一、背景介紹

基于物聯網技術的精確農業，是當今世界農業發展的新潮流。傳統農業的模式已遠不能適應農業可持續發展的需要，產品質量問題，資源嚴重不足且普遍浪費，環境污染，產品種類需求多樣化等諸多問題使農業的發展陷入惡性循環，而精確農業為現代農業的發展提供了一條光明之路，精確農業與傳統農業相比最大的特點是以高新技術和科學管理換取對資源的最大節約。它是由信息技術支持的根據空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現代化農事操作技術與管理的系統，其基本涵義是根據作物生長的土壤性狀，調節對作物的投入，即一方面查清田塊內部的土壤性狀與生產力空間變異，另一方面確定農作物的生產目標，進行定位的“系統診斷、優化配方、技術組裝、科學管理”，調動土壤生產力，以最少的或最節省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環境，高效地利用各類農業資源，取得經濟效益和環境效益。

自動化控制系統可以在設定的條件下與遠端接收器通信，按照系統預先設定的程序對現場設備進行開、關等操作，還可以按照復雜的業務流程和業務邏輯，實現靈活的操作控制，另外，動態信息采集分析技術也是重點應用，對現場的復雜數據進行分析和管理。

紫金橋軟件在農田智能灌溉領域的應用主要是通過無線傳感器感應土壤的水分，并在設定條件下與接收器通信，控制灌溉系統的閥門打開、關閉，從而達到自動節水灌溉的目的。由于傳感器網絡具有多跳路由、信息互遞、自組網絡及網絡通信時間同步等特點，使灌區面積、節點數量可以不受限制，因此可以靈活增減輪灌組。加上節點具有土壤、植物、氣象等測量采集裝置，利用通信網關的Internet功能與GPS技術結合，形成灌區動態管理信息采集分析技術，配合作物需水信息采集與精量控制灌溉技術、專家系統技術等，可構建高效、低能耗、低投入、多功能的農業節水灌溉平臺。

二、農業信息管理系統

1、系統結構

農業節水及信息管理系統一般負責的區域比較大，如一個鄉、一個縣、一個市等。這樣大的區域，對于自動化產品來說，采集能力和通信能力都不可能實現，為了將這么大的區域中的相關信息進行收集，需要將這些大的區域劃分為多個相對較小的區域，每個相對較小的區域再劃分出更小的控制單位，從而能達到一個自動化控制單元所能控制的范圍。為了實現上述設計目標，本系統包括現場采集傳感終端、控制終端、無線通信網絡終端、監控中心系統平臺4部分組成。如下圖所示為系統架構圖。

1.1、傳感終端

環境信息采集單元主要由各種環境信息傳感器組成，包括以下幾類：

1)、數字溫濕度傳感器

該傳感器可實現相對溫度和濕度的環境信息測量，具備專業的數字化集成技術和溫濕度測量技術，保證數據的真實有效性。傳感器自身符合超低功耗設計，單線或者兩線串行接口連接方式，可直接與控制器連接實現數據傳輸。

2)、土壤水分傳感器

該傳感器可實現長期無人值守的土壤含水量監測，外殼抗腐蝕能力強，可長期深埋在土壤中而不會受到損壞，具備高精度、高靈敏度等特點�？蓪崿F表層土壤和深層土壤墑情的定點監測和在線測量，數據可直接由水分監測儀獲取，或者直接與控制器相連。

3)、光照強度傳感器

該傳感器用于對溫室大棚內可見光光照強度的測量，輸出信號符合通用標準，能夠根據當前的光照條件自動調整量程范圍，從而在不同光照強度下均可保持準確的精度。

4)、二氧化碳濃度傳感器

紅外二氧化碳濃度傳感器基于紅外光譜吸收原理，測量溫室中的空氣二氧化碳濃度，可實時感應濃度變化。其優異的可靠性保證數據的準確性，避免其他氣體的交叉反應。

1.2、現場監控站

現場監控站作為整個農業節水及信息管理系統中的最小單元，也是整個監控系統的最底層控制系統，它負責整個系統的數據采集以及將采集到的數據傳送到上層集中監控中心的任務。

1.3、集中監控中心

集中監控中心通常與現場監控站之間通過移動通信技術GPRS、3G或者WIFI等無線通信方式進行連接，這種方式可以大大節省硬件成本，同時，數據的實時性也能保證。集中監控中心作為整個農業節水和信息管理系統的中心層，不直接參與現場設備的控制，而是通過對現場監控站相關數據的分析以及歷史數據的分析，形成先關的節水灌溉方案，各個現場控制站通過分析所得的方案進行相應的現場控制。

集中監控中心根據其所管轄區域大小，將區域內所有現場監控站的信息進行集中采集、展示、存儲、分析等。同時，通過紫金橋組態軟件的WEB發布功能，將所采集的信息發布到INTERNET上，供相關部門查看分析。

2、系統功能

2.1 現場監控站

現場監控站一般設置在現場控制區域的泵房中，其中配置監控計算機一臺，實現對控制區域設備的信息采集和控制，安裝紫金橋組態軟件，每一個泵房設置一套。信息管理系統中的現場監控站主要使用對象為非專業人士，因此，該系統的功能界面主要以簡潔、明了、易于了解和經濟適用為主。

該系統的功能主要有：

1、數據采集與監視功能

現場監控站中由于各種管線與閥門鋪設的距離比較遠，使用有線數據采集的方式在監控成本和控制線纜鋪設上都不現實，因此，使用Zigbee無線通信的方式進行數據采集。它是一種短距離的無線通信方式，對于在農田這種開闊地帶使用比較有優勢，它與RTU控制單元結合使用，采集泵房管理系統內的各個閥門與水泵的控制信號，實現水泵和閥門的遠程控制，同時還采集相關的模擬量數據，如蓄水池水位、管道流量、過濾器前后水壓、電機電流、電壓、墑情、氣象等數據。

2、畫面監控

畫面監控主要包括設備監控畫面、系統管理界面以及數據統計分析畫面。

A、設備監控界面按照現場監控站滴灌系統管道鋪設管線繪制田間滴灌分布圖，在圖上直觀顯示相關電磁閥的位置、狀態、是否啟用輪灌，正在灌溉的組別，灌溉持續時間、當前系統時間顯示等信息。該界面可以對電磁閥的狀態統一實時查詢；輪灌啟動、界面鎖定；電磁閥的單獨開啟關閉、狀態查詢。界面鎖定以后（安全模式），整個界面上操作人員不能有任何操作動作（不能控制設備，只能瀏覽查詢信息），只有通過密碼實現解鎖才能進行控制操作。

B、數據統計分析畫面包括實時數據顯示和歷史數據顯示兩部分內容，顯示的數據有電機電壓、電流、蓄水池水位、過濾器前后水壓、出水口流量、土壤水分以及氣象站、設備電壓等。

C、系統管理界面包括系統通訊診斷、系統設備拓撲結構圖、設備地址、時鐘、工作參數配置界面、設備列表、輪灌編輯界面、用戶管理界面、數據存儲設置、調閱、導出界面、設備通訊狀態、設備電池電壓，首部電壓電流、水位、水壓等錯誤或者數據超常報警設置等。

3、設備控制功能

設備控制功能包括田間各個電磁閥與水泵的單獨控制以及電磁閥的輪灌控制。單獨控制時，可以在監控畫面上對每一個設備進行單獨的打開或關閉操作，當操作沒有反饋或反饋信息錯誤時能進行相應的報警。

輪灌控制需要根據系統管理界面中對于輪灌功能的配置，系統自動完成所有電磁閥的打開與關閉控制以及打開的時間等。

4、數據存儲記錄功能

系統中采集的各種模擬量數據，如電壓、電流、水位、水壓、流量、土壤水分等都進行記錄，數據記錄使用定時記錄的功能，數據保留時間為1年，數據記錄使用紫金橋數據庫完成。同時，在畫面上可以通過報表、曲線的方式進行歷史記錄數據的查看。

5、報警功能

報警功能主要針對重要的操作和模擬量超限進行。

報警的方式根據現場計算機的條件可以有聲光和短信兩種方式，需要泵房監控系統中配置相應的音箱及短信發送模塊。

重要的報警能記錄到數據庫中進行歷史報警的查詢功能。

6、用戶管理功能

田間泵房管理系統的用戶主要包括系統操作的農民和相應參數設置的維護人員。不同用戶通過用戶名和密碼登陸獲取不同的權限。

系統維護人員具有所有功能操作的權限（由于維護人員不是長期駐守在泵房，所以參數維護由監控中心維護人員統一進行遠程維護）。

7、數據統計分析功能

數據分析統計功能是指對各個現場監控站數據進行集中數據的存儲、曲線棒圖的對比分析、報表文件的查看等功能。

8、數據存儲功能：將系統采集到的相關模擬量數據進行集中歷史記錄，歷史記錄的時間間隔為30分鐘，數據的存儲周期為2到3年，數據存儲到數據存儲服務器中。

9、曲線功能：在監控畫面中能將各個歷史記錄數據通過歷史曲線，圖的形式進行展示，主要包括用水量曲線、流量曲線等。歷史曲線可以通過時間查詢不同時間段的曲線情況。

10、報表功能：通過歷史記錄數據，可以形成系統的數據報表，包括日、月、年等報表，操作人員可以通過時間查詢相關時間段的數據形成相應的數據報表，同時報表還具有數據查詢、打印、導出為EXCEL等功能。

11、數據上傳功能

現場監控站只是整個系統的最底層監控系統，它是最底層的數據采集系統，對于上層管理系統來說，它還包括數據上傳到監控系統的功能。

本系統中，現場監控站與上層集中監控中心的通信方式GPRS方式。因此，數據上傳功能使用紫金橋自帶modbus主站方式將數據通過GPRS發送到監控中心。

12、WEB發布功能

將監控中心中相關的數據畫面通過紫金橋的WEB發布功能發布到INTERNET上，相關人員只需要通過各自電腦的IE瀏覽器就可以直接查看各個現場監控站的運行情況。

三、結束語

本系統設計融合了自動化組態、移動通信、廣域網無線通信、ZIGBEE局域網無線通信等先進技術，能夠實現農田定點采集、移動采集與傳輸功能。具有結構簡單、功耗低、設計成本低、使用性強、監測數據實時顯示實時上傳和可重復性好等顯著特點。