基于位置服務(wù)的酥瓜大田灌溉監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

 引 言

酥瓜（羊角脆）是甜瓜的一個品種，屬葫蘆科植物，因果實酥脆而得名，味甜、皮薄、品質(zhì)好，富含多種維生素，深受消費者青睞 [1]，主要產(chǎn)于沿淮地區(qū)。經(jīng)驗表明，酥瓜的生長對外部環(huán)境條件較為苛刻，對管理的要求較高。因此，酥瓜種植現(xiàn)如今主要以大棚種植為主，間接導(dǎo)致酥瓜的價格居高不下。

在參考借鑒已有研究的基礎(chǔ)上開發(fā)了一套適用于大面積種植的智能噴灌設(shè)備，系統(tǒng)定位節(jié)點地理位置、采集數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)而做出相應(yīng)措施，調(diào)控噴灌節(jié)點，以實現(xiàn)作物生長適合區(qū)間，提高作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)的總體方案

1.1 種植存在的問題

（1）傳統(tǒng)的人工灌溉方式嚴(yán)重浪費水資源 ：我國是水資源較為缺乏的國家之一，農(nóng)業(yè)是用水大戶，但我國農(nóng)業(yè)用水的利用率極低，因此節(jié)水潛力巨大。農(nóng)業(yè)用水的自動化符合我國的基本國策，同時也是未來的趨勢所在。

（2）土地資源浪費嚴(yán)重 ：傳統(tǒng)灌溉一般會修筑干渠、支 渠、斗渠等，土地中還會挖大量的梗、溝渠，減少了有效的用土面積，并且在灌溉過程中還會損失大量水分。

（3）種植成本較高 ：我國地域廣闊，大棚種植方式在成本和管理上存在很大困難，而傳統(tǒng)種植方式不僅作物產(chǎn)量不穩(wěn)定，管理也會耗費大量人力。

1.2 系統(tǒng)總體目標(biāo)

酥瓜在不同時期的需水量差別較大，環(huán)境（主要是土壤持水量）會直接影響到酥瓜果實的甜度和果實產(chǎn)量 [2]，因此必須對酥瓜在各個時期的灌溉予以重視。酥瓜各時期最適生長環(huán)境見表 1 所列。

本文主要通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備智能調(diào)節(jié)噴灌設(shè)備來改變酥瓜在各個時期的種植環(huán)境，以達(dá)到降低管理要求與成本付出、提高作物產(chǎn)量、實現(xiàn)大面積規(guī)?；N植的目的。

2 解決方案

本系統(tǒng)通過溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、LBS 等對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，NB-IoT 設(shè)備等將采集的數(shù)據(jù)傳輸至后臺，智能調(diào)控噴灌節(jié)點，進(jìn)而調(diào)控作物生長的外界環(huán)境。

2.1 感知層

感知層用于識別物體、采集信息，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集器將采集的節(jié)點的地理位置信息、環(huán)境溫濕度、土壤持水量等各項環(huán)境指標(biāo)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行傳輸。

2.2 傳輸層

將從感知層接收的數(shù)據(jù)通過組網(wǎng)進(jìn)行傳輸是傳輸層的功能，使用 NB-IoT 技術(shù)進(jìn)行傳輸。NB-IoT 技術(shù)具有海量連接、深度覆蓋、功耗低、成本低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，符合大面積規(guī)?；N植的要求 [3]。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層在客戶端顯示每個節(jié)點的環(huán)境信息并智能調(diào)節(jié)灌溉節(jié)點進(jìn)而調(diào)控農(nóng)田的環(huán)境，通過傳感器實時監(jiān)測農(nóng)田各項環(huán)境信息，根據(jù)各項指標(biāo)進(jìn)行綜合補(bǔ)水，并輔以流量監(jiān)控， 避免在傳統(tǒng)種植時農(nóng)戶憑個人經(jīng)驗施水產(chǎn)生的誤差，導(dǎo)致農(nóng)作物生長不良。系統(tǒng)流程如圖 1 所示。

3 硬件與系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，固件程序即指存儲于終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點中的程序 [4]。

3.1 LBS設(shè)計

LBS 的活動式設(shè)計實現(xiàn)了在界面上顯示地理位置的功能，極大地提高了設(shè)備的利用率。隨“插”隨用，相比于傳統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備，提高了設(shè)備的檢測范圍，也降低了檢測數(shù)據(jù)的誤差。最新的 NB-IoT 設(shè)備的使用，功耗更低，覆蓋面積更大，檢測更加方便。

3.2 改進(jìn)的灌溉方式

改進(jìn)的灌溉方式加大了水資源的利用率?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能化調(diào)控可以在不同的土地、不同的季節(jié)、不同的作物種類條件下根據(jù)作物的需求對灌溉系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且在前端顯示參數(shù)閾值，在大幅提高種植效率的同時減少農(nóng)戶精力的投入。

(1) 噴灌設(shè)備的選擇

微噴灌技術(shù)屬于一種精細(xì)高效的現(xiàn)代化節(jié)水灌溉技術(shù)， 其在實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水的同時，還能夠消除地面土質(zhì)差、作物栽培密度高等不利影響，是提高我國農(nóng)作物產(chǎn)量的有效灌溉技術(shù) [5]。因此選用微噴灌技術(shù)作為我們研究的對象。

(2) 噴灌設(shè)備與檢測節(jié)點的安放

采用方型區(qū)域布置方式是大面積平原種植中噴頭布置的最優(yōu)選擇 [6]。為實現(xiàn)均勻噴灌，采用方型區(qū)域布置方式安放噴灌設(shè)備，如圖 2所示。方型區(qū)域布置方式的所有噴灌噴頭同時噴射 1次，S區(qū)域?qū)⒈粐娚?3次，而 D區(qū)域?qū)⒈粐娚?4次。考慮風(fēng)向以及風(fēng)速對噴頭輻射周邊的影響，選用 A 點極其類似點安放節(jié)點，測量精度最高。

（3）軟件后臺設(shè)計

采用 NB-IoT 技術(shù)進(jìn)行傳輸，采用 MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可維護(hù)性強(qiáng)，可靠性高。在 Eclipse 開發(fā)環(huán)境下，采用 JavaWeb 技術(shù)，配合前端框架技術(shù)，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲、可維護(hù)性強(qiáng)、可靠性高的同時使得數(shù)據(jù)實時可見、狀態(tài)實時更新。

4 工作流程

4.1 工作流程描述

本系統(tǒng)通過溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器采集作物生長的環(huán)境信息。通過 NB-IoT 通信技術(shù)上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，后臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析，以圖表、曲線的形式顯示至前端用戶界面，前端用戶通過手動遙控或者智能閾值調(diào)控大田中噴灌節(jié)點的設(shè)備，進(jìn)而達(dá)到控制土壤持水量、田間小氣候的功能。控制流程如圖 3 所示。

4.2 環(huán)境檢測

以一個節(jié)點輻射的面積為例，在半徑 17 ～ 20 m 的圓形土地內(nèi)，若附近傳感器節(jié)點不斷檢測到土壤持水量、空氣溫濕度，則傳感器將信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器后臺。

4.3 閾值設(shè)計與智能控制

研究表明，酥瓜在發(fā)芽期、幼苗期、伸蔓期、開花至膨大期、成熟期對環(huán)境的各項指標(biāo)的要求存在較大的差異，需要根據(jù)不同時期酥瓜的需求對網(wǎng)站后臺進(jìn)行閾值設(shè)計。當(dāng)溫濕度或土壤濕度超出相應(yīng)時期的閾值時，后臺程序通過智能運算判斷是否要調(diào)控噴灌節(jié)點以及如何合理開啟設(shè)備等。系統(tǒng)實時監(jiān)控作物生長環(huán)境，當(dāng)各項環(huán)境指標(biāo)達(dá)到最適生長環(huán)境閾值區(qū)間時，噴灌設(shè)備停止運行。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)主要針對大棚種植成本過高以及大面積露天種植過程中，農(nóng)戶管理不科學(xué)、資源浪費嚴(yán)重等問題，結(jié)合我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實際情況進(jìn)行了思考與研究。特選取種植難度較高、對生長環(huán)境較為苛刻的酥瓜進(jìn)行研究。通過對酥瓜環(huán)境的監(jiān)控調(diào)節(jié)，以達(dá)到各個時期最適生長閾值。實驗表明，本系統(tǒng)對大面積種植的作物有一定的效果。該系統(tǒng)還可以延展到其他作物種植中，給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大面積規(guī)?；N植的應(yīng)用提供新的思路。