河西灌区青贮玉米智能节水灌溉系统设计_魏学厚.pdf

SOFTWARE软 件2023第 44 卷 第 1 期2023 年Vol.44,No.1基金项目：甘肃省教育厅产业支撑计划项目（2021CYZC-15,2022CYZC-41）作者简介：魏学厚(1998),男,甘肃白银人,硕士研究生,研究方向：农业软件工程。通讯作者：聂志刚（1980）,男,甘肃张掖人,博士,教授,研究方向：农业生态系统模拟与智能科学技术。河西灌区青贮玉米智能节水灌溉系统设计魏学厚 聂志刚 刘强 王钧 李广（甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃兰州 730070）摘要：针对河西地区青贮玉米灌溉系统依据农户经验判断灌溉时间和量,自动化程度低,导致不能精准灌溉和水资源浪费的问题。设计了一种基于作物生长模拟模型的智能节水灌溉系统,利用作物生长模拟模型可逐日动态预测土壤含水量变化对玉米产量影响的优势,嵌入式设计智能节水灌溉决策系统,实现玉米的智能化精准灌溉。该系统能对河西地区青贮玉米智能化生产的知识决策关键环节提供技术支持。关键词：智能灌溉；节水灌溉；作物生长模型；远程控制中图分类号：TN929.5;TP391.44;S126;TP277 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2023.01.002本文著录格式：魏学厚,聂志刚,刘强,等.河西灌区青贮玉米智能节水灌溉系统设计J.软件,2023,44(01):006-010Design of Intelligent Water-saving Irrigation System for Silage Corn in Hexi Irrigation AreaWEI Xuehou,NIE Zhigang,LIU Qiang,WANG Jun,LI Guang(College of Information Science and Technology,Gansu Agricultural University,Lanzhou Gansu 730070)【Abstract】：In response to the problem that the irrigation system for silage maize in Hexi area is based on farmers experience to judge the irrigation time and volume,the degree of automation is low,which leads to the inability to irrigate accurately and the waste of water resources.An intelligent water-saving irrigation system based on the crop growth simulation model is designed.Using the advantage that the crop growth simulation model can dynamically predict the effect of soil water content changes on maize yield day by day,the intelligent water-saving irrigation decision-making system is embedded and designed to realize intelligent and precise irrigation of maize.The system can provide technical support to the key aspects of knowledge decision for intelligent production of silage maize in Hexi region.【Key words】：intelligent irrigation;water-saving irrigation;crop growth model;remote control基金项目论文0 引言河西灌区位于我省西北部,面积约 27 万 hm2,是我国重要的玉米生产优势产区1。该地处干旱内陆区,为典型的大陆性气候,降水稀少,蒸发量大,气候干燥,降水量时空分布还极不均匀,耕地亩均水资源量为 570m3,占全国平均水平的 38%,属于资源型缺水地区2。近些年,由于人类活动和气候变化,使河西地区地表水资源可利用量减少,产生土壤次生盐碱化、内陆河断流、河道径流减少和地下水位下降等严重生态问题3,严重影响着该地区农业生产力的提高以及生态环境的健康发展。因此,确定适宜河西青贮玉米的智能节水灌溉系统,对青贮玉米产量的提升、缓解水资源短缺和促进水资源持续利用具有重要的意义。作物生长模拟模型,简称为作物模型,是指对作物的生长、发育以及产量形成的过程和对环境反应能进行定量地和动态地描述的一种计算机模拟程序4,基于已有的实验数据,它可以模拟各种条件下的作物生长状况,可以预测未知风险,还可以优化农业当中的一些管理措施。本项目使用的是 APSIM 模型,它是由澳大利亚联邦科工组织和昆士兰州政府的农业生产系统组（APSRU）联合开发的,用于模拟农业系统中主要部分的机理模型5,6。属于具有较强机理基础的模型,对作7魏学厚聂志刚刘强等：河西灌区青贮玉米智能节水灌溉系统设计物的生理机制有较好地模拟能力,相对于其他的模型它的应用面更广,精确度更高,能更好地模拟土壤水分变化对作物生长的影响。相较于传统的使用传感器采集土壤含水量方法7,作物模型模拟土壤含水量方法更适用于复杂的和广阔的田地环境,且模拟效果较传感器采集的效果更好。本系统的目的是提升农业灌溉的自动化程度,减少农业生产过程中造成的劳动力浪费,提高农作物产量,提高水资源的利用率,实现节约用水。本系统利用物联网技术、ZigBee 无线通信技术、传感器及自动控制等技术研发。系统根据地区的气象信息、土壤信息和作物的生长特性,结合地区农业管理措施和土壤墒情信息,通过上位机决策系统进行决策,给出灌溉方案,再通过远程控制实现水阀门的自动开关,实现适时适量的自动灌溉,建立一个高效、节水和智能的青贮玉米灌溉区。1 智能节水灌溉系统总体设计本文设计一种基于作物生长模型的智能节水灌溉系统,对农作物进行精准灌溉。其思想是由土壤湿度传感器、风速传感器、气象仪和摄像头对环境信息进行实时采集,采集的数据传送至上位机（服务器）,然后由作物生长模型组成的决策系统进行决策,给出农田的灌溉时间和灌溉量,再由系统控制自动实现定时的灌溉,同时装设恒压变频控制器,来保证供水系统的稳定,实现准确的供水量补给,实现灌溉与节水共赢的目标,并且用户可以随时在电脑端和手机 App 上查看农作物的生长环境情况和农田灌溉情况8-10。安装的摄像头将数据直接传输到服务器端,用户可以实时查看农田作物的环境情况。为了保障系统的健壮性,用户还可以通过移动端手动进行远程灌溉控制。该系统的总体结构图如图 1所示。2 智能节水灌溉系统硬件设计2.1 主控制器模块设计本文使用 ARM Cortex-A9 开发板,它采用 Exynos 4412 的主芯片,相比 Cortex-A8 处理器整体性能提升50%,具有更高的主频和更丰富外设,配置 2GB 双通道 DDR3 的内存及 16GB 存储,稳定性强、可靠性高,能适用于对性能和处理能力有更高要求的嵌入式系统应用场合。其中内置有无线 WiFi 模块、Bluetooth、GPS、Camera、3G 等模组,支持 HDMI1.4（1080P/60Hz）显示,通过强粉尘、震动、高低温（-25+80）等工业环境考验。引出脚多达 320 个,可以接收检测到的各种数据,做到农业种植地环境的全面监测。具体电路板如图 2 所示。图 2 ARM Cortex-A9 开发板Fig.2 ARM Cortex-A9 development board图 1 系统总体结构图Fig.1 Overall structure of the system服务器端（智能灌溉决策系统）用户（移动终端）GPRSZigBee无线传输ARM Cortex-A9开发板显示器GPRS风速传感器土壤湿度传感器摄像头ZigBee无线传输流量计服务器气象仪GPRS智能水阀8软 件第 44 卷 第 1 期SOFTWARE2.2 传输模块设计本系统采用 ZigBee 无线数据传输模块,该模块的作用是将采集到的农田环境信息传输给主控制器模块。该模块是以 CC2430 为核心处理器的 ZigBee 无线模块,结合了一个高性能 2.4GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的 8051 控制器。它支持 2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee 协议,并可以用很低的费用构成 ZigBee 节点,因此有效地降低了应用成本11。拥有接收灵敏度高、集成度高和低功耗的特点。CC2430 仅需很少的外接元件就可以实现信号的接收和发送,具有自适应组网功能,支持大量网上节点,低成本实现近距离无线组网需要,适合在本系统中使用12。2.3 数据采集模块设计数据采集端主要功能是采集外界环境的数据信息,提供智能决策需要的重要数据信息和环境信息,相当于是系统的眼睛。主要采集土壤湿度、风速、现场情况视频以及当前环境情况等信息。其中包括土壤湿度采集模块、风速采集模块和环境信息采集模块。（1）土壤湿度采集模块：土壤的湿度对作物的生长发育有着直接影响,对作物的最终产量也有较大的影响,因此实时采集作物身处环境的土壤湿度有重要意义。在本模块中,采集土壤湿度的目的是动态校准作物模型,当土壤湿度低于预设的阈值时,自动实现定量的灌溉。本系统采用 RS485 土壤湿度采集模块,使用金属防水探头,不易被土壤侵蚀,具有灵敏度高、抗干扰能力强的特点,非常适用于农田环境。（2）风速采集模块：风速的大小决定了某一时期内是否能对农田实行灌溉。本系统使用风速变送器 GD-FS-RS485 实现,它采用三杯式设计,使用聚碳酸酯外壳,面积轻巧,摩擦小,耐腐蚀。测量量程为 0 50m/s,分辨率为 0.1m/s,启动风速小于 0.2m/s,测量比较精准,适合在本系统中使用。（3）环境信息采集模块：可以远程查看到农田作物的环境信息、生长状态以及实时灌溉情况。本系统采用气象仪可以采集环境的温湿度、雨量、辐射量、当日最低温最高温等环境信息,为作物模型采集输入数据,还为特殊环境的预警提供数据依据。采用型号为 OV7725的海康威视的摄像头,安装成功即可使用,移动端和服务器只需要调用相关的服务器接口即可使用。2.4 灌溉模块设计灌溉模块采用电磁水阀和液体流量计作为执行部件。电磁水阀采用的是平板式膜片结构,启闭操作很可靠,使用寿命长,能够在许多不同环境下安全使用。液体流量计计算水管中水的流量,实现农田定量的灌溉。3 智能节水灌溉系统软件设计服务器端采用 B/S 模式结构设计,采用 Java 语言实现,开发速度快、性能好。设备和网络之间采用开销小、宽带占用较低的即时通讯协议 MQTT 协议,采用遗嘱机制,当设备异常断开连接时,通过遗嘱信息通知客户端,以便于后续及时处理。客户端可以直接在浏览器访问,不需要安装软件就可查看灌溉系统的各个模块,并且操作简单。软件灌溉流程图如图 3 所示。软件数据库模块主要包含作物模型的输入数据、传感器数据和历史操作数据 3 个部分。作物模型的输入数据包含模型运行需要的土壤特性数据、气象数据、管理措施和作物的特征参数；传感器数据包含气象仪测量的气象数据（空气温湿度、日照、降雨量等数据）、分布在田间的土壤传感器数据和流量计测得的灌溉量数据；历史操作数据包括进行灌溉的操作记录,记录包含手动灌溉和自动灌溉记录。软件功能模块包含查看模块、控制模块和预警模块3 个部分。其中查看模块包含查看历史灌溉记录（灌溉日期和灌溉量）、查看作物环境信息（作物实时生长状态）和查看当前灌溉的