1、基于物联网技术的蔬菜自动灌溉系统研 究 宋军平 赵高丽 河南科技学院新科学院 河南科技学院 摘 要： 利用物联网的传感器技术实时采集环境的空气温湿度、 土壤水分和光照度等因子, 单片机将数据进行分析处理做出合理的控制决策, 控制执行器进行自动喷灌, 实现了计算机自动控制, 按需、按期和按量灌溉。系统共有 3个模块组成, 分别 是数据采集、 AT89c52 型号单片机以及控制模块。 数据采集模块共有 3部分组成, 分别是硅光电池、土壤水分传感器以及空气温、湿度传感器。控制模块包括现场 监控中心、 集中监控中心、 设备控制功能以及后台数据库存储管理。 有环保节能、 节水、省力等优点, 有一定实用性
2、和推广性。 关键词： 物联网; 蔬菜自动灌溉系统; 温湿度; 光照度; 作者简介：宋军平 (1979-) , 女, 讲师, 硕士, 研究方向:计算机软件及信息技 术。 基金：2016年度河南省高等学校重点科研项目计划“基于物联网的设施蔬菜生 长信息化关键技术研究” (16A520051) 1 概述 基于物联网蔬菜自动灌溉系统是一种自动化环保节水的灌溉方式, 能够调节空 气的温湿度, 为植物正常生长提供充足的水分。 实验数据表明蔬菜自动灌溉比地 面灌溉作物产量有一定程度的提高。 由于我国蔬菜自动灌溉系统还不够成熟, 基 本还是以人工灌溉为主。 为了对蔬菜自动灌溉用水的控制设计了基于物联网蔬菜 自
3、动灌溉检测控制系统。 本系统不仅完成了蔬菜自动灌溉的实时监测而且还对空 气温湿度和土壤湿度进行检测等功能。 2 蔬菜自动灌溉系统结构 由于自动灌溉系统一般将管理较大区域的灌溉, 为了灌溉方便将较大区域划分 成若干小区域, 通过物联网技术将一个个小的区域统一连接起来, 运用物联网 技术连接成一个网络, 进行统一化、自动化管理。因此, 基于物联网技术的蔬菜 自动灌溉系统分以下两部分进行分析: (1) 现场监控站, (2) 集中监控中心。现 场监控站位于整个蔬菜自动灌溉系统的最底层, 是蔬菜自动灌溉控制系统以及 信息管理系统中不可分割的最小单元, 它完成了信息数据采集工作, 并对采集 来的原始数据原
4、样不动的上传至上层的集中监控中心。 集中监控站通过网络实现 对信息的收集, 对数据的分析, 将结果统一整理存储在后台数据服务器上, 保 证数据的有效性、安全性、准时性。集中监控站将监控到的所有信息进行全部的 采集和处理, 然后再集中分析采集到信息的有效性, 将有效信息传到数据库中 进行保存。 通过物联网自身具备的 Web发布功能, 并且为了相关工作人员进行查 看分析提供方便, 从而把相关信息数据传送至相对应计算机上。 为了节省硬件成 本, 通常运用计算机通信技术、PDA或者Wi Fi 等无线通信方式与现场监控站进 行连接, 从而确保数据分析的实时性、有效性与准确性。通过对现场监控站相关 数据的
5、采集以及历史数据的分析, 整个灌溉系统和信息管理系统的核心是集中 监控中心, 而集中监控中心则直接参与现场设备的控制。 该监控中心的应用也会 针对不同的问题制订对应的节水灌溉方案。 3 现场监控站 常见的现场监控站一般包括画面监控管理、设备控制管理、数据存储记录管理、 异常报警、用户身份管理控制和数据上传等 6部分。 3.1 画面监控 画面监控主要包括设备监控、数据统计分析界面以及系统运行管理。 (1) 设备监控首先根据田间铺设管道具体情况, 通过绘制蔬菜自动灌溉分布图, 再从分布图上了解相关电磁阀的具体位置和使用状态, 然后根据需要决定是否 启用灌溉, 也可以了解正在灌溉的组别、 灌溉时长以
6、及当前系统时间显示等基础 信息。还能根据电磁阀的状态统一实时查询轮灌启动、界面锁定、电磁阀的单独 开启关闭以及状态查询等。 假如画面监控系统进入界面锁定状态, 那么操作人员 只能浏览查询整个界面, 不能对系统有任何操作, 要想对系统进行正常的控制 操作则需要通过密码解锁方式方可进行。 (2) 数据统计分析界面将一些有感数据进行收集分析统计, 包括实时数据显示 和历史数据显示两部分内容。 (3) 系统管理包括用户管理界面、数据存储、设备基本信息、灌溉系统参数界面 等。 3.2 设备控制管理 设备控制管理功能主要是通过对分布于田间的各个电磁阀与水泵的单独控制, 或者对各个电磁阀的集中灌溉控制。 对
7、于非专业人员可以独自对监控界面的设备 进行控制, 也能自动化一键控制, 当操作没有反馈错误信息时, 系统会进行相 应的报警。 在系统管理界面中根据蔬菜灌溉的需求进行配置, 配置系统自动化控 制功能。 3.3 数据存储记录管理 本系统将会采集到各种研究时需要的模拟量数据, 并将这些数据记录保存, 后 台使用Oracle数据库进行数据处理, 按照预设的时间自动记录一次 (每半小时 或一个小时) , 记录时间可以自由设定, 数据保存时间为 3个月。同时, 为了方 便对历史记录数据进行分析, 目前可以通过报表、 绘制曲线的方式进行对历史记 录数据的查看, 后期将加入大数据分析功能, 以更好地掌握蔬菜自
8、动灌溉控制 系统的应用。 3.4 异常报警 通过加入异常报警功能, 用来对重要的操作或模拟量超限进行报警提示。 通常根 据现场触发计算机预设的报警异常条件或传感器, 运用声光或短信方式进行报 警提醒。 为了实现该功能, 需要在泵房监控系统中配置相应的音箱或短信发送模 块传感器。 并将异常报警数据存储到相应的数据库中, 方便后期对报警数据进行 历史查询和数据分析。 3.5 用户身份管理控制 本功能是对系统使用者管理操作, 不仅包括相应参数设置的系统维护人员管理, 而且对系统使用者包括非技术人员的操作权限管理。 各个用户都可以通过其用户 名和密码登录系统, 以获取不同的操作权限。 非技术人员的权限
9、只能是对系统设 备进行单独操作和实时数据的查看。 而系统管理员则是可以对所有功能进行操作, 但需要注意的是, 由于维护人员不是长期驻守在泵房, 所以由系统管理统一进 行远程参数维护, 以保证系统的安全运行。 3.6 数据上传 为了更好地将现场监控到数据采集、分析, 系统启用了数据上传功能。数据上传 是通过基于物联网技术通信设备中的主站方式将数据发送到监控站后进行分析 和汇总。 在这里, 现场监控站的作用主要就是采集数据监控信息, 然后将采集到 的数据监控信息存存储和上传, 以便后期分析与整理。 对于管理系统来说, 它还 包括数据上传、发布等管理功能。在上传的过程中, 现场监控站与其上层集中监
10、控站的通信方式通常采用搭建有线和无线网络的两种方式。 4 集中监控站 集中监控站是把一台服务器放在管理中心进行监控, 并对将其所监控区域内的 所有能监控的信息进行集中收集和处理, 并传送到中心服务器、 历史记录中心和 Web应用服务器上, 即能方便快捷地查看监控画面, 也能方便工作人员研究和 分析。 集中监控站系统主要由传感器节点、汇聚节点、路由节点、管理基站和远程访问 等几部分组成。 传感器节点主要采用无污染的太阳能供电, 安装相应的模块, 基 于GPRS 的数据传输方式;而汇聚节点主要是通过 GPRS远程收发节点与管理基站 进行连接。综合运用手机短信、Web权限认证和管理基站等 3种方式对
11、监控节点 进行监控。 在操作的过程中, 还可以采用人工手动或系统自动方式对变频恒压供 水、灌溉、施肥精准控制等功能。 4.1 监控中心 监控中心是对下载的所有现场监控站信息的汇总, 其主要包括: (1) 用户登录界面:监控中心根据不同用户可以按照其不同的权限显示不同的项 目点分布界面。 (2) 监控信息管理:根据用户的操作权限, 显示相应的监控画面, 也选取不同的 现场监控站, 点击打开后显示相应的数据信息。通过实时监控、录像、回放、截 屏、调整聚焦等各方面的业务, 大大减少了管理人员工作量, 减化了工程流程, 方便了管理和监控。 而对于高级用户, 登录后还可以在不同信息管理中切换显示 画面,
12、 充分利用现有的资源和技术, 全面研发自动化技术, 提高开发效率, 综 合考虑装备性价比, 引入温室内部物流化生产模式, 构建物流化生产系统, 提 高种苗生产的总体生产效率, 促进中国蔬菜灌溉系统的更大进步。 4.2 数据统计分析功能 为掌握蔬菜自动灌溉用水应的实际效果, 通过对各个现场监控站数据进行集中 数据的存储, 绘制曲线图进行数据分析对比, 形成报表文件的查看等。 该功能主 要包括以下几个方面: (1) 报表功能:根据采集到的历史数据, 可以形成系统的数据的周报表、月报表 或年报表, 用户根据自己的需求检索相关时间段内的数据, 通过系统报表功能, 自动生成相应的数据报表。同时还可以提供
13、采集数据的查询、打印等功能, 在需 要时也可以导出为相应的文档。 (2) 曲线图功能:根据用户需求, 通过输入需要查询的时间段, 通过对历史记录 数据分析, 直观清晰地展示由系统自动绘制的曲线图。 (3) 数据储存功能:通过搭建Oracle数据库平台, 将系统采集到的相关信息数 据进行记录与存储。 根据工作需要, 一般将历史记录的时间间隔设定为半个小时, 将数据的存储周期设定为一年, 数据存储到数据存储服务器中。为及时了解、跟踪数据库的安全, 还要在后台生成日志记录。 数据存储能够方便用户很快地查找 需要的信息, 数据存储就是对流动的数据进行处理时产生的文件。 4.3 报警功能 对于重要报警信
14、息系统可以通过手机短信的方式在报警的第一时间发送到相关 人员, 系统将监测到的一些设备报警以及模拟量越限报警或是超过预定界限设 备承受能力时触发报警, 对于不重要报警信息可以通过声光方式在监控室显示。 5 结语 基于物联网技术的系统设计融合了自动化技术和手机通信, 运用物联网无线通 信技术特点及局域网无线通信技术特点, 从而更好地实现蔬菜自动灌溉信息定 点或移动数据采集、信息传输功能等。系统设计特点显著, 具有结构简单、功耗 较低、设计成本低、使用性强等特点。在此基础上, 系统还具有在监测数据实时 显示、实时上传和可重复性好等优点。系统在安装和调试过程中, 运行状态良好 实现了基于无线传感器网
15、络技术的设施果蔬生产的控制。 进而实现了基于物联网 技术的蔬菜自动灌溉对空气温湿度和土壤湿度检测任务。 参考文献 1李润, 曹乐, 等.物联网技术在现代包装工业中的应用J.计算机光盘软件 与应用, 2012, 7 (9) :18-19. 2杜娟, 等.京仪集团:物联网产业链的组织者J.科技中国, 2010, 10 (5) :25-26. 3马瑶.新媒体技术在产品开发领域的应用研究C.北京:高等教育出版社, 2009. 4尚聪霞, 陈善继, 等.基于物联网的煤炭安全生产监控系统的设计J.价值 工程, 2013, 17 (5) :28-29. 5张彩红.实验快堆换料过程计算机监控系统设计与开发C.北京:中国社会科 学出版社, 2005.
