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基于物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统

更新时间：2019-12-08 22:53:48 大小：1M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

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为实现荔枝园环境的实时远程监控和精准管理，设计基于农业物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统，该系统通过信息采集终端模块实时采集荔枝园的土壤含水率、空气温湿度、光照强度、风速和降雨量等环境信息，通过无线传感网将数据包发送到网关上，网关通过通用无线分组网（general packet radio service，GPRS）将处理后的数据包传输到云服务器，专家系统根据采集到的环境数据，结合专家知识，建立多个决策数学模型，实现计算作物需水量、预报灌溉时间、灌溉最佳定量决策、根据灌溉制度决策等决策功能，将决策结果反馈到控制终端模块进行智能监控。经试验，对比系统多参数决策和一般的单参数决策得出的结论，多参数决策的准确性更高；灌溉区域的土壤含水率平均值为17.4%，满足荔枝树生长所需的土壤含水率条件，说明系统的灌溉决策具有比较强的实时性。且系统预测能达到75%的准确率，说明系统的预测实时性比较好。该系统实现了荔枝园的环境信息获取与智能灌溉，能指导用户更好地管理荔枝园。

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第32 卷第20 期

2016 年 10 月

农业工程学报

Vol.32 No.20

Oct. 2016

144

Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering

基于物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统

※

余国雄^1,2，王卫星^1,2,3,4，谢家兴^1,2,3,4，陆华忠^4,5，林进彬¹，莫昊凡¹

（1. 华南农业大学电子工程学院，广州 510642； 2. 广州市农情信息获取与应用重点实验室，广州 510642；

3. 广东省农情信息监测工程技术研究中心，广州 510642；4. 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实

验室，广州 510642；5. 华南农业大学工程学院，广州 510642）

摘要：为实现荔枝园环境的实时远程监控和精准管理，设计基于农业物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统，

该系统通过信息采集终端模块实时采集荔枝园的土壤含水率、空气温湿度、光照强度、风速和降雨量等环境信息，通过无

线传感网将数据包发送到网关上，网关通过通用无线分组网（general packet radio service，GPRS）将处理后的数据包传输到

云服务器，专家系统根据采集到的环境数据，结合专家知识，建立多个决策数学模型，实现计算作物需水量、预报灌溉时

间、灌溉最佳定量决策、根据灌溉制度决策等决策功能，将决策结果反馈到控制终端模块进行智能监控。经试验，对比系

统多参数决策和一般的单参数决策得出的结论，多参数决策的准确性更高；灌溉区域的土壤含水率平均值为17.4%，满足荔

枝树生长所需的土壤含水率条件，说明系统的灌溉决策具有比较强的实时性。且系统预测能达到 75%的准确率，说明系统

的预测实时性比较好。该系统实现了荔枝园的环境信息获取与智能灌溉，能指导用户更好地管理荔枝园。

关键词：灌溉；决策；无线传感器网络；农业物联网；荔枝园；专家系统；信息获取

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.20.019

中图分类号：S165⁺.22; S274.2

文献标志码：A

余国雄，王卫星，谢家兴，陆华忠，林进彬，莫昊凡. 基于物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统[J]. 农业

工程学报，2016，32(20)：144－152. doi：10.11975/j.issn.1002-

文章编号：1002-6819(2016)-20-0144-09

Yu Guoxiong, Wang Weixing, Xie Jiaxing, Lu Huazhong, Lin Jinbin, Mo Haofan. Information acquisition and expert decision

system in litchi orchard based on internet of things[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions

of the CSAE), 2016, 32(20): 144－152. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.20.019

灌溉区域的需水量，但该系统没有充分考虑干旱级别对

作物灌溉的影响。目前，国内灌溉专家决策系统的开发

还属于初级阶段^[13]。汪志农等^[14]研发了灌溉预报与节水

灌溉决策专家系统，该系统基于彭曼公式和水平衡原理，

进行决策，但是系统决策数据中，缺乏来自田间的实时

数据，缺乏实时性；而陈智芳等^[15]研发的节水灌溉管理

与决策支持系统也存在着实时性差的问题；陈健等^[16]开

发了苹果精准管理专家系统，实现了对果园环境的实时

监控，并且可以对苹果的病虫害和开花期进行预测，但

是没有灌溉预报与决策等功能；虞佳佳^[17]设计了基于物

联网和专家决策系统的农田精准灌溉系统，当田间水分

超过设定阈值时，系统能及时控制电磁阀，实现及时灌

溉，但是该系统只是简单地根据作物生长水分阈值进行

决策，而没有考虑影响灌溉的其他气象因素，如温度、

湿度和降雨量等，使灌溉决策缺乏准确性。

0 引言

从 20 世纪 80 年代末至今，中国的荔枝种植面积和

总产量都大大增加，荔枝栽培面积由 1987 年的 12.75

万 hm²，增加到 2012 年的 55.33 万 hm²；荔枝总产量由

1987 年的11.68 万t，增加到2012 年的190.66 万t^[1-2]。

但是目前绝大多数荔枝园仍然采用漫灌等传统的灌溉方

式，浪费了大量的水资源^[3-6]。近年来，随着物联网技术

在农业中广泛地应用^[7-11]和灌溉专家决策系统的出现，可

以实现对荔枝园的实时远程监控和精准管理。

郑立华等^[12]利用 CLARE 专家系统外壳开发了棉花

生产管理专家系统。该系统共用到15 种方法来确定作物

蒸发蒸腾量、灌溉日期及灌水定额，但该系统没有结合

互联网技术，可扩展性不强。美国佛罗里达大学针对佛

罗里达州农业特点开发了AFSIRS 系统，该系统将作物类

型、土壤情况、生长季节、气候条件作为变量，估算出

针对以上系统的不足，本文设计 1 种荔枝园信息获

取与智能灌溉专家决策系统，实现对荔枝园环境的远程

实时监控，进行灌溉预报与决策，科学地指导果农管理

荔枝园。

收稿日期：2016-03-29

修订日期：2016-08-10

基金项目：国家荔枝龙眼产业技术体系建设专项资金项目（CARS-33-13）；

广东省自然科学基金（2014A030313451）；广东省水利科技创新项目

（2014-17）；华南农业大学大学生创新创业训练计划项目。

作者简介：余国雄，男，广东开平人，主要从事农业物联网和电子信息技术

在农业上的应用研究。广州华南农业大学电子工程学院，510642。

Email：

1 系统构架及各模块简介

1.1 系统总体架构

基于农业物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家

决策系统分为信息获取部分和智能灌溉专家决策系统两

※通信作者：王卫星，男，河北宣化人，教授，博士，博士生导师，主要从

事农业物联网、无线传感器网络以及电子信息技术在农业上的应用等研究。

广州华南农业大学电子工程学院，510642。Email：

万方数据

第20 期

余国雄等：基于物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统

145

部分。信息获取部分由终端监控设备、网关模块、云服

务器模块组成，终端监控设备与网关模块间通过 Zigbee

网通信，网关模块与云服务器模块间通过无线分组网

（general packet radio service，GPRS）通信；智能灌溉专家决

策系统由专家系统组成，其决策结果通过云服务器传送

到网关模块，用户通过浏览器即可访问专家系统。系统

总体架构如图1 所示。

易丢包，所以本文选择树形组网方式。

图2 3 类Zigbee 网络组网方式

Fig.2 Three types of ZigBee networking

3）终端信息获取模块

各个终端信息获取模块利用树型组网方式形成 1 个

网络后，自动定时地采集荔枝园的环境信息，如温度、

湿度、土壤含水率和降雨量等，通过 Zigbee 网络将数据

包发送到网关模块上。终端信息获取模块使用的传感器

型号如表2 所示。

表2 传感器型号

Table 2 Sensor model

指标Indicator

型号Model

空气温湿度

Air temperature and humidity

DHT22

图1 系统总体架构

GY-30

TDR-3

光照度Illumination

土壤含水率Soil moisture

风速Wind velocity

Fig.1 Overall system architecture diagram

RY-FS01

ZG11-C

1.2 信息获取部分设计

降雨量Precipitation

1.2.1 终端监控设备

终端监控设备包括终端信息获取模块、终端控制模

块和电磁阀各10 个。

4）终端控制模块

终端控制模块通过 Zigbee 网络接收并解析来自网关

1）短距离无线通信模块选型

模块的命令后，控制电磁阀的开启或者关闭。其中，为

了降低功耗，电磁阀选用JSD128 双稳态脉冲电磁阀^[23-24]

目前常用的 3 种短距离无线通信模块^[18-19]为 Zigbee

模块、Wifi 模块和蓝牙模块，各种模块特性对比如表 1

所示。

。

1.2.2 网关模块

网关模块是整个监控系统的协议转换设备^[25]，网关

上电后，建立 Zigbee 网并启动监听，接收来自终端信息

获取模块的数据包，进行分析、压缩和融合数据后，通

过GPRS 网络将数据发送到云服务器模块，并通过Zigbee

网将同步数据包发送到终端信息获取模块，使其与网关

进行时间同步后，进入休眠模式，降低功耗；网关与云

服务器建立TCP/IP 连接，通过GPRS 网络接收并解析来

自云服务器模块的决策结果数据包后，通过 Zigbee 网发

送到终端控制模块，进而控制电磁阀，之后，终端控制

模块与网关进行时间同步，也进入低功耗休眠模式。网

关工作流程如图3 所示，实现了Zigbee-Internet 网络协议

的转换、使Zigbee 网具备实时性和维持Zigbee 网的稳定

性等功能。

表1 局域无线通信模块特性对比

Table 1 Comparison of local area wireless communication

module feature

最大传输速率

通信距离

Communication

distance/m dissipation/mA interference

功耗

Power

抗干扰性

Anti-

类型

Type

Maximum

transmission

rate/Mbps

Zigbee

Wifi

250

600

75~200

100

强

10~50

一般

蓝牙

Bluetooth

1~2

弱

表 1 表明，蓝牙模块的通信距离过短，因此在对荔

枝园进行监控时需要该模块数量过多，Wifi 模块的抗干

扰性一般，无法保证数据传输的可靠性。因而，本文选

择通信距离比较长和抗干扰性比较强的 Zigbee 模块作为

短距离无线通信模块。

1.2.3 云服务器模块

云服务器采用 TCP 并发服务器模型，允许最多 10

个网关同时连接，服务器等待网关的连接，当网关有连

接请求时，就创建 1 个新线程处理该网关的业务，将网

关的数据包进行分析、计算后，存储到数据库中，供专

家决策系统调用；同时，云服务器在每个线程中采用轮

询算法，循环查询专家系统决策结果数据库是否有更新，

若有，从中读取决策结果，整理成数据包后，通过GPRS

2）组网方式

Zigbee 网络一般有星型、树型和网状型 3 种组网方

式^[20-22]，如图 2 所示。星型方式比较简单且方便管理，

但由于荔枝园里荔枝树和电线杆等对无线信号有一定的

阻挡，因而星型网络的覆盖面积会受限制，而网状型方

式会使得数据包的传递经过多个路由器和终端设备，容

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