理的智能灌溉监控技术

2.1 基于智能监控终端的多路信号采集与控制

智能监控终端实现传感器和后台监控系统之间的高精度数据采集、隔离转换、监控与传输。通过软件配置，智能监控终端可接入多种传感器类型，包括电流输出型、电压输出型等等。智能监控终端设置多路信号采集和控制，实现与现场设施的连接。终端内部包括电源隔离、信号隔离、线性化、A/D转换和RS-485、RS-232串行通信等模块。通讯方式采用ASCII码字符通信协议。在智能监控终端内，所有用户设定的校准值、地址、波特率、数据格式、校验和状态等配置信息都储存在非易失性存储器EEPROM里。信号输入/输出之间隔离。可承受3000VDC隔离电压，抗干扰能力强，可靠性高。工作温度范围在-45℃～+80℃。

2.2 监控管理系统

监控管理系统是实现平台与操作人员间的人机交互功能，系统能够对平台接收到的田间土壤含水率、土壤温度、灌溉时田间水位、灌溉流量、田间气候等信息以及水泵启停、电磁阀开关、闸门开度等工况状态信息进行展示、查询和统计，便于业务人员远程及时掌握田间信息，管理人员还能够查询和审核平台自动生成的灌溉决策指令。平台同时具有智能灌溉决策、自动灌溉（定时定量灌溉）、人工灌溉三种操作模式，可根据实际需要选择其中一种模式进行灌溉操作。其中，智能灌溉决策模式完全由决策平台做出灌溉决策和灌溉控制，不需要人工干预;自动灌溉模式由管理人员设定好灌溉时间和灌溉水量后，由平台自动灌溉;人工灌溉模式完全由人员通过平台远程控制灌溉。

2.3 網络通信系统

智能灌溉系统可靠性的关键环节在于前置机通信系统。前置机通信系统一方面负责与现场智能终端通信，实现数据采集和命令下发，另一方面要与后台监控系统连接，实现数据的存储和参数取出。与现场智能终端的通信需要制定一套数据链路层通信协议，并且要实现多种通信方式和通信设备（协议）的动态兼容。与后台监控系统的通信需要制定一套应用层通信协议。网络通信的上行数据包括：土壤温度、湿度、氮磷钾等养分含量、空气温度、湿度、电磁阀及各控制器的工作状态等信息。下行数据是指由监控平台向各控制终端发出的各种控制指令，包括指定电磁阀的开关指令、各终端的状态查询指令以及对各终端参数的下发等。

2.4 灌溉决策分析

决策分析平台通过现场感知的田间数据及生态大数据进行灌溉决策，并控制水泵、变频器、田间电磁阀、喷枪等设备，执行灌溉决策。利用实时监测到的田间多深度土壤水分及连续变化情况、地表及地下土壤温度、作物活跃吸水根系位置及分布情况、气象数据等，并与未来的降雨预测数据、农作物耗水规律数据、土壤水特征数据进行关联分析，根据作物生长信息，自动分析根系活跃吸水位置及分布比例;智能识别作物缺水胁迫、田间持水量、饱和含水量;智能计算土壤有效储水量、土壤蓄水潜力、土壤水渗透速率;智能预测未来的降雨量、作物需水量等信息，智慧做出一次灌溉延续时间、灌溉量、灌溉周期等决策。

3结束语

我国农业的快速发展造成了农业灌溉的用水量不断增加，传统灌溉方式已不能满足当前智慧农业的需求。为解决这一矛盾，本文将农业物联网技术应用于农田灌溉，建立一个智能灌溉远程监控系统。其主要由远程监控中心和无线传感网络两部分组成，采用了物联网的感知层、网络层和应用层等三层网络架构形式。结合农业灌溉的实际需求与智能灌溉系统总体设计方案设计了一套远程监控界面，并分析了远程监控平台软件功能。结果表明该系统能够利用智能分析与显示技术实现智能移动设备和PC设备对灌溉区的远程实时监控，达到智能灌溉的目的，具有一定的实用价值。

参考文献

[1] 王应海.土壤含水量（土壤湿度）数据在智能灌溉决策系统中的应用研究[J].节水灌溉，2017（4）：138-141.

[2] 王应海，刘勇兵.对智能灌溉的几点认识[J].节水灌溉，2017（7）：123.