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(yáng)，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(yáng)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(guò)環(huán)境傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境對(duì)象感測(cè)，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(dòng)文丘里比例施肥機(jī)進(jìn)行有效水肥灌溉完成對(duì)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(shí)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(dòng)或者澆灌，實(shí)現(xiàn)智能澆灌，比傳統(tǒng)的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)更加高效。

水肥一體化；無(wú)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(guó)，水資源利用不合理以及水資源使用過(guò)程中存在各種浪費(fèi)現(xiàn)象一直是我國(guó)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(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中存在肥料過(guò)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(wú)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(dòng)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(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)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(zhǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥，省工省時(shí)，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(duì)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(chǔ)、灌溉決策及控制3層結(jié)構(gòu)組成。通過(guò)Zigbee自組網(wǎng)的方式構(gòu)成系統(tǒng)的無(wú)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(guò)Zigbee終端完成數(shù)據(jù)的定時(shí)采集，并通過(guò)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(guò)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(gè)部分，無(wú)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(wú)線灌溉控制節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)中采用的無(wú)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(wú)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(wú)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(dòng)態(tài)增加傳感器接入數(shù)量，理論上最多支持254個(gè)數(shù)字傳感器。每個(gè)傳感器通過(guò)撥碼開關(guān)設(shè)置唯一的IP地址。Zigbee CC2530定時(shí)發(fā)指令獲取傳感器的數(shù)據(jù)，并通過(guò)其射頻模塊將傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)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(guò)RS232串口相連，CC2530協(xié)調(diào)器將接收到的Zigbee終端上報(bào)的環(huán)境信息通過(guò)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(kù)操作。Zigbee協(xié)調(diào)器在整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中只有1個(gè)，并且負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、建立、維護(hù)整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。ARM開發(fā)板主要有以下功能：（1）接收來(lái)自基于Zigbee的無(wú)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(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)各個(gè)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。基于ARM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(duì)傳感器上報(bào)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(guò)串口與Zigbee協(xié)調(diào)器完成消息交互，并通過(guò)3G，GPRS的形式實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的通訊，接收來(lái)自遠(yuǎn)程服務(wù)器下發(fā)的灌溉指令、查詢指令。

2.3 無(wú)線灌溉控制節(jié)點(diǎn)

無(wú)線灌溉控制節(jié)點(diǎn)主要包括無(wú)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(gè)電磁閥。當(dāng)無(wú)線射頻接收模塊，接收到來(lái)自協(xié)調(diào)器的灌溉指令時(shí)，射頻模塊會(huì)根據(jù)灌溉指令啟動(dòng)第1或者第2電磁閥，開啟后，不斷的檢測(cè)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(dòng)模式、自動(dòng)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(gè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其中協(xié)調(diào)器是整個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的連接。無(wú)線環(huán)境采集部分和無(wú)線灌溉控制節(jié)點(diǎn)部分是Zigbee的終端節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，ARM灌溉控制器通過(guò)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(dòng)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(tái)下的QT軟件平臺(tái)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(guò)串口發(fā)送定時(shí)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(gè)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(guò)串口返回給ARM，最終ARM將環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。通過(guò)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(cè)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(dòng)灌溉。

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

開發(fā)了一整套系統(tǒng)，包括無(wú)線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)（可以是多個(gè)節(jié)點(diǎn)），基于ARM智能決策節(jié)水灌溉控制器及無(wú)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(hào)日光溫室進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)共分2個(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(huì)導(dǎo)致水分的浪費(fèi)；而智能滴灌模式處理下啟動(dòng)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(wú)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(duì)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。

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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(zhǎng)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(guó)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。