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基于物联网的远程智能灌溉控制系统的开发

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针对现有农田、果林等大面积栽培种植区域灌溉技术落后、缺乏精确调控手段,导致灌溉精度差、水资源浪费严重等问题,开发了一套基于物联网的设施农业远程智能灌溉控制系统.本系统采用无线局域网ZigBee与无线广域网GPRS异网融合的通讯模式,构建了获取农田环境信息的无线传感网络(WSN),实时监测土壤墒情,利用模糊控制算法智能处理土壤湿度信息,根据作物需要量化灌水定额.以KingView6.55软件为开发平台,设计了集网络通讯、参数监测、数据分析、管理决策为一体的监控界面.试验结果表明:该系统可在无人干预的情况下自主根据作物需水量驱动设备完成精准灌溉,以最低限度的灌水量保证作物处于最佳生长状态,提高了水资源的利用率,具有广阔的应用前景.

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８７

节水灌溉·２０１７年第１０期

文章编号: １００７-４９２９(２０１７)１０-００８７-０５

基于物联网的远程智能灌溉控制系统的开发

李德旺,许春雨,宋建成,田慕琴,邢希君

(太原理工大学,煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室, 矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室,太原０３００２４)

摘

要:针对现有农田、果林等大面积栽培种植区域灌溉技术落后、缺乏精确调控手段,导致灌溉精度差、水资源

浪费严重等问题,开发了一套基于物联网的设施农业远程智能灌溉控制系统。本系统采用无线局域网ＺｉｇＢｅｅ与无线

广域网ＧＰＲＳ异网融合的通讯模式,构建了获取农田环境信息的无线传感网络(ＷＳＮ),实时监测土壤墒情,利用模糊

控制算法智能处理土壤湿度信息,根据作物需要量化灌水定额。以ＫｉｎｇＶｉｅｗ６.５５软件为开发平台,设计了集网络通

讯、参数监测、数据分析、管理决策为一体的监控界面。试验结果表明:该系统可在无人干预的情况下自主根据作物需

水量驱动设备完成精准灌溉,以最低限度的灌水量保证作物处于最佳生长状态,提高了水资源的利用率,具有广阔的

应用前景。

关键词:物联网；ＷＳＮ；智能灌溉；模糊控制

中图分类号:Ｓ２４；ＴＰ２７７

文献标识码:Ａ

ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＲｅｍｏｔｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＩｒｒｉｇａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＩＯＴ

ＬＩＤｅꢀｗａｎｇ, ＸＵＣｈｕｎꢀｙｕ, ＳＯＮＧＪｉａｎꢀｃｈｅｎｇ, ＴＩＡＮＭｕꢀｑｉｎ, ＸＩＮＧＸｉꢀｊｕｎ

(ＳｈａｎｘｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌ, Ｎａｔｉｏｎａｌ＆ＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＪｏｉｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙ

ｏｆＭｉｎｉｎｇＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＡｐｐａｒａｔｕｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ, ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ, Ｔａｉｙｕａｎ０３００２４, Ｃｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｉｎｖｉｅｗｏｆｐｒｏｂｌｅｍｓ, ｓｕｃｈａｓｌａｇｉｎｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｌａｃｋｏｆｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｅａｎｓ, ｗｈｉｃｈｌｅａｄｔｏｐｏｏｒｉｒｒｉｇａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙａｎｄ

ｓｅｒｉｏｕｓｗａｓｔｅｏｆｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓｉｎｌａｒｇｅｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎａｒｅａｓ, ａｒｅｍｏｔｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＩＯＴｉｎｆａｃｉｌｉｔｙａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｉｓ

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ. Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ, ａｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ (ＷＳＮ) ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｍｏｄｅｏｆｔｈｅｆｕｓｉｏｎｏｆＺｉｇＢｅｅｎｅｔｗｏｒｋａｎｄＧＰＲＳ. Ｔｈｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｕｓｅｄｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅ

ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｑｕｏｔａｐｒｅｃｉｓｅｌｙ. ＴｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎＫｉｎｇｖｉｅｗ６. ５５, ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ, ｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓ,

ｎｅｔｗｏｒｋｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｄｅｃｉｓｉｏｎ. Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｄｒｉｖｅｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｑｕｉｃｋｌｙａｎｄ

ｐｒｅｃｉｓｅｌｙｗｉｔｈｏｕｔｈｕｍａｎｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｃｒｏｐｓｇｒｏｗｕｎｄｅｒｔｈｅｂｅｓｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ, ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒ

ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ. Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ, ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｏｏｄｉｎｓｔａｎｔａｎｅｉｔｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ＩＯＴ; ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ; ＷＳＮ; ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ

系数约为０.４,农业水资源短缺与粗放低效利用并存的状况,进

０

引言

一步加剧了农业水资源短缺程度。我国在农业灌溉方面,还存

在一些问题:①仍以传统生产经验为主,缺乏精确调控手段,农

田灌溉精度难以保证,造成水资源浪费严重;②灌溉技术落后,

监测与控制都采用人工管理,缺乏技术创新,存在劳动强度大、

人机交互能力差等弊端,严重影响农作物品质和产量。因此,

农田灌溉是农业种植与生产过程中的关键环节,对提高作

物产量起着决定性的作用。国家统计局数据显示^[１],２０１５年,

农田灌溉用水占总用水量的比例约为６３.１１％,其发展态势为

农业用水的比重逐渐降低,并且我国主要灌区灌溉水有效利用

收稿日期:２０１７-０３-２７

基金项目:山西省科技厅重大专项资助项目(２０１３１１０１０２９);太原市科技支撑新农村建设资助项目(１２０１５７)。

作者简介:李德旺(１９９１ꢀ),男,硕士研究生,研究农业智能控制、农业电气。Ｅꢀｍａｉｌ: ｔｙｕｔ２０９３＠１６３.ｃｏｍ。

万方数据

通讯作者:许春雨(１９７０ꢀ),男,博士,副教授,硕士生导师,主要研究方向:智能控制技术与电力电子变换技术。Ｅꢀｍａｉｌ: ｘｕｃｈｕｎｙｕ＠ｔｙｕｔ.ｅｄｕ.ｃｎ。

８８

基于物联网的远程智能灌溉控制系统的开发

李德旺许春雨宋建成

等

依靠人工智能算法合理计算灌水定额的高效、智能灌溉技术成

为解决水资源不足,缓解农业用水供需矛盾的有效途径。

目前,美国利用“３Ｓ” 技术获取、传送、处理各类农业信

中的应用是将智能传感器单元按照一定的布局安装在灌溉农

田内,然后通过无线通信方式实时监测、感知和采集网络覆盖

区域内环境和监测对象的信息^[７],再发送到信息采集站或灌溉

系统集控中心,避免了灌溉现场布线带来的各种问题。

ＷＳＮ主要由传感节点(终端)、路由节点(路由器)、协调节

点(协调器)组成,分别负责灌溉区域内的信息采集和数据转

换、控制信息的传输、传感器网络的配置和管理。ＷＳＮ具有容

量大、功耗低、可靠性强等优点,可应用于较大规模的作物生产

基地,促进了智能农业和精准农业的发展。

息

^[２],据其确定农田土壤水分变化和适宜的灌水区与灌水量,

科学指导农业灌溉。我国“十三五” 发展规划^[３]明确指出,要

＋

大力推进“互联网 ” 现代农业建设步伐,应用智能控制、物联

网等现代信息技术,建立互联共享的信息平台,重点突破农机

装备、智能农业等领域关键技术,实现农业智能化监测和管理。

本文针对传统农业向现代农业转型时期出现的问题,在前人研

－

究的基础上^{[４５]},设计并实现了以物联网技术为核心的远程智

２.２无线传感网络的设计

能化灌溉控制系统。该系统可远程监测农田环境信息,并根据

模糊控制算法实现适时适量的灌溉,保证农作物在各生长阶段

都处于最佳的生长状态,实现灌溉过程的智能化、网络化。

本系统以局域网、广域网、互联网为基础,建立了获取农田

环境信息的无线传感网络,网络的拓扑结构如图２所示。

１

智能灌溉系统架构

设施农业远程智能化灌溉控制系统采用物联网的三层网

络架构设计^[６]:感知层、网络层和应用层。系统整体框架如图

１所示。

图２无线传感网络的拓扑结构

Ｆｉｇ.２ＴｈｅｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆＷＳＮ

传感器节点采用支持ＩＥＥＥ８０２.１５.４协议、工作在２.４ＧＨｚ

频段、传输速率为２５０Ｋｂｐｓ的ＺｉｇＢｅｅ技术,是一种功耗低、网

－

络容量大、可靠性强的双向无线通讯技术。型号为ＲＳＷＳ

－

ＮＯ１ＴＲ的土壤湿度传感器与ＺｉｇＢｅｅ无线模块通过ＲＳ４８５总

线方式通信。多个ＺｉｇＢｅｅ网络节点组合成一个具有自组织、自

愈能力的网状网络,将获取到的农田信息以多跳的方式传输到

网关。网关是局域网转广域网的媒介,能够完成ＺｉｇＢｅｅ协议转

ＧＰＲＳ、ＧＰＲＳ连接Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的任务,实现无线近距离传输向无线

远程传输的转变,扩展通信距离,突破了地域限制。

图１系统整体框架

Ｆｉｇ.１Ｔｈｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｏｖｅｒａｌｌｓｙｓｔｅｍ

感知层是设施农业物联网的底层,具有全面感知的核心能

力,为智能化灌溉系统提供最原始的数据信息。本系统依据无

线传感节点的低功耗、低成本及操作性灵活的设计原则,采用

微型ＺｉｇＢｅｅ智能化传感节点结合土壤湿度传感器获取农田土

壤湿度信息,为精准灌溉提供科学、全面的依据。

远程监测中心主要接收现场数据,将数据显示、存储,方便

用户进行历史查询,并且可设定现阶段农作物生长的最佳湿

度,保证农作物在各生长阶段都处于最佳的生长状态。

网络层是以局域网、广域网、互联网为基础建立起来的无

线数据传输通道,网络层主要承担着数据传输的功能,可将感

知层采集到的环境信息无障碍、高可靠性地传输到应用层进行

处理,亦可将应用层的灌溉决策送到感知层,控制执行机构动

作。该无线数据传输通道避免了农田、果林等大面积栽培种植

区域网络布线带来的各种问题。

３

智能控制策略

３.１模糊控制理论

模糊控制(ＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌ)在智能灌溉中的应用是把基于丰

富的种植经验总结出来的、用自然语言表述灌溉策略,或通过

大量实际灌溉数据总结出来的控制规则,用计算机予以实现的

智能化灌溉控制^[８]。它与传统控制方法的最大不同,在于不必

研究被控对象的内部结构、工作机理或数学模型。

应用层的主要功能是合理、高效地处理网络层传来的海量

农田环境参数,利用模糊控制算法智能处理土壤湿度信息,做

出正确的灌溉决策,控制水泵、电磁阀的有效动作,解决了信息

处理和人机界面的问题,实现智能化灌溉管理。

土壤是一个惯性、非线性系统,且作物全生育期包含多环

境因子,很难建立精确统一的数学模型,将模糊控制技术引入

对土壤湿度信息的分析与处理,可提高灌溉决策的准确性。常

用的模糊控制器结构框图如图３所示。土壤湿度作为作物生

长的重要环境变量,在农田灌溉中,通常把土壤湿度差值和差

值变化率分别作为模糊控制器的输入信号,经过模糊化(Ｄ/ Ｆ)

２

系统的网络设计

２.１无线传感网络技术

万方数据

无线传感网络(ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ) 技术在智能灌溉

全部评论(1)

2019-12-19 19:40:56xingyun7573

很理论的东西,适合用来当外行人看

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