科学技术的不断的发展与革新推动着农业从传统化向现代化发展。物联网的概念于1999年提出，2005年国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，将之定义为将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。农业智能节水灌溉系统是物联网投入现实应用的一个分支，受我国自古以来形成的农业习惯以及文化水平的限制，智能节水灌溉发展较晚[1]。随着国家的逐渐重视以及相关政策的大力扶持，当前智能节水灌溉得到快速发展。为了使农业生产更加的便捷化，可将节水灌溉系统小型化，以适宜家庭用户使用。因此，设计了一款结合用户终端的智能家用给水设备，对该设备的系统方案、系统软件设计、系统硬件设计进行介绍，并进行了设备测试，以促进农业信息化的普及。
1智能农业灌溉系统架构
智能灌溉系统的基本框架主要分为水田现场，网络传送和业务平台三层架构，如图１所示。水田现场主要负责回水池、蓄水池、水田内部参数的采集和水泵、电磁阀、电机等设备的智能控制。由土壤水分类传感器，空气温湿度传感器、风速传感器与电磁阀、IP网络摄像头等组成，负责回水池、蓄水池、水田内部参数的采集，通过作物决策灌溉软件的设置，掌控数据采集设备的运行状态，根据决策软件发出的指令掌控电磁阀的开启/关闭[2]。网络传送部分主要将设备采集到的数值传送到服务器上，系统中连接内外信息传输通道采用无线传输方式，外部通过3G或4G无线网络，内部网络采用短距离低功率ZigBee无线通信技术，结合温湿度传感器对土壤水分数据进行传输。业务平台主要包括视频监测、空间/时间分布、历史数据、错误报警和远程控制５个方面；视频监控提供农田内摄像头的远程监控功能，管理人员通过浏览器即可观看到水田内的实际影像；空间／时间分布将系统采集到的数值通过直观的形式展示时间分布状况（折线图）和空间分布状况（场图）、历史数据可以向管理人员提供历史一段时间的数值展示；错误报警则允许管理人员制定自定义的数据范围，并将超出范围的错误情况反映给管理人员。
2 系统的网络结构设计
2.1 网络结构组成
智能灌溉系统网络有内部感知节点间的自组网络、自组网络与监控中心的通信网络两部分。前者主要实现传感器数据的采集及传感器与执行控制器间的数据交互，后者实现监控中
心对内部网络环境信息的监控[3]。系统网络部分由无线传感节点、无线路由节点、无线网关、监控中心四大部分组成，内部感知节点间通过ZigBee自组网，然后监控中心、无线网关之间通过3G进行墒情及控制信息的传递。每个传感节点通过温湿度传感器，自动采集墒情信息，并结合预设的温度上下限进行分析判断是否需要灌溉及何时停止。其中无线网关连接ZigBee无线网络和3G网络，是基于物联网智能节水灌溉控制系统的核心部分，网络规划和拓扑合理将直接影响系统性能，网络部署和网络容量计算需重点分析。
2.2网络节点部署和容量计算
网络节点部署决定了节点对物理空间监测的效果，进而影响整个网络的服务质量。在实际应用中需要考虑ZigBee网络的覆盖范围和响应时间。单点容量过大会导致覆盖范围变小，响应时间过大会导致用户业务无法实现。ZigBee网络覆盖对象分为线性结构，平面网络结构，空间网络结构以及混合型结构。在进行节点部署和容量计算时，首先，根据平面理想化模型来计算网络层次数和节点数[4-5]。其次，根据无线传感网络能耗模型来分析部署效果。根据无线通信理论，能量衰减模型随发送距离的远近分为自由空间模型和多路衰减模型，当发送距离小于等于阈值常量时，发送数据时的功耗和距离的平方成正比，当发送距离大于阈值常量时，功耗和距离的四次方成正比。
3 灌溉监控系统设计
智能灌溉控制硬件部分由测控模块、电磁阀、配电控制柜及安装附件等组成，根据气温湿度、土壤温度水分、光照强度及CO2浓度等参数，对环境调节设备进行控制，包括风机、湿帘水泵、灌溉电磁阀、 CO2气肥机等设备。监控软件采用基于B/S模式的体系作为远程监控系统的结构。
Web服务器通过二次通讯，间接访问到现场监控系统，不需要经过数据库的中转，体现了实时性。所采集数据定时存放在计算机服务器中，这样处理实时性方面比较高，保证在最短时内对土壤湿度作出相应的调控措施，有助于智能控制的准确性，实时性要高得多，而且安全性和稳定性也很高。通过应用软件平台可将土壤信息感知设备、空气环境监测感知设备、外部气象感知设备、视频信息感知设备等各种感知设备的基础数据进行统一存储、处理和挖掘，通过中央控制软件的智能决策，形成有效指令，通过声光电报警指导管理人员或者直接控制执行机构的方式调节灌溉阀门[6]。当在应用软件中点击实时监控时，可以直观地看到实时采集上来的数据信息，空气温度、空气湿度、光照、二氧化碳、土壤温、土壤水分等，可以直观地看到采集的数据，通过程序阈值设置，能够判断各类数据是否在正常范围，如果超出正常范围，则报警提示。并根据实际情况进行控制风机、湿帘、水泵的开与关，以决定是否需要对农田进行灌溉。实现能够自动控制灌溉用水量的智能节水系统。
4 系统硬件设计
系统硬件框图如图1所示。实际工作场景中，每个传感器节点都可以独立运作，以传感器节点#1为例。电源模块为各部分提供工作电源，其中处理模块由STC89C51单片机和附属模块构成，负责收集并处理土壤环境监测传感器监测的数据，而后数据经过RS485传输至通信节点，最后通信节点以4G的方式将数据传输至客户端。
图1 硬件框图
5 设备测试
经实际测试表明，该设备正常工作时，能够准确监测作物土壤环境指数，并精确进行给水，传送较为清晰的影像[7]。同时，经各个部分处理后的数据流可以定时上传到客户端，为用户的日常生活提供了便利。
结束语
智能农业灌溉系统通过实时采集水位参数，自动开启或者关闭入水、出水设备，可以实时监测土壤温度，土壤水分、水流速参数，计算用水量，以达到精细化用水的要求，实现节水灌溉控制，提高水利用率。同时，还可以根据需求，实时监测水温、光照等参数，为农作物提供合理的生长参数，提供科学的农业生态信息。
【参考文献】
[1] 刘娇,罗凡,胡梅,等.基于物联网的智能农业节水灌溉系统应用探究[J].南方农业,2019,13(23):170-172.
[2] 李自臣,陈梅.物联网技术在新疆棉田节水灌溉中的应用[J].中国培训,2016(14):21-22.
[3] 赵伶俐.基于物联网的智能节水灌溉系统的研究[J].节水灌溉,2015(8):84-85.
[4] 屈晓渊,张峰.基于物联网的节水灌溉自控系统研究[J].电子设计工程,2011,19(16):13-15.
[5] 高久伟.基于窄带物联网的节水灌溉系统研究与实现[D].宁夏大学,2018.
[6] 吕庆军,钟闻宇,由浩良.物联网技术在智慧农业节水灌溉中的应用[J].时代农机,2019,46(11):20-21.
[7] 韩贵黎,蔡宗慧.基于PLC和物联网感应的智能灌溉节水系统设计[J].农机化研究,2017,39(12):215-218.
