基于物聯網技術的農業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)方案設計

1、基于物聯網技術的農業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)方案設計1、背景介紹智能農業(yè)是物聯網十二五規(guī)劃重點領域之一， 大量的科技創(chuàng)新技術將使 用在農業(yè)發(fā)展中，其中包括通信技術、自動化控制系統(tǒng)，等等。通信技術是指通過各種有線、 無線、長距離、 短距離的通信技術的使用， 實現物品和物品之間， 機器和機器之間， 機器和人之間的信息和數據的交換， 這 就形成了當今科技領域最為關注的領域之一 “ 物聯網 ” 。其中，無線傳感器網絡技術是物聯網的核心技術之一，它擔負著極其 重要的信息傳遞、 交換和傳輸的重任。 無線傳感器網絡技術目前是通信、 計算機 和自動化等領域一個新興的研究熱點， 它能夠可靠地、 實時地采集覆蓋區(qū)中的各

2、種信息并進行處理， 處理后的信息可通過有線或無線方式發(fā)送給遠端數據消費系 統(tǒng)。自動化控制系統(tǒng)可以在設定的條件下和遠端接收器通信， 按照系統(tǒng)預先 設定的程序對現場設備進行開、 關等操作， 還可以按照復雜的業(yè)務流程和業(yè)務邏 輯，實現靈活的操作控制，另外，動態(tài)信息采集分析技術也是重點使用，對現場 的復雜數據進行分析和管理。在我國，農業(yè)是用水大戶，農業(yè)用水量約占總用水量的 80%左右，由于 農業(yè)灌溉效率普遍低下，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家已達70%80%，因而，解決農業(yè)灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重 要的，也是節(jié)水潛力最大的領域。 目前，農業(yè)節(jié)水灌溉的困難在于農田分布范

3、圍 廣泛，各種農作物的用水需求也不相同。 使用大面積的溝渠灌溉技術， 不僅浪費 水資源，而且在農田利用上也造成很大的浪費。 采用自動化控制的滴灌技術， 可 以根據各種農作物對水量的要求， 以及土壤的水情合理配置各個供水設備運行情 況。另外，通過自動化控制， 可以將整個農場系統(tǒng)中的各種資源使用情況進行統(tǒng) 計分析，使相關人員及時了解整個系統(tǒng)的相關資源信息， 通過統(tǒng)計分析， 進行合 理使用，從而達到省水節(jié)能、省工省地的效果，以及發(fā)展節(jié)水農業(yè)的目的。托普物聯網在農田智能灌溉領域的使用主要是通過無線傳感器感應土 壤的水分，并在設定條件下和接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開、關閉，從 而達到自動節(jié)水灌溉的

4、目的。 由于傳感器網絡具有多跳路由、 信息互遞、 自組網絡及網絡通信時間同步等特點， 使灌區(qū)面積、 節(jié)點數量可以不受限制， 因此可以 靈活增減輪灌組。加上節(jié)點具有土壤、植物、氣象等測量采集裝置，利用通信網 關的 Internet 功能和 GPS技術結合， 形成灌區(qū)動態(tài)管理信息采集分析技術， 配合 作物需水信息采集和精量控制灌溉技術、 專家系統(tǒng)技術等， 可構建高效、低能耗、 低投入、多功能的農業(yè)節(jié)水灌溉平臺。2、農業(yè)節(jié)水及信息管理系統(tǒng)系統(tǒng)結構 農業(yè)節(jié)水及信息管理系統(tǒng)一般負責的區(qū)域比較大，如一個鄉(xiāng)、一個縣、 一個市等。 這樣大的區(qū)域， 對于自動化產品來說， 采集能力和通信能力都不可能 實現，為了將

5、這么大的區(qū)域中的相關信息進行收集， 需要將這些大的區(qū)域劃分為 多個相對較小的區(qū)域， 每個相對較小的區(qū)域再劃分出更小的控制單位， 從而能達 到一個自動化控制單元所能控制的范圍。 因此，農業(yè)節(jié)水及信息管理系統(tǒng)一般由 兩個部分組成：集中監(jiān)控中心、現場監(jiān)控站。各部分分工明確、協同合作，使管 控一體化的功能在農業(yè)節(jié)水及信息管理中得到了充分使用。 下圖為基于物聯網的 農業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)網絡結構?，F場監(jiān)控站現場監(jiān)控站作為整個農業(yè)節(jié)水及信息管理系統(tǒng)中的最小單元， 也是整個 監(jiān)控系統(tǒng)的最底層控制系統(tǒng)， 它負責整個系統(tǒng)的數據采集以及將采集到的數據傳 送到上層集中監(jiān)控中心的任務。現場監(jiān)控站一般控制和采集的設備包括：

6、使用無線 ZIGBEE 協議的閥門、 RTU 設備、各種氣象、墑情采集傳感器等，有些先進的監(jiān)控站還配置視頻采集 設備，實時采集控制區(qū)域內的視頻信息?，F場監(jiān)控站一般使用具有通用組態(tài)功能的組態(tài)軟件完成現場各種設備 的數據的集成， 以及數據的傳輸功能。 本系統(tǒng)中， 使用北京九思易自動化軟件有 限公司的托普物聯網組態(tài)軟件。集中監(jiān)控中心集中監(jiān)控中心根據其所管轄區(qū)域大小， 將區(qū)域內所有現場監(jiān)控站的信息 進行集中采集、展示、存儲、分析等。同時，通過托普物聯網組態(tài)軟件的 WEB 發(fā)布功能，將所采集的信息發(fā)布到 INTERNET 上，供相關部門查看分析。集中監(jiān)控中心通常和現場監(jiān)控站之間通過移動通信技術 GPRS

7、、3G 或者 WIFI 等無線通信方式進行連接，這種方式可以大大節(jié)省硬件成本，同時，數據 的實時性也能保證。集中監(jiān)控中心作為整個農業(yè)節(jié)水和信息管理系統(tǒng)的中心層， 不直接參和現場設備的控制， 而是通過對現場監(jiān)控站相關數據的分析以及歷史數 據的分析， 形成先關的節(jié)水灌溉方案， 各個現場控制站通過分析所得的方案進行 相應的現場控制?，F場監(jiān)控站現場監(jiān)控站一般設置在現場控制區(qū)域的泵房中， 其中配置監(jiān)控計算機一 臺，實現對控制區(qū)域設備的信息采集和控制， 安裝托普物聯網組態(tài)軟件， 每一個 泵房設置一套。農田節(jié)水和信息管理系統(tǒng)中的現場監(jiān)控站主要使用對象為非專業(yè) 人士，因此，該系統(tǒng)的功能界面主要以簡潔、明了、易

8、于了解和經濟適用為主。該系統(tǒng)的功能主要有：1、數據采集和監(jiān)視功能 現場監(jiān)控站中由于各種管線和閥門鋪設的距離比較遠， 使用有線數據采 集的方式在監(jiān)控成本和控制線纜鋪設上都不現實，因此，使用 Zigbee 無線通信 的方式進行數據采集。 它是一種短距離的無線通信方式， 對于在農田這種開闊地 帶使用比較有優(yōu)勢，它和 RTU 控制單元結合使用，采集泵房管理系統(tǒng)內的各個 閥門和水泵的控制信號， 實現水泵和閥門的遠程控制， 同時還采集相關的模擬量 數據，如蓄水池水位、管道流量、過濾器前后水壓、電機電流、電壓、墑情、氣象等數據。2、畫面監(jiān)控畫面監(jiān)控主要包括設備監(jiān)控畫面、系統(tǒng)管理界面以及數據統(tǒng)計分析畫 面。A

9、、設備監(jiān)控界面按照現場監(jiān)控站滴灌系統(tǒng)管道鋪設管線繪制田間滴灌 分布圖，在圖上直觀顯示相關電磁閥的位置、狀態(tài)、是否啟用輪灌，正在灌溉的 組別，灌溉持續(xù)時間、 當前系統(tǒng)時間顯示等信息。 該界面可以對電磁閥的狀態(tài)統(tǒng) 一實時查詢 ;輪灌啟動、界面鎖定 ;電磁閥的單獨開啟關閉、狀態(tài)查詢。界面鎖定 以后（安全模式 ），整個界面上操作人員不能有任何操作動作 （不能控制設備，只能 瀏覽查詢信息 ），只有通過密碼實現解鎖才能進行控制操作。A 、數據統(tǒng)計分析畫面包括實時數據顯示和歷史數據顯示兩部分內容，顯示的數據有電機電 壓、電流、蓄水池水位、過濾器前后水壓、出水口流量、土壤水分以及氣象站、 設備電池電壓等B、系

10、統(tǒng)管理界面包括系統(tǒng)通訊診斷、系統(tǒng)設備拓撲結構圖、設備地址、時鐘、工作參數配置界面、設備列表、輪灌編輯界面、用戶管理界面、數據存儲 設置、調閱、導出界面、設備通訊狀態(tài)、設備電池電壓，首部電壓電流、水位、 水壓等錯誤或者數據超常報警設置等。1、設備控制功能設備控制功能包括田間各個電磁閥和水泵的單獨控制以及電磁閥的輪灌控制。單獨控制時， 農民可以在監(jiān)控畫面上對每一個設備進行單獨的打開或關 閉操作，當操作沒有反饋或反饋信息錯誤時能進行相應的報警。輪灌控制需要根據系統(tǒng)管理界面中對于輪灌功能的配置， 系統(tǒng)自動完成 所有電磁閥的打開和關閉控制以及打開的時間等。1、 數據存儲記錄功能系統(tǒng)中采集的各種模擬量數據

11、， 如首部電壓、 電流、水位、水壓、流量、 土壤水分等都進行記錄， 數據記錄使用定時記錄的功能， 每半小時記錄一次相關 數據（記錄數據時間可設定 ），數據保留時間為 1 年，數據記錄使用托普物聯網自 帶的 SQLexpress 數據庫完成。同時，在畫面上可以通過報表、曲線的方式進行 歷史記錄數據的查看。2、報警功能需要報警功能主要針對重要的操作和模擬量超限進行。 報警的方式根據現場計算機的條件可以有聲光和短信兩種方式， 房監(jiān)控系統(tǒng)中配置相應的音箱及短信發(fā)送模塊。重要的報警能記錄到數據庫中進行歷史報警的查詢功能。3、用戶管理功能 田間泵房管理系統(tǒng)的用戶主要包括系統(tǒng)操作的農民和相應參數設置的 維護

12、人員。不同用戶通過用戶名和密碼登陸獲取不同的權限。農民主要權限為設備的單獨操作和實時數據的查看。 系統(tǒng)維護人員具有所有功能操作的權限 （由于維護人員不是長期駐守在 泵房，所以參數維護由監(jiān)控中心維護人員統(tǒng)一進行遠程維護 ）。4、數據上傳功能 現場監(jiān)控站只是整個系統(tǒng)的最底層監(jiān)控系統(tǒng)， 它是最底層的數據采集系 統(tǒng)，對于上層管理系統(tǒng)來說，它還包括數據上傳到監(jiān)控系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)中， 現場監(jiān)控站和上層集中監(jiān)控中心的通信方式有兩種 GPRS 和 超短波電臺的方式。因此，數據上傳功能使用托普物聯網 IO 通信中的 modbus 主站方式將數據通過 GPRS 或者超短波電臺發(fā)送到監(jiān)控中心。集中監(jiān)控中心 集中監(jiān)

13、控中心負責將所管轄的現場監(jiān)控站的所有信息進行集中管理， 集 中監(jiān)控中心設置在相應的上級管理中心， 設置一臺監(jiān)控服務器， 監(jiān)控服務器作為 集中數據服務器、歷史記錄和 WEB 發(fā)布服務器使用。 監(jiān)控中心實現的功 能主要有：集中監(jiān)控中心和各個現場監(jiān)控站的距離較遠， 使用有線傳輸的方式成本太高，因此，選用無線的數據傳輸方式，根據各個泵房配置的無線模塊的不同， 主要包括 GPRS 網絡、遠傳數據網絡 （電臺）。2、監(jiān)控畫面監(jiān)控中心是下轄的所有現場監(jiān)控站信息的匯總，它的監(jiān)控畫面主要包括：A、用戶登錄界面：監(jiān)控中心集中了中所有監(jiān)控系統(tǒng)，不同用戶可以按 照權限顯示不同的項目點分布界面。B、監(jiān)控信息管理畫面監(jiān)控

14、信息管理根據不同用戶的權限，顯示不同的內容，打開相應的監(jiān)控 地圖，在地圖中可以選取不同的現場監(jiān)控站， 點擊后就可以直接顯示相應的數據 信息。對于更高級用戶，登錄后可以在不同信息管理中切換顯示畫面。3、數據統(tǒng)計分析功能數據分析統(tǒng)計功能是指對各個現場監(jiān)控站數據進行集中數據的存儲、 曲 線棒圖的對比分析、報表文件的查看等功能。A 、數據存儲功能： 將系統(tǒng)采集到的相關模擬量數據進行集中歷史記錄， 使用 SQLSERVER數據庫，歷史記錄的時間間隔為 30 分鐘，數據的存儲周期為 2到 3 年，數據存儲到數據存儲服務器中。B、曲線棒圖功能： 在監(jiān)控畫面中能將各個歷史記錄數據通過歷史曲線， 棒圖的形式進行

15、展示， 主要包括用水量曲線、 流量曲線等。 歷史曲線可以通過時 間查詢不同時間段的曲線情況。C、報表功能：通過歷史記錄數據，可以形成系統(tǒng)的數據報表，包括日、 月、年等報表，操作人員可以通過時間查詢相關時間段的數據形成相應的數據報 表，同時報表還具有數據查詢、打印、導出為 EXCEL 等功能。4、報警功能 報警功能主要包括系統(tǒng)中監(jiān)測到的一些設備報警以及模擬量的越限報 警，對于不重要報警信息可以通過聲光方式在監(jiān)控室顯示， 對于重要報警信息可 以通過手機短信的方式在報警的第一時間發(fā)送到相關人員。5、用戶管理功能用戶管理功能配置系統(tǒng)中不同登錄用戶的操作權限，以及用戶登錄、注 銷等功能。6、WEB 發(fā)布

16、功能將監(jiān)控中心中相關的數據畫面通過托普物聯網的 WEB 發(fā)布功能發(fā)布到 INTERNET 上，相關人員只需要通過各自電腦的 IE 瀏覽器就可以直接查看各個 現場監(jiān)控站的運行情況。3、結束語本系統(tǒng)設計融合了自動化組態(tài)、移動通信、廣域網無線通信、 ZIGBEE 局域網無線通信等先進技術， 能夠實現農田定點采集、 移動采集和傳輸功能。 具 有結構簡單、功耗低、設計成本低、使用性強、監(jiān)測數據實時顯示實時上傳和可 重復性好等顯著特點。和國內外現有類似產品比較，有以下特點：、系統(tǒng)節(jié)能設計。系統(tǒng)子站采用無源干電池技術，為了極大提高子站 使用壽命， 通過合理的通信技術， 降低子站通信耗能， 節(jié)省了能源， 提高

17、了效率， 節(jié)省了成本。作物本身是決定是否需要灌溉的最佳指示物， 只有他們才能把控制作 物水分平衡的土壤因子整合起來?，F場控制站通過采集影響作物生長的環(huán)境參 數，了解農作物對水的需求情況做到按需供水。、充分考慮傳感器節(jié)點部署區(qū)域環(huán)境復雜、大型遮擋物較多等因素。 為了克服環(huán)境復雜、 遮擋物較多等干擾因素， 在軟件開發(fā)時， 做了很多差錯控制 技術，提高數據傳輸的可靠性。 同時考慮到系統(tǒng)干擾問題， 做了相應的抗干擾措 施，使系統(tǒng)通信順利暢通。將無線數據傳輸技術和節(jié)水灌溉技術結合起來， 采用無線數據傳輸和 控制，對提高節(jié)水灌溉的自動化水平， 更快、更準確的掌握作物的生長環(huán)境及生 長規(guī)律，更精確、及時的控

18、制灌溉，節(jié)約勞動力，對提高農業(yè)投入的經濟效益具有重要的意義。托普物聯網簡介托普物聯網是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項目。 浙江托普儀器是國內 領先的農業(yè)儀器研發(fā)生產商， 依據自身在農業(yè)領域的研發(fā)實力， 和自主研發(fā)的配 套設備，在農業(yè)物聯網領域嶄露頭角！托普物聯網以客戶需求為源頭， 結合現代農業(yè)科技、 通信技術、計算機技術、 GIS信息技術，以及物聯網技術，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產品和 端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、 食品安全溯源解決方案、 食用菌種植智能化管理解決方案、 水產養(yǎng)殖管理解決方 案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯網三大系統(tǒng)產品我們知道物聯網主要包括三大層次， 即感知層、 傳輸層和使用層。 因此托普 物聯網產品主要以這三個層次延伸，涵蓋了感知