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

 引 言

酥瓜（羊角脆）是甜瓜的一個(gè)品種，屬葫蘆科植物，因果實(shí)酥脆而得名，味甜、皮薄、品質(zhì)好，富含多種維生素，深受消費(fèi)者青睞 [1]，主要產(chǎn)于沿淮地區(qū)。經(jīng)驗(yàn)表明，酥瓜的生長(zhǎng)對(duì)外部環(huán)境條件較為苛刻，對(duì)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(jià)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(diǎn)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(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)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(fèi)水資源 ：我國(guó)是水資源較為缺乏的國(guó)家之一，農(nóng)業(yè)是用水大戶，但我國(guó)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(dòng)化符合我國(guó)的基本國(guó)策，同時(shí)也是未來(lái)的趨勢(shì)所在。

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

（3）種植成本較高 ：我國(guó)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(huì)耗費(fèi)大量人力。

1.2 系統(tǒng)總體目標(biāo)

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

本文主要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備智能調(diào)節(jié)噴灌設(shè)備來(lái)改變酥瓜在各個(gè)時(shí)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(shí)現(xiàn)大面積規(guī)?；N植的目的。

2 解決方案

本系統(tǒng)通過(guò)溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、LBS 等對(duì)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(tái)，智能調(diào)控噴灌節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而調(diào)控作物生長(zhǎng)的外界環(huán)境。

2.1 感知層

感知層用于識(shí)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(diǎn)的地理位置信息、環(huán)境溫濕度、土壤持水量等各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸。

2.2 傳輸層

將從感知層接收的數(shù)據(jù)通過(guò)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(shì)，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(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息并智能調(diào)節(jié)灌溉節(jié)點(diǎn)進(jìn)而調(diào)控農(nóng)田的環(huán)境，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田各項(xiàng)環(huán)境信息，根據(jù)各項(xiàng)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(shí)農(nóng)戶憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)施水產(chǎn)生的誤差，導(dǎo)致農(nóng)作物生長(zhǎng)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(chǔ)于終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中的程序 [4]。

3.1 LBS設(shè)計(jì)

LBS 的活動(dòng)式設(shè)計(jì)實(shí)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(cè)范圍，也降低了檢測(cè)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(cè)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(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水的同時(shí)，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(guó)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(duì)象。

(2) 噴灌設(shè)備與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shí)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?？紤]風(fēng)向以及風(fēng)速對(duì)噴頭輻射周邊的影響，選用 A 點(diǎn)極其類似點(diǎn)安放節(jié)點(diǎn)，測(cè)量精度最高。

（3）軟件后臺(tái)設(shè)計(jì)

采用 NB-IoT 技術(shù)進(jìn)行傳輸，采用 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)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(chǔ)、可維護(hù)性強(qiáng)、可靠性高的同時(shí)使得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可見、狀態(tài)實(shí)時(shí)更新。

4 工作流程

4.1 工作流程描述

本系統(tǒng)通過(guò)溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器采集作物生長(zhǎng)的環(huán)境信息。通過(guò) NB-IoT 通信技術(shù)上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、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(guò)手動(dòng)遙控或者智能閾值調(diào)控大田中噴灌節(jié)點(diǎn)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(cè)

以一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)不斷檢測(cè)到土壤持水量、空氣溫濕度，則傳感器將信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器后臺(tái)。

4.3 閾值設(shè)計(jì)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(duì)環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)的要求存在較大的差異，需要根據(jù)不同時(shí)期酥瓜的需求對(duì)網(wǎng)站后臺(tái)進(jìn)行閾值設(shè)計(jì)。當(dāng)溫濕度或土壤濕度超出相應(yīng)時(shí)期的閾值時(shí)，后臺(tái)程序通過(guò)智能運(yùn)算判斷是否要調(diào)控噴灌節(jié)點(diǎn)以及如何合理開啟設(shè)備等。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控作物生長(zhǎng)環(huán)境，當(dāng)各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)達(dá)到最適生長(zhǎng)環(huán)境閾值區(qū)間時(shí)，噴灌設(shè)備停止運(yùn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)主要針對(duì)大棚種植成本過(guò)高以及大面積露天種植過(guò)程中，農(nóng)戶管理不科學(xué)、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際情況進(jìn)行了思考與研究。特選取種植難度較高、對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境較為苛刻的酥瓜進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)酥瓜環(huán)境的監(jiān)控調(diào)節(jié)，以達(dá)到各個(gè)時(shí)期最適生長(zhǎng)閾值。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)對(duì)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。