基于位置服务的酥瓜大田灌溉监控系统设计

 引 言

酥瓜（羊角脆）是甜瓜的一个品种，属葫芦科植物，因果实酥脆而得名，味甜、皮薄、品质好，富含多种维生素，深受消费者青睐 [1]，主要产于沿淮地区。经验表明，酥瓜的生长对外部环境条件较为苛刻，对管理的要求较高。因此，酥瓜种植现如今主要以大棚种植为主，间接导致酥瓜的价格居高不下。

在参考借鉴已有研究的基础上开发了一套适用于大面积种植的智能喷灌设备，系统定位节点地理位置、采集数据传输数据，进而做出相应措施，调控喷灌节点，以实现作物生长适合区间，提高作物的产量与质量，获得更大的经济效益。

1 系统的总体方案

1.1 种植存在的问题

（1）传统的人工灌溉方式严重浪费水资源 ：我国是水资源较为缺乏的国家之一，农业是用水大户，但我国农业用水的利用率极低，因此节水潜力巨大。农业用水的自动化符合我国的基本国策，同时也是未来的趋势所在。

（2）土地资源浪费严重 ：传统灌溉一般会修筑干渠、支 渠、斗渠等，土地中还会挖大量的梗、沟渠，减少了有效的用土面积，并且在灌溉过程中还会损失大量水分。

（3）种植成本较高 ：我国地域广阔，大棚种植方式在成本和管理上存在很大困难，而传统种植方式不仅作物产量不稳定，管理也会耗费大量人力。

1.2 系统总体目标

酥瓜在不同时期的需水量差别较大，环境（主要是土壤持水量）会直接影响到酥瓜果实的甜度和果实产量 [2]，因此必须对酥瓜在各个时期的灌溉予以重视。酥瓜各时期最适生长环境见表 1 所列。

本文主要通过物联网设备智能调节喷灌设备来改变酥瓜在各个时期的种植环境，以达到降低管理要求与成本付出、提高作物产量、实现大面积规模化种植的目的。

2 解决方案

本系统通过温湿度传感器、土壤湿度传感器、LBS 等对环境数据进行采集，NB-IoT 设备等将采集的数据传输至后台，智能调控喷灌节点，进而调控作物生长的外界环境。

2.1 感知层

感知层用于识别物体、采集信息，是物联网的基础。数据采集器将采集的节点的地理位置信息、环境温湿度、土壤持水量等各项环境指标转化为数字信号进行传输。

2.2 传输层

将从感知层接收的数据通过组网进行传输是传输层的功能，使用 NB-IoT 技术进行传输。NB-IoT 技术具有海量连接、深度覆盖、功耗低、成本低、稳定可靠等优势，符合大面积规模化种植的要求 [3]。

2.3 应用层

应用层在客户端显示每个节点的环境信息并智能调节灌溉节点进而调控农田的环境，通过传感器实时监测农田各项环境信息，根据各项指标进行综合补水，并辅以流量监控， 避免在传统种植时农户凭个人经验施水产生的误差，导致农作物生长不良。系统流程如图 1 所示。

3 硬件与系统

在该系统中，固件程序即指存储于终端节点和协调器节点中的程序 [4]。

3.1 LBS设计

LBS 的活动式设计实现了在界面上显示地理位置的功能，极大地提高了设备的利用率。随“插”随用，相比于传统的监控设备，提高了设备的检测范围，也降低了检测数据的误差。最新的 NB-IoT 设备的使用，功耗更低，覆盖面积更大，检测更加方便。

3.2 改进的灌溉方式

改进的灌溉方式加大了水资源的利用率。基于物联网的智能化调控可以在不同的土地、不同的季节、不同的作物种类条件下根据作物的需求对灌溉系统参数进行调节，并且在前端显示参数阈值，在大幅提高种植效率的同时减少农户精力的投入。

(1) 喷灌设备的选择

微喷灌技术属于一种精细高效的现代化节水灌溉技术， 其在实现节能、节水的同时，还能够消除地面土质差、作物栽培密度高等不利影响，是提高我国农作物产量的有效灌溉技术 [5]。因此选用微喷灌技术作为我们研究的对象。

(2) 喷灌设备与检测节点的安放

采用方型区域布置方式是大面积平原种植中喷头布置的最优选择 [6]。为实现均匀喷灌，采用方型区域布置方式安放喷灌设备，如图 2所示。方型区域布置方式的所有喷灌喷头同时喷射 1次，S区域将被喷射 3次，而 D区域将被喷射 4次。考虑风向以及风速对喷头辐射周边的影响，选用 A 点极其类似点安放节点，测量精度最高。

（3）软件后台设计

采用 NB-IoT 技术进行传输，采用 MySQL 数据库存储数据，数据可维护性强，可靠性高。在 Eclipse 开发环境下，采用 JavaWeb 技术，配合前端框架技术，在数据结构化存储、可维护性强、可靠性高的同时使得数据实时可见、状态实时更新。

4 工作流程

4.1 工作流程描述

本系统通过温湿度传感器、土壤湿度传感器采集作物生长的环境信息。通过 NB-IoT 通信技术上传至网络服务器，后台对数据进行存储、分析，以图表、曲线的形式显示至前端用户界面，前端用户通过手动遥控或者智能阈值调控大田中喷灌节点的设备，进而达到控制土壤持水量、田间小气候的功能。控制流程如图 3 所示。

4.2 环境检测

以一个节点辐射的面积为例，在半径 17 ～ 20 m 的圆形土地内，若附近传感器节点不断检测到土壤持水量、空气温湿度，则传感器将信息通过网络发送至服务器后台。

4.3 阈值设计与智能控制

研究表明，酥瓜在发芽期、幼苗期、伸蔓期、开花至膨大期、成熟期对环境的各项指标的要求存在较大的差异，需要根据不同时期酥瓜的需求对网站后台进行阈值设计。当温湿度或土壤湿度超出相应时期的阈值时，后台程序通过智能运算判断是否要调控喷灌节点以及如何合理开启设备等。系统实时监控作物生长环境，当各项环境指标达到最适生长环境阈值区间时，喷灌设备停止运行。

5 结 语

本系统主要针对大棚种植成本过高以及大面积露天种植过程中，农户管理不科学、资源浪费严重等问题，结合我国农业物联网实际情况进行了思考与研究。特选取种植难度较高、对生长环境较为苛刻的酥瓜进行研究。通过对酥瓜环境的监控调节，以达到各个时期最适生长阈值。实验表明，本系统对大面积种植的作物有一定的效果。该系统还可以延展到其他作物种植中，给物联网设备大面积规模化种植的应用提供新的思路。