番茄水肥一體化智能精準灌溉系統(tǒng)研究

陳志 趙成萍 劉曉光 馬志 陳勝萍 ??

摘要研究設計出一套番茄生產(chǎn)高效、高產(chǎn)的自動化水肥一體化精準灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進的微電腦技術、傳感器技術，以高性能的單片計算機為核心，配合研究設定的番茄不同生長階段所需肥水閾值，通過智能手機終端應用軟件（APP）控制，實現(xiàn)番茄水肥一體化智能精準灌溉。該智能系統(tǒng)可以有效地提高溫室番茄生產(chǎn)力和肥水利用效率，節(jié)約肥水資源的使用量，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力的技術支撐。

關鍵詞番茄；水肥一體；智能系統(tǒng)；精準灌溉

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）21-0208-03

Study on Intelligent Irrigation System for Precise and Integration of WaterFertilizer in Tomato Production

CHEN Zhi1，ZHAO Chengping2，LIU Xiaoguang1，CHEN Shengping1* et al

（1.Tangshan Research Institute of Agricultural Science，Tangshan，Heibei 063001；2.College of Life Sciences，Shanxi Agricultural University，Taigu，Shanxi 030801）

AbstractThe author studied and designed a set of tomato production and high efficiency，high yield and the automation of precision and irrigation control system.The system adopts advanced microcomputer technology，sensor technology，highperformance single chip computer as the core，setting of tomatoes and waterfertilize valve values for different growth stage，precision irrigation tomato in intelligence was realized by the intelligent mobile terminal APP control.The intelligent system can effectively improve tomato productivity and waterfertilize used efficiency in the greenhouse，save water resource usage，and provide strong technical support for modern agricultural production.

Key wordsTomato；Integration of waterfertilizer；Intelligent system；Precision irrigation

番茄作為我國以及世界上重要的日常蔬菜作物，是其他蔬菜無法取代的，溫室番茄種植是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)一個重要的組成部分，大力發(fā)展溫室番茄產(chǎn)業(yè)，對我國這樣一個人口大國而言具有極大的戰(zhàn)略意義[1-2]。目前我國溫室番茄管理水平落后，大多控制系統(tǒng)采用定時控制或者手動控制方式，在灌溉管理方面，通常存在澆水不及時、不均、灌水不足或過量灌水等現(xiàn)象，造成番茄品質下降、水肥浪費和病蟲害發(fā)生嚴重等問題。隨著灌溉技術發(fā)展，國內(nèi)部分地方溫室實現(xiàn)了節(jié)水灌溉技術，通過這種節(jié)水灌溉方式，提高水分利用效率[3-5]。無線電子技術的發(fā)展進一步發(fā)揮節(jié)水灌溉潛力，有效地提高了水資源利用效率[6-8]，但是對該項技術尚缺少深入的研究。筆者在前人研究的基礎上，根據(jù)番茄生長周期需求，研制設計出一套番茄生產(chǎn)高效、高產(chǎn)的水肥一體化智能精準灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進的微電腦技術[9-12]、傳感器技術[13]，以高性能的單片計算機為核心，配合研究設定的番茄不同生長階段所需肥水閾值[14-16]，通過智能手機終端應用軟件（APP）控制，實現(xiàn)番茄水肥一體化智能精準灌溉，為高產(chǎn)、優(yōu)質、高效、安全的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力的技術支撐。

1控制系統(tǒng)構成

番茄水肥一體化智能精準灌溉系統(tǒng)設計由5部分構成：水肥監(jiān)測系列傳感器、系統(tǒng)控制器、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、服務器（Server）、手機端APP組成（如圖1所示）。精準灌溉系統(tǒng)通過傳感器采樣方式獲取土壤的濕度、氮磷鉀等養(yǎng)分濃度、空氣溫濕度、室內(nèi)風量等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?shù)絊erver及手機軟件APP端。用戶通過手機軟件APP實時監(jiān)測番茄生長環(huán)境，并根據(jù)獲得的實時生長環(huán)境參數(shù)進行水、肥、空氣濕度、溫度等的調節(jié)，其中，溫室的濕度和溫度由系統(tǒng)控制器驅動風機調節(jié)，水分和肥料由系統(tǒng)控制器驅動滴灌系統(tǒng)進行調節(jié)。

1.1系統(tǒng)控制器

系統(tǒng)控制器由10部分組成，其核心采用高性能芯片系統(tǒng)，外圍由9個電路模塊及傳感器組成，分別為STC單片機系統(tǒng)；電源模塊；實時時鐘電路；3G模塊；液晶顯示及鍵盤電路；氮磷鉀檢測傳感器；風量傳感器；溫濕度傳感器；土壤濕度傳感器；風機及滴灌系統(tǒng)驅動（如圖2所示）。

1.1.1

STC單片機系統(tǒng)?？刂破饕愿咝阅艿?位STC單片機為核心，主控程序采用嵌入式程序設計，考慮了現(xiàn)場變頻器、軟啟動等強干擾源對控制器本身的電源干擾及輻射影響，主控程序設計上具有強大的抗干擾措施，保證穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)接收3G模塊從手機軟件APP所發(fā)送的指令，讀取時鐘電路、鍵盤電路、土壤傳感器電路數(shù)據(jù)，根據(jù)手機軟件APP指令及自身判斷，通過LED顯示電路顯示各種指示參數(shù)及開關態(tài)信息等，并且根據(jù)手機軟件APP指令驅動功率開關電路對風機及滴灌系統(tǒng)進行開關操作。

1.1.2電源模塊。電源電路開關采用穩(wěn)壓電源芯片，輸入輸出均加入濾波電路，抗干擾能力很強。

1.1.3實時時鐘電路。以高性能芯片為核心，結合數(shù)據(jù)采集電路、信號輸出電路、實時時鐘電路、系統(tǒng)監(jiān)控電路組成。

1.1.43G模塊。通過3G互聯(lián)網(wǎng)通訊模塊負責將手機軟件APP各種指令以及Server端所發(fā)出的指令通過移動互聯(lián)網(wǎng)進行上下行傳輸；實現(xiàn)從智能手機客戶端到現(xiàn)場智能電源控制器的控制。

1.1.5液晶顯示及鍵盤電路。控制器的開關狀態(tài)顯示，傳感器參數(shù)的顯示，設備運行狀況顯示等。

1.1.6氮磷鉀檢測傳感器。對于土壤里面氮磷鉀離子濃度參數(shù)進行實時監(jiān)測。

1.1.7風量傳感器。系統(tǒng)控制器根據(jù)空氣中溫度及濕度以及時間來判斷溫室是否需要換風?？刂破鞲鶕?jù)流量傳感器數(shù)值，然后計算風機孔面積計算出新風量。

1.1.8溫濕度傳感器。傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數(shù)字信號，具有良好的品質、很快的響應速度、較強的抗干擾能力。傳感器包括1個測濕敏感元件、1個測溫元件，濕度測量范圍：相對濕度0～100%，溫度測量范圍：-40～105 ℃。

1.1.9土壤濕度傳感器。采用電阻法測量土壤濕度。

1.1.10風機及滴灌系統(tǒng)驅動。風機和滴灌系統(tǒng)的運行采用繼電器（自動裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實現(xiàn)自動化運行）開關控制模式。

1.2控制器外觀

如圖3所示，控制器外殼尺寸為寬500 mm，厚300 mm，高600 mm，尺寸可根據(jù)需要微調，外殼上層右上角需要留出一個紅外接收孔。

2軟件流程

如圖4所示，系統(tǒng)通電后首先進行自檢，自檢通過后，控制器通過3G模塊和用戶手機APP互聯(lián)，同時溫室內(nèi)部各種傳感器實時進行采樣，當控制器收到手機端指令時，即按照手機發(fā)出指令進行動作，如開啟滴灌或者開啟風機等，如果控制器不能夠收到來自于手機APP端指令，則控制器依據(jù)前次設置或出廠設置，按內(nèi)部預定數(shù)學模型進行精準灌溉。

3技術關鍵

3.1手機APP和現(xiàn)場控制器互聯(lián)技術

網(wǎng)絡地址轉換（NAT）設備采用的類型對TCP穿越NAT十分重要，根據(jù)端口映射方式，NAT可分為4種類型：全克?。?Full Cone）、限制性克隆（Restricted Cone）、端口限制性克?。?Port Restricted Cone）、對稱式NAT（ Symmetric NAT）。前3種NAT類型可統(tǒng)稱為cone類型。該研究設計的番茄水肥一體化智能精準灌溉系統(tǒng)NAT設備采用的類型為第4種類型，第4種類型的NAT優(yōu)點在于當同一內(nèi)部主機使用相同的端口與不同地址的外部主機進行通信時，NAT對該內(nèi)部主機的映射會有所不同。對稱式NAT不保證所有會話中的私有地址和公開IP之間綁定的一致性。相反，它為每個新的會話分配一個新的端口號。

安徽農(nóng)業(yè)科學2017年

3.2傳感器技術配合番茄不同生長周期所需的精準灌溉技術

利用氮磷鉀離子傳感器及土壤濕度傳感器，能夠感知在番茄生長的不同時期土壤肥料等參數(shù)，然后依據(jù)溫室空氣參數(shù)，配合風機進行定時定量換風，利用自創(chuàng)的數(shù)學模型，結合滴灌系統(tǒng)為番茄提供一整套精準水肥滴灌[17-20]，為溫室番茄提供一個理想的生長環(huán)境。不但節(jié)省了肥料，而且增加了產(chǎn)量。

4結語

該研究設計的智能系統(tǒng)可以有效地提高溫室番茄生產(chǎn)力和肥水利用效率，節(jié)約肥水資源的使用量。手機APP和現(xiàn)場控制器互聯(lián)技術為農(nóng)業(yè)發(fā)展方式提供新途徑、新方法，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向、新趨勢。通過傳感器技術配合番茄不同生長周期所需的精準灌溉技術提升了番茄溫室生產(chǎn)智能化、精準化、自動化水平，實現(xiàn)節(jié)本增效。

參考文獻

[1] 喻景權.“十一五”我國設施蔬菜生產(chǎn)和科技進展及其展望[J].中國蔬菜，2011（2）：11-23.

[2] 李天來.我國日光溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2005，36（2）：131-138.

[3] 鄭懷文，俞國勝，劉靜.節(jié)水灌溉技術研究現(xiàn)狀[J].林業(yè)機械與木工設備，2006，34（10）：7-10.

[4] 蔡甲冰，劉鈺，雷廷武，等.精量灌溉決策定量指標研究現(xiàn)狀與進展[J].水科學進展，2004，15（4）：531-537.

[5] 孫景生，康紹忠.我國水資源利用現(xiàn)狀與節(jié)水灌溉發(fā)展對策[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2000，16（2）：1-5.

[6] 劉曉，張一銘，黃文強，等.基于AT89C51的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計[J].機械工程與自動化，2016（2）：184-186.

[7] 王驥，周文靜，沈玉利.基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計[J].中山大學學報（自然科學版），2008，47（S1）：29-31.

[8] 匡秋明，趙燕東，白陳祥.節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23（6）：136-139.

[9] 孫莉，張清，陳曦，等.精準農(nóng)業(yè)技術系統(tǒng)集成在新疆棉花種植中的應用[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2005，21（8）：83-88.

[10] 張成濤，譚彧，吳剛，等. 基于無線傳輸方式的農(nóng)業(yè)裝備共性參數(shù)測控系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41（S1）：257-262.

[11] MOORE S，OWINO T O，HAN Y J，et al.Instrumentation for varia blerate lateral irrigation system[C]//2005 ASAE AnnualInter national Meeting.Florida：[s.n.]，2005：17-20.

[12] 張杰，黎耀貴，楊冬升.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)設計方案分析與選擇[J].中國水運，2008，8（3）：145-146.

[13] 趙燕東，白陳祥，匡秋明，等.土壤水分傳感器實用性能對比研究[J].北京林業(yè)大學學報，2006，28（3）：158-160.

[14] 段愛旺，孫景生，劉鈺，等.北方地區(qū)主要農(nóng)作物灌溉用水定額[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學出版社，2004.

[15] 高方勝，徐坤，徐立功，等.土壤水分對番茄生長發(fā)育及產(chǎn)量品質的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學報，2005，14（4）：69-72.

[16] 高新昊，張志斌，郭世榮，等.日光溫室番茄越夏栽培滴灌指標的研究[J].中國蔬菜，2004（6）：11-13.

[17] 賀忠群，鄒志榮，陳小紅，等.溫室黃瓜節(jié)水灌溉指標的研究[J].西北農(nóng)林科技大學報（自然科學版），2003，31（3）：77-80.

[18] 李清明，鄒志榮，郭曉東，等.不同灌溉上限對溫室黃瓜初花期生長動態(tài)、產(chǎn)量及品質的影響[J].西北農(nóng)林科技大學學報（自然科學版），2005，33（4）：47-51.

[19] 田義，張玉龍，虞娜，等.溫室地下滴灌灌水控制下限對番茄生長發(fā)育、果實品質和產(chǎn)量的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2006，24（5）：88-92.

[20] DORJI K，BEHBOUDIAN M H，ZEGBEDOMNGUEZ J A.Water relations，growth，yield，and fruit quality of hot pepper under deficit irrigation and partial rootzone drying[J].Scientia horticulturae，2005，104（2）：137-149.