基于 ARM 的物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)的研究

引 言

目前我國大力發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟一體化，農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向規(guī)?；F(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的跨越階段，分散的小農(nóng)經(jīng)濟正逐漸向大農(nóng)場時代轉(zhuǎn)變[1]。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)作業(yè)方式仍停留在“經(jīng)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(nóng)場時代的規(guī)?；芾硇枨?。近些年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛應用在社會生產(chǎn)活動的各個領域， 以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎的信息技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)規(guī)?；芾硖峁┝丝赡?，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以及時有效地改善作物生長環(huán)境，精確控制農(nóng)作物生長過程中的影響參數(shù)，大大提高農(nóng)業(yè)作業(yè)的自動化水平，減少人力、物力成本，從而促進現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

本文提出一套基于 ARM 的物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)，旨在改善傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)落后的作業(yè)方式，提高農(nóng)業(yè)領域的自動化技術(shù)水平。結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)新興信息技術(shù)，提出農(nóng)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(shù)，根據(jù)云端智能分析的反饋數(shù)據(jù)進行相關(guān)參數(shù)的控制和調(diào)節(jié)，同時將相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)推送到 Web 端或移動終端，實現(xiàn)智能監(jiān)控、預警、養(yǎng)護等功能。

1 系統(tǒng)總體框架及其工作原理

1.1 系統(tǒng)框架

物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、嵌入式 ARM 控制系統(tǒng)、移動終端、算法設計、云端交互模塊以及控制執(zhí)行系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)、控制執(zhí)行系統(tǒng)分別完成數(shù)據(jù)采集與控制功能，移動終端遠程操控并結(jié)合云端算法輔助完成系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整，云端交互模塊完成遠程控制與底層嵌入式 ARM 微系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，反饋數(shù)據(jù)由傳感器系統(tǒng)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(diào)整植物生長環(huán)境的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合用戶反饋及收集到的數(shù)據(jù)進行科學分析，經(jīng)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(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)框架如圖 1 所示。

1.2 工作原理

物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為數(shù)據(jù)采集、服務應用、控制執(zhí)行三個部分，其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。在數(shù)據(jù)采集部分， 使用溫濕度、CO2 含量、流量等傳感器采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)相關(guān)參數(shù)的基礎數(shù)據(jù)信號，采集到的基礎數(shù)據(jù)信號在調(diào)制解調(diào)器中經(jīng)過濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理上行至 ARM 控制單元，ARM 微系統(tǒng)通過I/O 端口控制棚內(nèi)數(shù)字儀表實時顯示相關(guān)參數(shù)值。同時，ARM 微系統(tǒng)通過 GSM 數(shù)字通信模塊與云端實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，將采集到的實時數(shù)據(jù)推送至云端并存儲。

服務應用部分的數(shù)據(jù)來源于云端的云數(shù)據(jù)庫，移動終端定時從云端獲取數(shù)據(jù)，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(nèi)的環(huán)境參數(shù)。云端的智能分析模塊實時計算出大棚的健康指數(shù)，將大棚的健康指數(shù)和可能出現(xiàn)的預警信息推送給終端用戶，用戶參考系統(tǒng)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(tǒng)。

控制執(zhí)行部分主要完成棚內(nèi)溫濕度、CO2 含量、土壤酸堿度等環(huán)境參數(shù)的控制，基于 ARM 的微系統(tǒng)通過控制農(nóng)藥、肥料、pH 濃度控制閥，實現(xiàn)遠程操控，進行合理噴灑農(nóng)藥、遠程施肥、調(diào)節(jié)土壤酸堿度等操作。

2 智能灌溉系統(tǒng)設計

智能灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)智能澆水、噴灑農(nóng)藥、智能調(diào)節(jié)土壤酸堿性等功能，與傳感器配合實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，目標控制值由云端應用程序給定。系統(tǒng)控制流程如圖 3 所示。

智能灌溉系統(tǒng)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(jīng)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(tǒng)的控制輸入，實現(xiàn)差動閉環(huán)控制。用戶設定預期值后系統(tǒng)啟動，常溫水閥控制常溫液態(tài)水流入，在混合水閥側(cè)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(tǒng)，產(chǎn)生的差額作為系統(tǒng)的輸入，驅(qū)動常溫水閥與混合水閥閥門調(diào)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(xiàn)自動灌溉?；旌纤渑c混合水閥側(cè)設有回流通路，當混合水箱已滿回路開啟， 水流流回混合側(cè)，避免調(diào)節(jié)參數(shù)過程中的水流浪費現(xiàn)象。將混合水閥與農(nóng)藥、酸堿原料口進行有機組合，用農(nóng)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(shù)據(jù)合理調(diào)節(jié)好農(nóng)藥濃度以及酸堿度，由 ARM 微系統(tǒng)控制好噴灑時間、水流流量，進而實現(xiàn)無人化病蟲害防治系統(tǒng)。

3 云端交互系統(tǒng)設計

云端交互系統(tǒng)的重點是基于互聯(lián)網(wǎng)的云端大數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)， 實現(xiàn)智能化灌溉、養(yǎng)護、防治、預警等功能。采集反饋數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)對比分析，通過輔助算法分析植物生長的健康指數(shù)，并由此計算出分時段的灌溉量。云端可采用 B/S 架構(gòu)搭建可視化操作界面，建立農(nóng)戶論壇機制，農(nóng)戶可以分享自己的經(jīng)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(shù)據(jù)，將互聯(lián)網(wǎng)采集到的數(shù)據(jù)、農(nóng)戶面對面交流得到的數(shù)據(jù)、實際檢測數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)用戶的反饋數(shù)據(jù)交由算法算出最優(yōu)解決方案，由云端 GSM 通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至每個獨立的灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)周期性地總結(jié)報表，包括植物的健康狀況，用藥濃度、劑量等，再根據(jù)用戶實際反饋，合理調(diào)整輔助優(yōu)化算法，根據(jù)不同的地區(qū)、土壤、氣候、時間，針對性地調(diào)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(jié) 語

目前大規(guī)模農(nóng)作物生產(chǎn)越來越多，繼而對農(nóng)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(shù)逐漸應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在此背景下，農(nóng)業(yè)領域的各種先進生產(chǎn)技術(shù)也逐步走向成熟 [2]。本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)融合了物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，提出一套合理有效的農(nóng)業(yè)智能灌溉解決方案，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與自動化智能灌溉，提高農(nóng)業(yè)領域自動化、智能化水平 [3]。基于物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)的推廣與應用定將有效推進節(jié)水型社會建設，降低農(nóng)業(yè)領域人力、物力成本，大大提高生產(chǎn)管理效率。