唐勇

摘要：該文針對(duì)通信設(shè)施欠缺的地區(qū)，利用AD HOC網(wǎng)絡(luò)的自組性和傳感技術(shù)，研發(fā)了一套基于AD HOC網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)。該文詳細(xì)介紹了滴灌系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，闡述了滴灌系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模塊，描述了滴灌控制的流程。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能有效滿足滴灌過(guò)程中的各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求。

關(guān)鍵詞：AD HOC網(wǎng)絡(luò)，傳感；精準(zhǔn)；滴灌

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）15-3674-03

農(nóng)業(yè)，一直是我國(guó)第一產(chǎn)業(yè)。美國(guó)、加拿大等一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在大田糧食植物種植中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)滴灌管理。在我國(guó)，東西地區(qū)經(jīng)濟(jì)差異大，西部落后地區(qū)，田間農(nóng)業(yè)存在自動(dòng)化嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀，我國(guó)農(nóng)業(yè)的滴灌管理還處于全人工狀態(tài)，所有滴灌活動(dòng)全依農(nóng)民直觀經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行，即影響了農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量，又浪費(fèi)了大量的資源。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的出現(xiàn)，給我國(guó)農(nóng)業(yè)滴灌管理帶來(lái)了新的機(jī)遇，利用物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)、新產(chǎn)品可以大大提滴灌效率，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，快速的推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程。

1 我國(guó)農(nóng)業(yè)滴灌存在的不足

1） 據(jù)中國(guó)水利部統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)每年農(nóng)業(yè)灌溉用水在3400億立方米至3600億立方米之間，國(guó)民用水總量在5700億立方米左右，農(nóng)業(yè)灌溉用水占國(guó)民總用水量的60%以上。從全國(guó)范圍來(lái)計(jì)算，現(xiàn)有農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用了46%，有54%在輸水過(guò)程中被消耗，利用率的確偏低。

2） 自動(dòng)化管理落后。我國(guó)現(xiàn)行的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式大多是以家庭為單位，土地分布形式是一家一戶條塊分割的小田塊，難以形成大規(guī)模的自動(dòng)化田間管理。

3） 偏遠(yuǎn)地區(qū)通信基礎(chǔ)設(shè)施欠缺，通訊不暢。盡管到目前為止，我國(guó)的通信行業(yè)得到了飛速的發(fā)展，各類通信基礎(chǔ)設(shè)施日趨完善，但我國(guó)地區(qū)廣泛，很多落后地區(qū)，尤其的偏遠(yuǎn)山區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施依然不完備，通信依然是自動(dòng)滴灌的瓶頸。

基于此，本文利用AD HOC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套低成本的農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)，旨在解決基礎(chǔ)設(shè)施不足的前提下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)滴灌管理，以節(jié)約農(nóng)業(yè)資源，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。

2 AD HOC網(wǎng)絡(luò)與傳感器

2.1 AD HOC網(wǎng)絡(luò)

AD HOC網(wǎng)絡(luò)是一種獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，其最大的特點(diǎn)是不需要基礎(chǔ)通信基站的支持[1]，在AD HOC網(wǎng)絡(luò)中，所有的網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)均由通信主機(jī)構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是通信終端，可以處理各類信息數(shù)據(jù)，又可以承擔(dān)通信中轉(zhuǎn)站的任務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的信息，由于AD HOC網(wǎng)絡(luò)無(wú)須建立基礎(chǔ)通信基站，故廣泛應(yīng)用于各類通信基礎(chǔ)設(shè)施欠缺和應(yīng)急場(chǎng)合。AD HOC網(wǎng)絡(luò)主要具有如下典型特征[2]：

①網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性。網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性是AD HOC網(wǎng)絡(luò)最基本的特征，它不依賴任何的基礎(chǔ)設(shè)施，自身節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織就可以形成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。

②網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性。在AD HOC網(wǎng)絡(luò)中，所有的節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入和退出網(wǎng)絡(luò)，并且節(jié)點(diǎn)之間可以隨意移動(dòng)。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入或者退出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)不因個(gè)別節(jié)點(diǎn)的加入或退出而癱瘓。

③多跳性。在AD HOC網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離是有限的，故當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要將信息發(fā)送到直接發(fā)送范圍外的節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)傳遞的方式進(jìn)行發(fā)送。

2.2 傳感器

傳感器（transducer/sensor）是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。每個(gè)傳感器包括感測(cè)單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)收發(fā)單元和供電單元四個(gè)部分[3]。

在四個(gè)模塊中，感測(cè)單元是最重要的模塊，由傳感器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，傳感器用于感知外界的信息，并通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳感器類型決定了節(jié)點(diǎn)所能監(jiān)測(cè)的物理信號(hào) [4]。

在本系統(tǒng)中，最核心的傳感器是土壤水分傳感器和土肥傳感器。土壤水分傳感器主要用來(lái)感知土壤的干濕程度，土傳感器主要檢測(cè)土壤中的氮、磷、有效鉀、等各種有機(jī)質(zhì)含量。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在本滴灌系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)中，主要根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)一共分為三層，應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。

① 感知層。感知層主要是架設(shè)各類傳感器，將甘蔗地里信息感知出來(lái)，主要的傳感器有水分傳感器，主要用來(lái)感知土壤的濕度；化肥傳感器：主要用來(lái)感知突然的各種化肥的含量，比如氮、磷、鉀。二氧化碳傳感器，主要用來(lái)感知植物周圍二氧化碳的濃度，用以判斷制度的生命狀態(tài)。

② 網(wǎng)絡(luò)層。本系統(tǒng)主要針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施不完善地區(qū)而研發(fā)的。由于AD HOC網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)立性，不需要建立基礎(chǔ)通信基站就可以通信，各個(gè)節(jié)點(diǎn)既是信息處理終端又是信息傳輸轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，適合在偏遠(yuǎn)的山區(qū)進(jìn)行信息化作業(yè)。本系統(tǒng)采用AD HOC網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在系統(tǒng)布局的過(guò)程中，將傳輸節(jié)點(diǎn)與傳感器直接捆綁在一起，AD HOC網(wǎng)絡(luò)就可以將感知層感知的信息發(fā)送到應(yīng)用層，并且將應(yīng)用層的各類指令傳遞給感知層。，

③ 應(yīng)用層。在本系統(tǒng)中，將應(yīng)用層分成了業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，主要用以存放各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，而業(yè)務(wù)層主要是各類業(yè)務(wù)操作和指令，是人和系統(tǒng)之間的接口。數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層分開，使數(shù)據(jù)具有獨(dú)立性，是系統(tǒng)具有更好的拓展性。

3.2 系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模塊

本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)可以分為水分控制模塊、土肥控制模塊、農(nóng)業(yè)控制模塊、分段控制模塊和通訊模塊五個(gè)大塊。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各個(gè)控制子程序的訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)滴灌控制系統(tǒng)分水份、水份、農(nóng)藥等進(jìn)行滴灌，分地段、分時(shí)段進(jìn)行滴灌，控制滴灌量、滴灌時(shí)間，監(jiān)測(cè)滴灌液壓狀態(tài)，監(jiān)測(cè)滴灌流量等一系列田間灌溉作業(yè)業(yè)務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)甘蔗農(nóng)業(yè)滴灌精細(xì)化管理。

① 水分控制模塊：水份控制模塊主要是控制土壤水份的模塊，按照農(nóng)業(yè)灌溉的業(yè)務(wù)流程，一共包含三個(gè)方面，水份監(jiān)測(cè)，水位監(jiān)測(cè)和水流量水壓監(jiān)測(cè)。水份監(jiān)測(cè)是利用傳感器對(duì)土壤中的含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，水位監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)農(nóng)田的水位，而水流量的監(jiān)測(cè)是對(duì)農(nóng)田灌溉時(shí)放入或者放出的水量。

② 水肥控制模塊：水肥控制模塊是針對(duì)植物需要的各類肥料元素而設(shè)計(jì)的，是滴灌系統(tǒng)最重要的模塊之一。主要包含三個(gè)方面：水肥監(jiān)測(cè)，是監(jiān)測(cè)土壤中各類有機(jī)元素的含量，目前市面上主要用各種土肥監(jiān)測(cè)儀來(lái)進(jìn)行；水肥調(diào)配控制是指各種有機(jī)元素的配置比例，不同植物對(duì)不用有機(jī)肥的需求是不同的；流量液壓監(jiān)測(cè)則是對(duì)輸入的水肥量進(jìn)行控制。

③ 農(nóng)藥控制模塊。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)藥是必不可少的環(huán)節(jié)。在本系統(tǒng)中，農(nóng)藥滴灌控制包含兩個(gè)方面，農(nóng)藥滴灌控制，就是將需要的農(nóng)藥按一定比例進(jìn)行調(diào)配灌溉，滴灌狀態(tài)監(jiān)控是指在滴灌的過(guò)程中，對(duì)土地和植物的含藥量進(jìn)行監(jiān)控，以免滴灌過(guò)多或者過(guò)少，從而達(dá)不到滴灌要求。

④ 分段控制模塊。由于地形等多方因素，系統(tǒng)管理的不同模塊需要不同的滴灌業(yè)務(wù)，某些模塊需要灌水的同時(shí)某些模塊需要施肥，針對(duì)不同需求的業(yè)務(wù)控制，需要分類管理，本系統(tǒng)將地段和時(shí)間設(shè)計(jì)成了管理的關(guān)鍵屬性，分時(shí)間和地段進(jìn)行管理。

3.3 系統(tǒng)滴灌控制設(shè)計(jì)

滴灌控制包含了水分、水肥、農(nóng)藥等滴灌控制，通過(guò)傳感終端采集信息參數(shù)傳回主控終端進(jìn)行分析處理，計(jì)算出土壤參數(shù)然后與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，控制中心生成控制指令下發(fā)，采集終端進(jìn)行液壓、流量等信息參數(shù)采集并傳回主控終端，主控終端通過(guò)控制 PLC控制器進(jìn)行電磁閥控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能滴灌。

4 使用效果

本系統(tǒng)在廣西百色的偏遠(yuǎn)地區(qū)已經(jīng)進(jìn)行使用，實(shí)踐證明，該能滿足滴灌的各項(xiàng)需求，對(duì)農(nóng)業(yè)種植起到了積極的作用。具體表現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：（1）能全程監(jiān)測(cè)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，及時(shí)滴灌，時(shí)刻保證植物各種營(yíng)養(yǎng)成分。（2）通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)能夠總結(jié)出植物生長(zhǎng)規(guī)律，并提前預(yù)防。（3）大大的減少了人力物力，節(jié)約了資源，提高了農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

滴灌是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，滴灌控制也是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中重要的一個(gè)模塊，把傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)同微灌技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握作物的生長(zhǎng)情況，更精確地控制灌概，對(duì)提高節(jié)水灌概的自動(dòng)化水平，節(jié)約勞動(dòng)力，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義[5]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭少仁，王海濤.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2005：105-111

[2] 黃浩軍.無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中能量?jī)?yōu)化的路由協(xié)議研究[D].電子科技大學(xué)，2012.

[3] 葉阿勇.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安全定位[D].西安電子科技大學(xué)，2009.

[4] 金美琴.基于管控一體化技術(shù)的滴灌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].南京理工大學(xué)， 2013.