基于 ARM 的物聯網智能灌溉系統的研究

引 言

目前我國大力發(fā)展農村經濟一體化，農業(yè)正處于從傳統農業(yè)向規(guī)?；F代農業(yè)發(fā)展的跨越階段，分散的小農經濟正逐漸向大農場時代轉變[1]。傳統的農業(yè)作業(yè)方式仍停留在“經驗模式”，這種作業(yè)方式存在一定的滯后性，并且以人工為主的作業(yè)方式也很難滿足大農場時代的規(guī)?；芾硇枨?。近些年，物聯網技術已廣泛應用在社會生產活動的各個領域， 以物聯網技術為基礎的信息技術的發(fā)展為現代化農業(yè)規(guī)?；芾硖峁┝丝赡?，運用物聯網技術可以及時有效地改善作物生長環(huán)境，精確控制農作物生長過程中的影響參數，大大提高農業(yè)作業(yè)的自動化水平，減少人力、物力成本，從而促進現代化農業(yè)規(guī)?；洜I和產業(yè)化發(fā)展。

本文提出一套基于 ARM 的物聯網智能灌溉系統，旨在改善傳統農業(yè)落后的作業(yè)方式，提高農業(yè)領域的自動化技術水平。結合云計算、大數據新興信息技術，提出農業(yè)大棚智能灌溉解決方案，實時監(jiān)測采集植物生長土壤環(huán)境、溫濕度以及 CO2 含量等參數，根據云端智能分析的反饋數據進行相關參數的控制和調節(jié)，同時將相關監(jiān)測數據推送到 Web 端或移動終端，實現智能監(jiān)控、預警、養(yǎng)護等功能。

1 系統總體框架及其工作原理

1.1 系統框架

物聯網智能灌溉系統包括傳感器系統、嵌入式 ARM 控制系統、移動終端、算法設計、云端交互模塊以及控制執(zhí)行系統。傳感器系統、控制執(zhí)行系統分別完成數據采集與控制功能，移動終端遠程操控并結合云端算法輔助完成系統參數調整，云端交互模塊完成遠程控制與底層嵌入式 ARM 微系統數據交互，反饋數據由傳感器系統反饋至移動終端形成閉環(huán)控制。其中，云端以算法服務為核心，通過云端交互模塊對 ARM 控制器發(fā)送控制指令，由此調整植物生長環(huán)境的相關參數，結合用戶反饋及收集到的數據進行科學分析，經由核心算法優(yōu)化，使得整套體系循環(huán)發(fā)展以至完善。物聯網智能灌溉系統框架如圖 1 所示。

1.2 工作原理

物聯網智能灌溉系統從結構上分為數據采集、服務應用、控制執(zhí)行三個部分，其結構如圖 2 所示。在數據采集部分， 使用溫濕度、CO2 含量、流量等傳感器采集農業(yè)大棚內相關參數的基礎數據信號，采集到的基礎數據信號在調制解調器中經過濾波、模數轉換等處理上行至 ARM 控制單元，ARM 微系統通過I/O 端口控制棚內數字儀表實時顯示相關參數值。同時，ARM 微系統通過 GSM 數字通信模塊與云端實現數據交互，將采集到的實時數據推送至云端并存儲。

服務應用部分的數據來源于云端的云數據庫，移動終端定時從云端獲取數據，用戶可通過移動終端應用程序（如APP、微信小程序等）實時觀測棚內的環(huán)境參數。云端的智能分析模塊實時計算出大棚的健康指數，將大棚的健康指數和可能出現的預警信息推送給終端用戶，用戶參考系統給出的健康值和預警分析，自動執(zhí)行優(yōu)化灌溉程序，同時也可手動遠程控制灌溉系統。

控制執(zhí)行部分主要完成棚內溫濕度、CO2 含量、土壤酸堿度等環(huán)境參數的控制，基于 ARM 的微系統通過控制農藥、肥料、pH 濃度控制閥，實現遠程操控，進行合理噴灑農藥、遠程施肥、調節(jié)土壤酸堿度等操作。

2 智能灌溉系統設計

智能灌溉系統實現智能澆水、噴灑農藥、智能調節(jié)土壤酸堿性等功能，與傳感器配合實現相關參數的自動調節(jié)，目標控制值由云端應用程序給定。系統控制流程如圖 3 所示。

智能灌溉系統的核心部件為電磁流量閥，溫度、流量、pH 濃度傳感器，云端應用程序經用戶指令與智能輔助分析給出控制預期值，將傳感器采集的實時值與預期值的差額作為系統的控制輸入，實現差動閉環(huán)控制。用戶設定預期值后系統啟動，常溫水閥控制常溫液態(tài)水流入，在混合水閥側注入高溫水流，混合水閥開啟后常溫液態(tài)水與高溫水形成一定溫度的混合水流，混合水箱裝有溫度傳感器，將混合水流的溫度檢測值反饋至 ARM 微系統，產生的差額作為系統的輸入，驅動常溫水閥與混合水閥閥門調節(jié)，直至到達預期溫度水流，混合水箱開啟，通過噴灑裝置實現自動灌溉?；旌纤渑c混合水閥側設有回流通路，當混合水箱已滿回路開啟， 水流流回混合側，避免調節(jié)參數過程中的水流浪費現象。將混合水閥與農藥、酸堿原料口進行有機組合，用農藥、酸堿性原料代替高溫水流，配合混合水箱的傳感器，基于云端數據合理調節(jié)好農藥濃度以及酸堿度，由 ARM 微系統控制好噴灑時間、水流流量，進而實現無人化病蟲害防治系統。

3 云端交互系統設計

云端交互系統的重點是基于互聯網的云端大數據調節(jié)， 實現智能化灌溉、養(yǎng)護、防治、預警等功能。采集反饋數據與云端數據對比分析，通過輔助算法分析植物生長的健康指數，并由此計算出分時段的灌溉量。云端可采用 B/S 架構搭建可視化操作界面，建立農戶論壇機制，農戶可以分享自己的經驗所得，提出有效合理的解決方案，同時云端應用程序定期收集針對各種植物的種植數據，將互聯網采集到的數據、農戶面對面交流得到的數據、實際檢測數據以及系統用戶的反饋數據交由算法算出最優(yōu)解決方案，由云端 GSM 通信模塊將數據傳輸至每個獨立的灌溉系統。系統周期性地總結報表，包括植物的健康狀況，用藥濃度、劑量等，再根據用戶實際反饋，合理調整輔助優(yōu)化算法，根據不同的地區(qū)、土壤、氣候、時間，針對性地調整算法，使植物更好地適應氣候和區(qū)域差異茁壯成長。

4 結 語

目前大規(guī)模農作物生產越來越多，繼而對農業(yè)灌溉的多變性、精確度以及方便性提出了更高要求，許多先進領域的技術逐漸應用到農業(yè)生產中，在此背景下，農業(yè)領域的各種先進生產技術也逐步走向成熟 [2]。本文研究的基于物聯網的智能灌溉系統融合了物聯網、云計算、大數據等技術，提出一套合理有效的農業(yè)智能灌溉解決方案，實現對農業(yè)大棚數據的實時監(jiān)測與自動化智能灌溉，提高農業(yè)領域自動化、智能化水平 [3]?；?a href="/tags/物聯網" target="_blank">物聯網智能灌溉系統的推廣與應用定將有效推進節(jié)水型社會建設，降低農業(yè)領域人力、物力成本，大大提高生產管理效率。