基于 ARM 的物联网智能灌溉系统的研究

引 言

目前我国大力发展农村经济一体化，农业正处于从传统农业向规模化现代农业发展的跨越阶段，分散的小农经济正逐渐向大农场时代转变[1]。传统的农业作业方式仍停留在“经验模式”，这种作业方式存在一定的滞后性，并且以人工为主的作业方式也很难满足大农场时代的规模化管理需求。近些年，物联网技术已广泛应用在社会生产活动的各个领域， 以物联网技术为基础的信息技术的发展为现代化农业规模化管理提供了可能，运用物联网技术可以及时有效地改善作物生长环境，精确控制农作物生长过程中的影响参数，大大提高农业作业的自动化水平，减少人力、物力成本，从而促进现代化农业规模化经营和产业化发展。

本文提出一套基于 ARM 的物联网智能灌溉系统，旨在改善传统农业落后的作业方式，提高农业领域的自动化技术水平。结合云计算、大数据新兴信息技术，提出农业大棚智能灌溉解决方案，实时监测采集植物生长土壤环境、温湿度以及 CO2 含量等参数，根据云端智能分析的反馈数据进行相关参数的控制和调节，同时将相关监测数据推送到 Web 端或移动终端，实现智能监控、预警、养护等功能。

1 系统总体框架及其工作原理

1.1 系统框架

物联网智能灌溉系统包括传感器系统、嵌入式 ARM 控制系统、移动终端、算法设计、云端交互模块以及控制执行系统。传感器系统、控制执行系统分别完成数据采集与控制功能，移动终端远程操控并结合云端算法辅助完成系统参数调整，云端交互模块完成远程控制与底层嵌入式 ARM 微系统数据交互，反馈数据由传感器系统反馈至移动终端形成闭环控制。其中，云端以算法服务为核心，通过云端交互模块对 ARM 控制器发送控制指令，由此调整植物生长环境的相关参数，结合用户反馈及收集到的数据进行科学分析，经由核心算法优化，使得整套体系循环发展以至完善。物联网智能灌溉系统框架如图 1 所示。

1.2 工作原理

物联网智能灌溉系统从结构上分为数据采集、服务应用、控制执行三个部分，其结构如图 2 所示。在数据采集部分， 使用温湿度、CO2 含量、流量等传感器采集农业大棚内相关参数的基础数据信号，采集到的基础数据信号在调制解调器中经过滤波、模数转换等处理上行至 ARM 控制单元，ARM 微系统通过I/O 端口控制棚内数字仪表实时显示相关参数值。同时，ARM 微系统通过 GSM 数字通信模块与云端实现数据交互，将采集到的实时数据推送至云端并存储。

服务应用部分的数据来源于云端的云数据库，移动终端定时从云端获取数据，用户可通过移动终端应用程序（如APP、微信小程序等）实时观测棚内的环境参数。云端的智能分析模块实时计算出大棚的健康指数，将大棚的健康指数和可能出现的预警信息推送给终端用户，用户参考系统给出的健康值和预警分析，自动执行优化灌溉程序，同时也可手动远程控制灌溉系统。

控制执行部分主要完成棚内温湿度、CO2 含量、土壤酸碱度等环境参数的控制，基于 ARM 的微系统通过控制农药、肥料、pH 浓度控制阀，实现远程操控，进行合理喷洒农药、远程施肥、调节土壤酸碱度等操作。

2 智能灌溉系统设计

智能灌溉系统实现智能浇水、喷洒农药、智能调节土壤酸碱性等功能，与传感器配合实现相关参数的自动调节，目标控制值由云端应用程序给定。系统控制流程如图 3 所示。

智能灌溉系统的核心部件为电磁流量阀，温度、流量、pH 浓度传感器，云端应用程序经用户指令与智能辅助分析给出控制预期值，将传感器采集的实时值与预期值的差额作为系统的控制输入，实现差动闭环控制。用户设定预期值后系统启动，常温水阀控制常温液态水流入，在混合水阀侧注入高温水流，混合水阀开启后常温液态水与高温水形成一定温度的混合水流，混合水箱装有温度传感器，将混合水流的温度检测值反馈至 ARM 微系统，产生的差额作为系统的输入，驱动常温水阀与混合水阀阀门调节，直至到达预期温度水流，混合水箱开启，通过喷洒装置实现自动灌溉。混合水箱与混合水阀侧设有回流通路，当混合水箱已满回路开启， 水流流回混合侧，避免调节参数过程中的水流浪费现象。将混合水阀与农药、酸碱原料口进行有机组合，用农药、酸碱性原料代替高温水流，配合混合水箱的传感器，基于云端数据合理调节好农药浓度以及酸碱度，由 ARM 微系统控制好喷洒时间、水流流量，进而实现无人化病虫害防治系统。

3 云端交互系统设计

云端交互系统的重点是基于互联网的云端大数据调节， 实现智能化灌溉、养护、防治、预警等功能。采集反馈数据与云端数据对比分析，通过辅助算法分析植物生长的健康指数，并由此计算出分时段的灌溉量。云端可采用 B/S 架构搭建可视化操作界面，建立农户论坛机制，农户可以分享自己的经验所得，提出有效合理的解决方案，同时云端应用程序定期收集针对各种植物的种植数据，将互联网采集到的数据、农户面对面交流得到的数据、实际检测数据以及系统用户的反馈数据交由算法算出最优解决方案，由云端 GSM 通信模块将数据传输至每个独立的灌溉系统。系统周期性地总结报表，包括植物的健康状况，用药浓度、剂量等，再根据用户实际反馈，合理调整辅助优化算法，根据不同的地区、土壤、气候、时间，针对性地调整算法，使植物更好地适应气候和区域差异茁壮成长。

4 结 语

目前大规模农作物生产越来越多，继而对农业灌溉的多变性、精确度以及方便性提出了更高要求，许多先进领域的技术逐渐应用到农业生产中，在此背景下，农业领域的各种先进生产技术也逐步走向成熟 [2]。本文研究的基于物联网的智能灌溉系统融合了物联网、云计算、大数据等技术，提出一套合理有效的农业智能灌溉解决方案，实现对农业大棚数据的实时监测与自动化智能灌溉，提高农业领域自动化、智能化水平 [3]。基于物联网智能灌溉系统的推广与应用定将有效推进节水型社会建设，降低农业领域人力、物力成本，大大提高生产管理效率。