設(shè)施蔬菜水肥一體化智能灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

張雪飛，彭 凱，王建春，宋治文，王 艷，梁新書，錢春陽，李 鵬

（1.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息研究所，天津300192；2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津300130；3.天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津300192；4.天津億網(wǎng)通達(dá)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，天津300100）

設(shè)施蔬菜水肥一體化智能灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

張雪飛1，彭 凱2，王建春1，宋治文1，王 艷3，梁新書3，錢春陽1，李 鵬4

（1.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息研究所，天津300192；2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津300130；3.天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津300192；4.天津億網(wǎng)通達(dá)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，天津300100）

設(shè)計(jì)了設(shè)施蔬菜水肥一體化智能灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過環(huán)境傳感器實(shí)現(xiàn)對環(huán)境對象感測，精準(zhǔn)獲取設(shè)施蔬菜的全生育期的環(huán)境參數(shù)；設(shè)計(jì)了“土壤含水量下限＋小額灌溉”的灌溉策略模式，結(jié)合設(shè)施蔬菜全生育期的環(huán)境參數(shù)形成閉環(huán)回路，驅(qū)動文丘里比例施肥機(jī)進(jìn)行有效水肥灌溉完成對設(shè)施蔬菜的精細(xì)化耕作。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠按照預(yù)設(shè)間隔時間有效監(jiān)控設(shè)施蔬菜的環(huán)境參數(shù)，并能在設(shè)定的土壤濕度參數(shù)范圍內(nèi)啟動或者澆灌，實(shí)現(xiàn)智能澆灌，比傳統(tǒng)的自動澆灌系統(tǒng)更加高效。

水肥一體化；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境調(diào)控；設(shè)施蔬菜；灌溉策略

作為農(nóng)業(yè)大國，水資源利用不合理以及水資源使用過程中存在各種浪費(fèi)現(xiàn)象一直是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的重要問題[1-5]。目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采用大水漫灌、畦灌、溝灌等灌溉方式，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)的水資源有效利用率僅為40%。與此同時，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中存在肥料過度使用[6-8]，單位面積施肥量逐年攀升，但是蔬菜產(chǎn)量并無明顯提高，養(yǎng)分利用效率很低，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境壓力及環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。

隨著信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的推廣應(yīng)用，智能化、自動化、精準(zhǔn)化的灌溉施肥方式正逐步取代傳統(tǒng)的灌溉方式。智能灌溉系統(tǒng)將蔬菜水肥管理技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息傳感技術(shù)和控制技術(shù)進(jìn)行集成[9-20]，實(shí)時監(jiān)測設(shè)施溫室的空氣溫濕度、土壤含水量及溫度、光照度的環(huán)境信息，并將土壤含水量作為智能灌溉開啟的條件，按照程序預(yù)設(shè)的灌溉策略，對農(nóng)作物進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉，從而使得土壤始終保持最適宜農(nóng)作物的濕度狀態(tài)，有效促進(jìn)了農(nóng)作物生長，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥，省工省時，農(nóng)作物增產(chǎn)增效。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

設(shè)施蔬菜水肥一體化智能灌溉控制系統(tǒng)是集環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析及決策、智能控制為一體的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)施溫室的環(huán)境信息進(jìn)行分布式監(jiān)控及集中式的管理功能，本研究的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由環(huán)境數(shù)據(jù)采集及傳輸、環(huán)境數(shù)據(jù)展示及存儲、灌溉決策及控制3層結(jié)構(gòu)組成。通過Zigbee自組網(wǎng)的方式構(gòu)成系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，完成環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸及灌溉控制指令的下達(dá)。環(huán)境數(shù)據(jù)采集部分是通過Zigbee終端完成數(shù)據(jù)的定時采集，并通過Zigbee自組網(wǎng)將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到Zigbee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給ARM中央控制器，ARM中央控制器進(jìn)行分析計(jì)算處理，根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)及智能決策方案進(jìn)行水肥一體化灌溉控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路分為3個部分，無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)、基于ARM的智能采集灌溉控制器、無線灌溉控制節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)中采用的無線傳輸模塊，均采用CC2530芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片底層采用了Zigbee的通信協(xié)議，集成了單片機(jī)內(nèi)核、射收發(fā)模塊等，具有功耗低等特點(diǎn)。

2.1 無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可擴(kuò)展多通道數(shù)字型傳感采集器，包括無線傳輸單元和傳感器。選用的環(huán)境信息傳感器均為數(shù)字型傳感器，數(shù)字型傳感器為I2C總線數(shù)字傳感器、單總線數(shù)字傳感器、RS485接口型數(shù)字傳感器，并且接口擴(kuò)展板用于動態(tài)增加傳感器接入數(shù)量，理論上最多支持254個數(shù)字傳感器。每個傳感器通過撥碼開關(guān)設(shè)置唯一的IP地址。Zigbee CC2530定時發(fā)指令獲取傳感器的數(shù)據(jù)，并通過其射頻模塊將傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線發(fā)送，發(fā)送給上位機(jī)相連的協(xié)調(diào)器中。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 基于ARM智能決策節(jié)水灌溉控制器設(shè)計(jì)

基于ARM智能決策節(jié)水灌溉控制器包括ARM開發(fā)板及Zigbee CC2530協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器與ARM開發(fā)板通過RS232串口相連，CC2530協(xié)調(diào)器將接收到的Zigbee終端上報的環(huán)境信息通過串口方式傳送給ARM開發(fā)板。ARM開發(fā)板將接收到的環(huán)境信息進(jìn)行計(jì)算處理及保存入庫操作。Zigbee協(xié)調(diào)器在整個無線網(wǎng)絡(luò)中只有1個，并且負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、建立、維護(hù)整個無線網(wǎng)絡(luò)。ARM開發(fā)板主要有以下功能：（1）接收來自基于Zigbee的無線環(huán)境采集器的傳感器信息；（2）具有人機(jī)交互功能，能夠?qū)崟r監(jiān)測農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)各個棚室灌溉狀況的控制器設(shè)備；（3）制定灌溉、施肥策略，實(shí)現(xiàn)智能化灌溉?；贏RM智能決策節(jié)水灌溉控制器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，控制器使用了具有高性能Cortex-A8核心板的ARM開發(fā)板，采用了Linux操作系統(tǒng)，使用QT作為人機(jī)界面開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了對傳感器上報數(shù)據(jù)的解析和封裝、根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)及專家決策的智能灌溉指令的下發(fā)，通過串口與Zigbee協(xié)調(diào)器完成消息交互，并通過3G，GPRS的形式實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的通訊，接收來自遠(yuǎn)程服務(wù)器下發(fā)的灌溉指令、查詢指令。

2.3 無線灌溉控制節(jié)點(diǎn)

無線灌溉控制節(jié)點(diǎn)主要包括無線射頻接收模塊、文丘里比例施肥機(jī)、數(shù)字流量計(jì)、液位計(jì)、2個電磁閥。當(dāng)無線射頻接收模塊，接收到來自協(xié)調(diào)器的灌溉指令時，射頻模塊會根據(jù)灌溉指令啟動第1或者第2電磁閥，開啟后，不斷的檢測數(shù)字流量計(jì)或液位計(jì)的數(shù)據(jù)，若達(dá)到預(yù)定的灌溉值，則關(guān)閉第1或者第2電磁閥。其中，第1電磁閥是控制灌水的管路，數(shù)字流量計(jì)是統(tǒng)計(jì)灌水量的儀表；第2電磁閥是控制施肥的管路，液位計(jì)是統(tǒng)計(jì)施肥量的儀表。具體如圖4所示。

3 設(shè)施蔬菜全生育期灌溉模型及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)施蔬菜全生育期灌溉模型設(shè)計(jì)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，目前作物灌溉主要有以下幾種方式：手動模式、自動模式和智能模式。智能模式又分為3種：第1種按地方標(biāo)準(zhǔn)的灌溉方式（土壤水分下限＋適量灌水量）進(jìn)行灌溉；第2種根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)按水分上下限方式控制灌溉；第3種是改進(jìn)的灌溉方式（土壤水分下限+小額灌水量），將土壤水分傳感器放置于15 cm的土層中，當(dāng)土壤體積含水量下限范圍為37.03%～37.56%，借助控制器開啟智能灌水施肥。

本系統(tǒng)采用第3種改進(jìn)式的灌溉方式，采用少量多次灌溉的原則，改進(jìn)后的灌溉方式能夠使土壤體積含水量下限范圍變異幅度小，保證根層土壤水分始終處在適宜范圍內(nèi)。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件采用了IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境，利用ZStack協(xié)議棧完成了軟件的開發(fā)。ZStack協(xié)議棧是TI公司為Zigbee提供的一個解決方案，它是一種基于輪轉(zhuǎn)查詢式的操作系統(tǒng)。

Zigbee組成無線網(wǎng)絡(luò)，其中協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的管理者。當(dāng)協(xié)調(diào)器上電完成硬件和軟件的初始化后，負(fù)責(zé)建立整個網(wǎng)絡(luò)的連接。無線環(huán)境采集部分和無線灌溉控制節(jié)點(diǎn)部分是Zigbee的終端節(jié)點(diǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)，ARM灌溉控制器通過Zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)送消息給Zigbee終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)收到消息，并進(jìn)行解析，完成下一步動作。協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖5所示。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于ARM智能決策節(jié)水灌溉控制器的上位機(jī)軟件主要是利用ARM的Linux平臺下的QT軟件平臺進(jìn)行編寫的。軟件的架構(gòu)如圖6所示。

上位機(jī)軟件的工作流程為：ARM通過串口發(fā)送定時獲取環(huán)境傳感器信息的指令到Zigbee協(xié)調(diào)器，Zigbee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)指令給各個環(huán)境傳感器終端，終端收到指令后，將環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)返回到Zigbee協(xié)調(diào)器，Zigbee協(xié)調(diào)器通過串口返回給ARM，最終ARM將環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。通過ARM的人機(jī)交互接口，設(shè)定智能灌溉的策略，設(shè)定成功后，ARM不斷判斷及檢測土壤含水量是否到達(dá)給定的閾值，若已到達(dá)閾值，則啟動灌溉。

4 系統(tǒng)測試分析

開發(fā)了一整套系統(tǒng)，包括無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)（可以是多個節(jié)點(diǎn)），基于ARM智能決策節(jié)水灌溉控制器及無線澆灌控制節(jié)點(diǎn)（圖7）。

試驗(yàn)裝置從2017年3月11日至7月10日在天津市漢沽永豐合作社5號日光溫室進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)共分2個處理：（1）傳統(tǒng)滴灌模式。按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民溫室黃瓜滴灌管理進(jìn)行水肥控制；（2）智能滴灌模式。借助土壤水分傳感器，進(jìn)行智能水肥灌溉。每次灌水定額為5 mm，每次施純N濃度為120 g/m3（每個小區(qū)面積為3.9 m×7.5 m）。

試驗(yàn)中，環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)每30 min采集并記錄一組環(huán)境參數(shù)，每天采集24組，濕度設(shè)定小于37.03%啟動滴灌，大于37.56%停止滴灌。傳統(tǒng)滴灌模式和智能滴灌模式下根層土壤體積含水量的動態(tài)變化如圖8所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)滴灌模式共灌水18次，而智能滴灌模式共灌水22次。處理開始后，傳統(tǒng)滴灌模式每次灌水前土壤體積含水量下限的范圍35.86%～38.35%，變異幅度較大，如此會造成每次灌溉前根層土壤缺水嚴(yán)重或根本不缺水，如此不合理的灌溉往往會導(dǎo)致水分的浪費(fèi)；而智能滴灌模式處理下啟動灌水施肥程序土壤體積含水量下限范圍為37.03%～37.56%，變異幅度較小，能夠保證根層土壤始終處在適宜水分范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一套基于智能灌溉策略的設(shè)施蔬菜水肥一體化智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，采用了無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將設(shè)施溫室環(huán)境信息采集并傳送至上位機(jī)。上位機(jī)分析環(huán)境信息并建立“土壤含水量下限＋小額灌溉”的灌溉策略，有效地實(shí)現(xiàn)了設(shè)施蔬菜的適量灌溉，最終可實(shí)現(xiàn)對設(shè)施蔬菜的精細(xì)化耕作，達(dá)到了節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)的目的。

［1］阮三桂，姚邦松，肖衛(wèi)華，等.自動控水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用試驗(yàn)[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（12）：1864-1866，1890.

［2］郭建文，劉海.不同灌溉制度對玉米生長過程中水肥利用的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（4）：346-348.

［3］鞠加亮，孫洋洋.基于節(jié)水激勵的農(nóng)業(yè)水資源流轉(zhuǎn)模式研究[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（2）：139-142.

［4］雷波.農(nóng)業(yè)水效源效用評價研究 [D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2010．

［5］高雪梅.中國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及存在問題[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，18（1）：54-56.

［6］肖建中，盧樹昌，王瑞，等.武清區(qū)設(shè)施黃瓜灌溉施肥技術(shù)應(yīng)用效果分析[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，19（7）：22-24.

［7］李錚，王晉民，王海景.蔬菜日光溫室問題調(diào)查與水肥一體化技術(shù)探討[J].土壤，2006，38（2）：223-227.

［8］李明悅，朱靜華，廉曉娟，等.灌溉施肥條件下設(shè)施蔬菜施肥效應(yīng)研究[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，19（8）：25-27.

［9］程瑞，王雙喜.溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（2）：203-205.

［10］呂雄杰，陸文龍，王艷，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日光溫室黃瓜智能灌溉控制系統(tǒng)研究[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，20（9）：34-37.

［11］鄧曉棟，張文清，翁紹捷.基于Zigbee的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，54（3）：690-692，696.

［12］蔡長青，侯首印，張幀，等.溫室智能灌溉水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（10）：164-166.

［13］廖建尚.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（11）：233-243.

［14］張小偉.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].西安：陜西科技大學(xué)，2014.

［15］李合青，來智勇，張鑫.基于ZigBee的溫室智能灌溉執(zhí)行子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，36（1）：95-98.

［16］顏波，石平.基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014，45（1）：259-265.

［17］韓慧，謝楠，鞏秀鋼，等.基于ARM和Qt的蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，29（3）：53-55.

［18］胡衡，梁嵐珍.基于Zigbee和ARM的溫室大棚多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（7）：414-419.

［19］葉美松，肖世德，張志峰，等.基于Zigbee技術(shù)的溫室大棚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動化與儀表，2017，32（2）：41-44.

［20］周建民，尹洪妍，徐冬冬.基于Zigbee技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（9）：50-52.

Design and Test of Intelligent Irrigation Control System for Water and Fertilizer Integration of Facilities Vegetables

ZHANGXuefei1，PENGKai2，WANGJianchun1，SONGZhiwen1，WANGYan3，LIANGXinshu3，QIANChunyang1，LIPeng4

（1.Institute ofInformation，Tianjin Academy ofAgriculturalSciences，Tianjin 300192，China；2.SchoolofMechanicalEngineering，HebeiUniversity ofTechnology，Tianjin 300130，China；3.Tianjin Institute ofAgriculturalResources and Environment，Tianjin 300192，China；4.Tianjin Ewebtd Network Teachnology Co.，Ltd.，Tianjin 300100，China）

An intelligentirrigation controlsystem for incorporating integration ofwater and fertilize was designed.The system could obtain precise regulation ofenvironmentalparameters through the environmentalsensors.The irrigation strategy of"soilmoisture limit＋micro-irrigation"and combined with the environmental parameters ofgreenhouse vegetable during the whole growth period,can drive Venturi Fertiliser effective irrigation facilities complete the refined vegetable farming.The result shows that the system can monitor the environmentalparameters ofthe vegetable atpresetintervals and can intelligently initiate or stop irrigation in the range ofsoilhumidity.It proves thatthis irrigation controlsystem is efficientthan otherauto irrigation system.

integrated management of waterand fertilizer;wireless sensor networks;environment control;facility vegetable；irrigation strategy

S126；TP23

：A

：1002-2481（2017）09-1534-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.09.33

2017-05-16

天津市科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（14ZCZDNC00005）；天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長基金項(xiàng)目（16005）；天津市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化和推廣項(xiàng)目（201601220）；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（17YFZCNC00280）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目（16ZYYFNC0010）；天津市蔬菜現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（ITTVRS2017018）；天津市國際合作項(xiàng)目（14RCGFNC00101）

張雪飛（1982-），女，河北唐山人，助理研究員，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用研究工作。王建春為通信作者。