物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發展階段。其英文名稱是：“Internet of things（IoT）”。顧名思義，物聯網就是物物相連的互聯網。這有兩層意思：其一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；其二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網是互聯網的應用拓展，與其說物聯網是網絡，不如說物聯網是業務和應用。因此，應用創新是物聯網發展的核心，以用戶體驗為核心的創新2.0是物聯網發展的靈魂。

中國是農業大國，在農業上，物聯網技術也有出色的表現，下面是物聯網在農田節水灌溉上的應用方案。

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水是農業的命脈,也是整個國民經濟和人類生活的命脈。水資源狀況和利用水平已成為評價一個國家一個地區經濟能否持續發展的重要指標。我國是一個水資源相對貧乏的國家,年均降水量為630mm,低于全球陸面和亞洲陸面的降水量;年平均淡水資源總量為2.8萬億m3,人均占有水量僅2300m3,只相當于世界人均水平的1/4,居世界第109位,是世界上人均占有水資源最貧乏的13個國家之一;耕地水資源占有量28500 m3/hm2,為世界平均數的4/5。

2 農業用水現狀及節水灌溉發展趨勢
從全國對水資源量總的需求來看,在出現中等干旱的情況下,全國總需水量為5500億m3左右,缺水量為250億m3左右。若考慮供水中的地下水超采和超標準污水直灌等不合理供水因素,則全國實際缺水量在300～400億m3之間。農業是我國的用水大戶,約占全國總用水量的73%,但有效性很差,水資源浪費十分嚴重,渠灌區水的有效利用率只有40%左右,井灌區也只有60%左右,每m3水生產糧食不足1kg。而一些發達國家水的有效利用率可達80%以上,每m3水生產糧食大體都在2kg以上,其中以色列已達2.32kg。由此說明,我國各種節水農業技術的綜合應用程度還十分低下,與發達國家相比還存在著很大的差距。
目前,比較有發展潛力的節水灌溉新技術是:一是與生物技術相結合的作物調控灌溉技術。是從作物生理角度出發,在一定時期主動施加一定程度有益的虧水度,使作物經歷有益的虧水鍛煉,改善品質,控制上部旺長,實現矮化密植,到達節水增產的目的。二是應用3S技術的精細灌溉技術。就是運用全球衛星定位系統(GPS)和地理信息系統(GIS),遙感技術(RS)和計算機控制系統,實時獲取農用小區作物生長實際需求的信息,通過信息處理與分析,按需給作物進行施水的技術,可以最大限度提高水資源的利用率和土地的產業率。這是農田灌溉學科發展的熱點和農業新技術革命的重要內容。 三是智能化節水灌溉裝備技術。就是把生物學、自動控制、微電子、人工智能、信息科學等高新技術集成節水灌溉機械與設備,實時地檢測土壤和作物的水分,按照作物不同的需水要求來實施變量施水,達到最優的節水增產效果。
本文所設計的基于物聯網技術的農田節水灌溉系統是將上述的三者進行有機的結合,在此基礎上運用物聯網技術,從而實現全自動化與信息化的節水灌溉系統。

3 系統結構設計
農田節水灌溉系統由土壤水分傳感器、物聯網終端采集單元、噴灌機控制終端、遠程監控計算機系統組成。如圖1所示。傳感器埋入土壤中,直接獲取地表下0～100cm各個深度處的土壤水分信息,并將其轉化為0～5V模擬電壓信號。物聯網終端采集單元一方面用于采集傳感器的土壤水分信息,另一方面利用GPRS網絡模式將土壤水分信息傳遞給安裝于監控中心的監控計算機。在一個農田節水灌溉監控系統中,根據需要,物聯網終端采集單元可以有多個,每個采集終端可以作為一個土壤墑情固定監測站,分布在區域內不同的特征點處進行土壤水分信息采集。監控中心計算機循環接收各個采集終端發送的土壤墑情信息,監控計算機將接收到的數據與數據庫中的農作物需水量進行分析、比對,從而形成最佳灌溉方案,然后由監控計算機將灌溉命令下發到噴灌機控制終端,噴灌機控制終端直接控制噴灌機以及深井泵等設備進行灌溉作業。系統結構圖如圖1所示。

4 系統功能特點
(1) 系統管理,該部分對系統所有的數據表進行結構定義和維護;并對維持系統正常運行的帳戶、權限、界面、系統運行參數、文件類別和屬性等信息進行管理和維護;定義特定領域的知識規范。
(2) 噴灌機控制,根據土壤墑情信息,系統制定灌溉方案,通過GPRS網絡遠程控制噴灌機,實現全自動灌溉。
(3) 數據的查詢檢索功能,具有多種形式和途徑的查詢檢索功能,并以圖件、表格或其他形式輸出查詢結果。查詢方式包括點位查詢、空間查詢和邏輯條件組合查詢。
(4) 數據采集單元自動定位,終端數據采集根據放置地點自動將經緯度數據發送至監控中心計算機,中心計算機在操作界面上自動確定并顯示數據采集單元的布設地點。
(5) 數據分析功能,針對不同屬性進行不同區段的分析,結果以專題圖形式提供,可供打印輸出。

5 上位機軟件結構
監控中心主要由網絡服務器和土壤墑情數據處理計算機構成,具有Intemet公網固定IP,其功能是進行數據的實時接收、處理和顯示。監控中心計算機軟件采用亞控組態王作為開發平臺。通過對組態王的二次開發,中心計算機可以實時采集數據并顯示,形成數據庫、報表,供灌溉預報及決策使用,依據監測數據計算灌水時間與灌水量,將監測與計算結果用圖表、曲線顯示或打印輸出[1]。系統設計將從簡潔易用的角度出發,其主要操作界面如圖2所示。

6 物聯網采集單元的設計
物聯網采集單元的設計為本系統的終端采集單元,由于在農田灌溉上檢測范圍比較大,數量多、布點不固定并只在農耕季節使用等特點考慮,采集終端需要設計成可靈活移動、易于安裝的方式,其次在每一個采集終端上安裝GPS定位模塊,使發送到監控中心計算機上的數據帶有地理位置下標,中心計算機根據上傳的數據的地理位置下標來確定采集點具體地理位置,從而實現準確的數據采集。另外,由于數據采集單元放置在農田里,采用“太陽能電池板+蓄電池”的形式為采集單元供電。

采集終端主要由MCU單元、采集單元、太陽能供電單元、通信單元、GPS定位單元等部分組成,其結構如圖3所示。其中,采集單元利用土壤濕溫度傳感器采集土壤墑情數據,數據經嵌入式微控制器MCU(MicroControUer Unit)處理后,通過GPRS網絡發送至監控中心計算機上,中心計算機收集溫濕度數據,并自動顯示相關信息。土壤傳感器輸出的信號被信號調理電路處理后傳送到子系統內部的模數轉換器ADC(AnMog—to—DistalConvener)。MCU定時啟動ADC,進行模數轉換并取走數據,然后把經過處理的數據通過串行口傳送到GPRS模塊,并啟動該模塊將數據發送到GPRS無線網絡。數據被GPRS網絡接收后經由網關轉送至Internet,最后被連接到Intemet的中心站計算機接收[2]。

采集終端的核心控制MCU是整個采集系統的核心,考慮到成本和處理性能的要求,嵌入式MCU選用ATMEL公司生產的低功耗8位微處理器ATmega128作為數據采集子系統的處理器芯片。該芯片硬件資源豐富,具有功耗低、功能多、價格便宜和性能強大等優點。在該終端中核心處理器ATmega128單片機通過COM0直接與GPRS模塊相連接,完成對GPRS模塊的初始化和基于GPRS網絡的數據傳輸功能。系統中的GPS模塊則通過ATmega128的COM1進行通信。ATmega128自身帶有128K字節FLASH存儲器,下位機程序可直接通過編程器下載到片內FLASH中。同時ATmega128再帶4K字節的EEPROM存儲器,傳感器采集數據直接存放在EEPROM中。在該設計中采用的GPRS通信模塊和GPS模塊接口均為TTL電平接口,可以直接與ATmega128單片機的串行接口進行連接,接口電路如圖4、圖5所示:

嵌入式GPRS模塊的供電為直流5V供電,TXD、RXD為通信接口,在本設計中可直接連接至AVR單片機的串行接口上, ONLINE為在線指示接口,當連接到網絡以后該端口輸出一個低電平信號,通過74ALS04進行反向以后驅動D1發光二極管,當發光二極管點亮以后便證明現在控制器已連接網絡。GPS模塊通過單片機的COM2口連接,如圖5所示。
在該采集終端中,土壤濕度傳感接口為0～5V模擬量接口,所以傳感器選擇昆侖海岸公司生產的JWSL一5VB保護型溫濕度變送器,其輸出信號為直流電壓信號,范圍為0～5V,溫度與濕度信號從各自的通道輸出,相互獨立。傳感器輸出的信號經過線性轉換處理后輸入到ATmega128的ADC1引腳,由ATmega128內部的ADC進行模數轉換。ATmega128內部的ADC具有8個通道,每通道的分辨率為10bit,輸入電壓范圍為0～5V,能夠滿足該系統數據巡回采集的需要。傳感器信號調理及與ATmega128的接口電路如圖6所示。傳感器輸出的電壓信號進入該電路之后,首先經過低通濾波。傳感器輸出的電壓信號本身可能有不穩定因素,加上經過長電纜傳送,此過程中還會受到其他設備的干擾,很多中高頻噪聲疊加到信號中,所以在信號進入處理器的ADC之前,先通過低通濾波器盡可能地把噪聲和干擾濾除。這里使用一階RC低通濾波器進行濾波,截止頻率為15．92Hz,可以有效地衰減中高頻干擾成分,較好地反映出信號的變化。傳感器輸出信號通過濾波器后,再經一級電壓跟隨器緩沖,由R1和R3組成的分壓電路轉換成0—4.09V的電壓信號后,再經一級緩沖,最后送人處理器的ADC1端口(溫度信號送ADC1,濕度信號送ADC2)[2]。

7 結束語
本文設計的基于物聯網技術的節水灌溉控制系統依據土壤墑情和作物需水情況制定最優灌溉方案,對作物實行按需灌溉,最大限度的降低水資源的消耗,緩解水資源日趨緊張的矛盾,并且還為作物提供了更好的生長環境,充沛發揚現有節水配備的作用,優化調度,提高效益。