基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張守艷，宗峰

（1.山東英才學(xué)院工學(xué)院，山東濟(jì)南，250104；2.濟(jì)南幼兒師范高等專科學(xué)校，山東濟(jì)南，250307）

0 引言

自古以來，我國就是一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主的大國。農(nóng)業(yè)是我國最具主導(dǎo)地位的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),并且水資源與農(nóng)業(yè)的關(guān)系是密不可分的。我國本來就是一個(gè)水資源短缺的國家,另外還有在生活用水，農(nóng)業(yè)用水上存在一些浪費(fèi)，使得水資源更加短缺,像現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉基本都是大水漫灌。導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源的缺乏,使農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展成為了不可實(shí)現(xiàn)的概念。傳統(tǒng)型農(nóng)業(yè)，在生產(chǎn)上已經(jīng)造成水資源，肥資源等的嚴(yán)重浪費(fèi)，使本來不富裕的資源更少。水肥資源的嚴(yán)重浪費(fèi)的已經(jīng)對新時(shí)代的綠色可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅。在新時(shí)代當(dāng)中，號(hào)召農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的工作者，與政府合作，發(fā)展水肥一體化農(nóng)業(yè)，增加了水肥資源的利用率、減輕了國家對水肥資源緊缺的負(fù)擔(dān)、增強(qiáng)對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，將原有的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代的新型農(nóng)業(yè)。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠節(jié)約水資源,減少化肥施用量,降低生產(chǎn)成本,還能提升果品質(zhì)量,增加果農(nóng)收益,同時(shí)減輕環(huán)境污染。并且可改善原有的傳統(tǒng)灌溉方式，節(jié)約水資源，解決勞動(dòng)力短缺，土壤板結(jié)等問題。在多年的實(shí)驗(yàn)田實(shí)驗(yàn)，水肥一體化，無論在解決水肥資源嚴(yán)重短缺的問題，還是在突發(fā)旱災(zāi)的嚴(yán)重情況下，農(nóng)作物可以正常的生產(chǎn)甚至增產(chǎn)，在產(chǎn)量上完全不亞于正常的傳統(tǒng)灌溉方式。在一定程度上調(diào)節(jié)了水肥資源的平衡并解決了農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問題，大大的提高了糧食生產(chǎn)能力，對國家糧食安全有了重要保證，為實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

20世紀(jì)60年代初隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，以色列開始發(fā)展滴灌。60年代末開始應(yīng)用水肥一體化技術(shù)。目前，以色列在果園、溫室、大田、綠化等方面已全面應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，應(yīng)用面積占灌溉面積的67 9%，居世界之首。從世界范圍看，水肥一體化技術(shù)廣 泛應(yīng)用于干早缺水以及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家[1]。經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，我國科技業(yè)正在迅速的發(fā)展，另外我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)也正在迅速穩(wěn)步地推進(jìn)，我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展不論是從種植到收獲的現(xiàn)代化、還是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)程度都越來越高。傳統(tǒng)的種植方式逐漸被現(xiàn)代種植方式所取代，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加智能化。無論從水資源還是從勞動(dòng)力來說，水肥一體化具有很多好處并且具有較好的發(fā)展前景。據(jù)了解,我國水資源總量的80%是用于農(nóng)業(yè)用水,并且農(nóng)業(yè)用水的十分之九由于農(nóng)業(yè)灌溉，而且2051年中國老齡人口達(dá)到最大值，但是2030年是中國老齡化最嚴(yán)峻的時(shí)期。水肥一體化在一定程度上解決其兩大問題。

2 研究內(nèi)容

本設(shè)計(jì)主要包括智能監(jiān)測模塊、智能控制系統(tǒng)模塊、信息匯總以及信息傳輸三部分。

（1）智能監(jiān)測：智能監(jiān)測這一部分主要是通過氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對溫度、濕度、集雨量進(jìn)行檢測、使用遠(yuǎn)程監(jiān)控對作物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、能效監(jiān)測系統(tǒng)每月使用的電能來更好的計(jì)算電能使用率使益最大化。

（2）智能控制系統(tǒng)：這部分包括智能施肥系統(tǒng)和智能灌溉系統(tǒng)，該部分是將傳感器采集到的信息反饋到信息中心，然后通過信息中心以信號(hào)的形式發(fā)送給控制系統(tǒng)最終通過ZigBee傳輸?shù)浇K端，用戶根據(jù)反饋到的信息對農(nóng)作物進(jìn)行施肥和灌溉。

（3）信息匯總以及信息傳輸：信息的傳輸主要采用ZigBee無線通信技術(shù)可以大大的提高了信息傳輸速率，該系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)主要是用于傳感器采集的信息與信息平臺(tái)之間的傳輸、控制器與信息中心的傳輸、最終都匯總到信息中心, 然后有信息中心發(fā)送到終端。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)包括監(jiān)測、智能施肥灌溉兩個(gè)系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程壓力、流量監(jiān)測，農(nóng)田氣象環(huán)境監(jiān)測，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控監(jiān)測，能效檢測。智能施肥灌溉包括土壤濕度、PH、EC值等監(jiān)測和自動(dòng)施肥灌溉。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及組成

3.1 水肥一體機(jī)模塊設(shè)計(jì)

該模塊分為控制和灌溉兩部分，通過控制器將水肥一體機(jī)，水源，農(nóng)作物三個(gè)模塊進(jìn)行一體化管理。該模塊主要是對整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是系統(tǒng)更合理。其中控制部分由cc2530單片機(jī)、ZigBee無線傳輸、電磁閥門、以及土壤濕度，空氣溫濕度，液位檢測傳感器組成。水肥一體化部分由水泵、電磁閥門、過濾器、混肥池、攪拌器、文丘里吸肥器以及農(nóng)田灌溉管道網(wǎng)。如水肥一體機(jī)結(jié)構(gòu)圖2所示。

圖2 水肥一體機(jī)模塊結(jié)構(gòu)圖

水肥一體自動(dòng)化灌溉是根據(jù)具有控制功能的語言設(shè)計(jì)，就是用戶根據(jù)作物的在某一生長時(shí)期作物的水肥需求設(shè)置灌溉施肥量，對其進(jìn)行語言設(shè)計(jì)達(dá)到自動(dòng)灌溉的效果，也可以人為進(jìn)行干預(yù)，由于農(nóng)作物各個(gè)時(shí)期生長所需水肥不同，還有在節(jié)水節(jié)肥灌溉的情況下判斷農(nóng)作物是否存在“吃不飽，喝不夠”的情況下。當(dāng)信息中心對控制器發(fā)送控制指令，該控制指令將通過ZigBee無線傳輸模塊發(fā)送給cc2530單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)接收到信息時(shí)，單片機(jī)對灌溉區(qū)以及混肥池的電磁閥門和其他硬件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)水肥一體化灌溉，從而達(dá)到預(yù)期效果。水肥一體機(jī)自動(dòng)化灌溉是否開啟是根據(jù)最初在控制器中設(shè)定好的該種農(nóng)作物對水肥在某一時(shí)期對各種水肥的最適值，當(dāng)系統(tǒng)中反饋來的信息與最初設(shè)定好的最適值不符時(shí)，電磁閥門就會(huì)由控制器進(jìn)行控制，對農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。人為干預(yù)就是根據(jù)區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測采集設(shè)備采集的土壤空氣溫濕度、光照度光強(qiáng)度、CO2濃度等各種自然環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)下田間土壤溫度濕度數(shù)據(jù)，參考依據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》、灌溉預(yù)報(bào)技術(shù)以及作物不同發(fā)育期的需肥量等標(biāo)準(zhǔn)，在“節(jié)水減肥”條件下，綜合判斷出作物是否受旱，并分析出作物合理的需水需肥量以及作物最佳灌溉時(shí)間[2]。水肥一體機(jī)中采用多個(gè)液態(tài)肥池、一個(gè)混肥池和灌溉管道網(wǎng)，來保證農(nóng)作物的正常生長。當(dāng)施肥機(jī)工作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)提前設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，控制對應(yīng)肥池的電磁閥門進(jìn)行混肥，通過文丘里吸肥器灌溉管道對農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的施肥灌溉。水肥一體機(jī)施肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

主要由空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、水位監(jiān)測傳感器等多種功能不同的傳感器進(jìn)行信息采集，通過控制器對多種傳感器進(jìn)行控制，并利用ZigBee傳輸技術(shù)將采集的信息通過WIFI網(wǎng)關(guān)傳到服務(wù)器，直接反饋到app。該模塊重點(diǎn)在于信息的采集，由于農(nóng)田環(huán)境，為保證成本和正常工作，應(yīng)選擇一些具備低能耗，具有較強(qiáng)的抗腐蝕性和抗干擾能力以及抗損耗能力、穩(wěn)定性猶質(zhì)等特性的傳感器，也為了長期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集。通過對農(nóng)作物生態(tài)環(huán)境，土壤取樣，農(nóng)作物適應(yīng)的環(huán)境進(jìn)行分析，選取了幾項(xiàng)監(jiān)測成分，其中有空氣與土壤中的溫濕度、土壤EC和PH。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 ZigBee模塊

ZigBee是一項(xiàng)新型的無線通信技術(shù)，適用于傳輸范圍短數(shù)據(jù)傳輸速率低的一系列電子元器件設(shè)備之間[3]。

ZigBee無線通信技術(shù)遵循專業(yè)的無線標(biāo)準(zhǔn)，能夠在數(shù)百、數(shù)千個(gè)微小傳感器之間進(jìn)行通信，并達(dá)成相互協(xié)調(diào)通信。ZigBee無線通信技術(shù)可以用于本地信息通信和自動(dòng)化等，可以不用計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的電纜等，也能實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)，它既可以相互通信，也可以接入因特網(wǎng)。其又是主要表現(xiàn)在（1）低功耗：工作周期短、功耗較低；（2）成本低：模塊價(jià)格低廉，并且ZigBee是免費(fèi)使用的；（3）可靠：ZigBee技術(shù)使用了一種避免碰撞預(yù)防機(jī)制，有效地避免了競爭沖突，同時(shí)保留了需要固定寬帶的專用時(shí)間。（4）節(jié)點(diǎn)通信設(shè)置較容易；（5）網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee可以采用星形、網(wǎng)狀、樹狀結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，可以根據(jù)任意節(jié)點(diǎn)組成更大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其可以有64000個(gè)可連接的節(jié)點(diǎn)。一片區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在100多個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)并且每一個(gè)可以容納200多個(gè)從設(shè)備和1個(gè)主設(shè)備。

4.2 控制器

為了實(shí)現(xiàn)對采集信息的傳感器進(jìn)行控制，正常高效進(jìn)行工作，還有系統(tǒng)ZigBee的選用。采用cc2530單片機(jī)作為控制器，不僅可以更好地與ZigBee協(xié)議進(jìn)行合作，還可以控制監(jiān)測模塊的各種傳感器以及電磁閥門，可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境監(jiān)測部分的信息進(jìn)行采集從而達(dá)到控制器的作用。還與ZigBee模塊協(xié)作將信息傳到云端。采用cc2530單片機(jī)有以下原因：（1）它具有很強(qiáng)的接收靈敏度和抗干擾能力；（2）它可以以非常低的成本價(jià)格建立起一個(gè)非常強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；（3）cc2530充分聯(lián)合了具有優(yōu)良性能的RF收發(fā)器、 CPU、閃存、8-KB RAM以及其他更多的功能；（4）cc2530單片機(jī)有很多運(yùn)行模式，所以它可以適應(yīng)一些非常低功耗的系統(tǒng)。在運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)時(shí)間很短，更好的驗(yàn)證的該單片機(jī)的低功耗優(yōu)點(diǎn)。并且其可以在ZigBee上很好的應(yīng)用。

5 軟件設(shè)計(jì)

對于該系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)主要是在cc2530單片機(jī)，本設(shè)計(jì)利用C語言對cc2530單片機(jī)和ZigBee模塊進(jìn)行編程，使用C語言對該單片機(jī)進(jìn)行編程，原因是C語言廣泛用于底層開發(fā)，能以簡易的方式編譯處理低級(jí)儲(chǔ)存器。C語言是僅僅產(chǎn)生少量的機(jī)器語言以及不需要任何運(yùn)行環(huán)境支持便能運(yùn)行的高效率程序設(shè)計(jì)語言。另外，C語言雖然提供了許多低級(jí)的處理功能，但仍然保持著跨平臺(tái)的特性，以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格寫出C語言程序。實(shí)現(xiàn)對檢測模塊的多種傳感器以及對電磁閥門進(jìn)行控制，然后通過ZigBee無線通信技術(shù)將信息傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云端而且C語言有匯編語言和高級(jí)語言的優(yōu)點(diǎn)，跟其它編程語言相比有很多的好處。當(dāng)用戶從用戶端得到信息后，通過與農(nóng)作物生長的最適環(huán)境進(jìn)行對比然后通過用戶端直接對編程好的控制器進(jìn)行控制。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)可以有效緩解浪費(fèi)水資源的問題對農(nóng)作物智能化施肥灌溉還可以減少田間的病蟲害，使養(yǎng)分水分得到更好的利用，還提高經(jīng)濟(jì)效益。滴灌的工程投資（包括動(dòng)力設(shè)備、施肥池和管路等）約每畝1000元，可以連續(xù)使用5、6年，每年節(jié)省肥料和農(nóng)藥至少為600元，增產(chǎn)幅度達(dá)三分之一以上。水肥一體化技術(shù)不僅可以減少水分向下滲，而且還能提高水分利用率。在沒有大棚膜的土地，滴灌與大水滿貫相比，節(jié)水率達(dá)一半以上。在水肥一體化技術(shù)條件下，所需的肥液可以被直接輸送到作物根系最集中部位，充分保證了根系對養(yǎng)分的快速吸收。在產(chǎn)量相近或相同的情況下，水肥一體化技術(shù)與傳統(tǒng)施肥技術(shù)相比節(jié)省化肥一半左右。省時(shí)省力。傳統(tǒng)的溝灌施肥費(fèi)工費(fèi)時(shí)，非常麻煩，而使用水肥一體化技術(shù)只需打開閥門，合上電閘，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。與傳統(tǒng)施肥相比，可節(jié)省用于灌溉和施肥的人工成本一大部分。而且還在一定程度上節(jié)約了人力和物力，尤其是肥料和農(nóng)業(yè)用水。傳統(tǒng)灌溉方式造成了水資源和肥料利用率低，而且會(huì)造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，造成土壤板結(jié)，且傳統(tǒng)方式與水肥一體化相比，所耗成本較大，而且領(lǐng)導(dǎo)人提倡綠色可持續(xù)發(fā)展。水肥一體化可以根據(jù)土壤養(yǎng)分含量以及作物生長各階段所需，對作物進(jìn)行精確施肥。此技術(shù)不僅提高了資源利用率，減少了農(nóng)業(yè)用水，節(jié)省了勞動(dòng)力，并遵循綠色可持續(xù)發(fā)展的原則。