設(shè)施溫室智能化閉環(huán)式節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張雪飛， 王建春*， 彭 凱， 李鳳菊

(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)械工程學(xué)院， 天津 300130)

近年來，設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在信息化、智能化、精準(zhǔn)化方面得到快速發(fā)展，利用多種無線傳感技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展糧食生產(chǎn)和農(nóng)作物種植環(huán)境參數(shù)監(jiān)控的研究與開發(fā)[1-4]得到相關(guān)研究者的關(guān)注。智能澆灌技術(shù)也在大田和溫室大棚中得到推廣應(yīng)用[5-6]，主要采用多種無線通信方式，不同澆灌控制方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)節(jié)水節(jié)肥控制[7]。設(shè)施溫室智能節(jié)水灌溉技術(shù)是當(dāng)今發(fā)達(dá)國家研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，目前我國的水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)主要依靠引進(jìn)國外先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，設(shè)備成本高，與設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)脫節(jié)，不能有效進(jìn)行推廣[8-15]。因此，筆者等進(jìn)行了設(shè)施農(nóng)業(yè)水肥一體化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)施溫室的節(jié)水節(jié)肥和提高水肥資源利用率、降低農(nóng)業(yè)污染，解放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)施溫室水肥澆灌系統(tǒng)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)精確的智能水肥灌溉，即能根據(jù)土壤墑情和時(shí)間智能設(shè)定完成水肥的滴灌。因此，需要及時(shí)獲取澆灌區(qū)域的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和澆灌時(shí)的即時(shí)澆灌量值，才能初步實(shí)現(xiàn)定量澆灌。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分成4層(圖1)。第1層(底層)為傳感執(zhí)行器層，主要由各種類型環(huán)境參數(shù)傳感器如光照傳感器、土壤溫濕度傳感器和空氣溫濕度傳感器等組成，灌溉執(zhí)行器采用各種的閥門和用于控制澆灌量的流量計(jì)；第2層為數(shù)據(jù)采集控制層，該層利用單片機(jī)作為下位機(jī)采集各種傳感器數(shù)據(jù)，給執(zhí)行器發(fā)送開關(guān)控制指令，打開或關(guān)閉閥門；第3層為數(shù)據(jù)傳輸層，采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由協(xié)調(diào)器、路由和終端構(gòu)建整個(gè)傳感控制網(wǎng)絡(luò)，該層利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)將各種傳感器數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，將上位機(jī)澆灌控制指令傳送到控制執(zhí)行器的下位機(jī)；第4層為頂層，是智能網(wǎng)關(guān)，用于數(shù)據(jù)的展示，澆灌控制的決策及澆灌控制信息。

1.2 系統(tǒng)硬件

1.2.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集器 環(huán)境數(shù)據(jù)采集器的核心是TI公司的CC2530，其本身是一種增強(qiáng)型8051單片機(jī)，具有強(qiáng)大的收發(fā)特性及組網(wǎng)功能。傳感器均采用具有RS485接口的數(shù)字型傳感器。溫濕度傳感器內(nèi)部采用SHT11傳感器，具有體積小、功耗低和精準(zhǔn)度高的特點(diǎn)。土壤含水量傳感器采用FC28，功耗低，量程0～100%。傳感器均經(jīng)過485接口與CC2530單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)多傳感器動(dòng)態(tài)接入采集器,單個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集器最多可以支持接入247個(gè)傳感器。每個(gè)傳感器在接入采集器前需通過撥碼開關(guān)或軟件寄存器設(shè)置唯一的編號(hào)。每個(gè)Zigbee環(huán)境采集器設(shè)置唯一的地址，用于區(qū)別設(shè)施溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的來源。利用CC2530單片機(jī)通過串口與數(shù)字傳感器通信，獲取傳感器數(shù)據(jù)。通過485總線連接多個(gè)傳感器，構(gòu)成環(huán)境數(shù)據(jù)采集器(圖2)。

1.2.2 水肥一體化灌溉控制器 水肥一體化灌溉控制器(圖3)由單片機(jī)、數(shù)字流量計(jì)、繼電器和電磁閥、比例施肥器等組成(圖3)，結(jié)構(gòu)類似采集器。單片機(jī)采用CC2530，既作控制主機(jī)又作無線通信主機(jī)。

數(shù)字流量計(jì)通過485接口與單片機(jī)通信，用于計(jì)量水肥澆灌量，單片機(jī)通過通用IO口經(jīng)過繼電器控制電磁閥開啟或者斷開。一個(gè)水肥控制器可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)流量計(jì)和電磁閥，控制多組澆灌設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。一般1組澆灌設(shè)備包括1個(gè)水閥控制和1個(gè)肥閥控制。為了提高澆灌精準(zhǔn)度，也可以采用1個(gè)澆灌控制器控制一組澆灌設(shè)備記性作業(yè)。

1.2.3 arm智能控制器 arm智能控制器(圖4)主要包括arm核心開發(fā)板及Zigbee協(xié)調(diào)器(圖4)。arm開發(fā)板采用友善之臂的Smart4418，具有高性能Cortex-A9核心板，采用三星S5PV4418作為主處理器。運(yùn)行主頻高達(dá)1.4GHz，帶有600×1024的觸摸液晶屏以及以太網(wǎng)口。Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器采用TI公司的CC2530，方便進(jìn)行自組網(wǎng)與zigbee其他終端和路由進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸。協(xié)調(diào)器與arm控制器之間通過rs232串口進(jìn)行通信，arm控制器通過協(xié)調(diào)器接收來自終端發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制指令給終端。

圖4 arm智能控制器結(jié)構(gòu)

Fig.4 Structure of arm intelligent controller

1.3 軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 采集終端軟件 由于CC2530單片機(jī)既有采集數(shù)據(jù)功能又有無線數(shù)據(jù)收發(fā)功能，因此需要定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)在連接入網(wǎng)后無線功能處于監(jiān)聽狀態(tài)，隨時(shí)接收來自協(xié)調(diào)器的指令。終端采集器可以掛載多個(gè)傳感器，且傳感器的地址不一定連續(xù)，因此在設(shè)備通電后，首先掃描掛接在終端上的傳感器，并記錄其地址碼。掃描完所有地址后，即可獲知所有在線傳感器，再按照固定的頻率，通過modbus協(xié)議輪詢獲取傳感器的數(shù)據(jù)。將獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，采用覆蓋方式保存?zhèn)鞲衅餍律蟼鞯臄?shù)據(jù)；終端不會(huì)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，避免多個(gè)終端同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致數(shù)據(jù)碰撞而發(fā)送失?。唤邮諈f(xié)調(diào)器發(fā)來的查詢指令，將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給arm控制器，工作流程如圖5所示。

1.3.2 澆灌控制軟件 澆灌控制軟件用于水肥控制終端上，接收arm智能控制器通過協(xié)調(diào)器發(fā)來的灌溉指令；該指令中可以包含水、肥澆灌量，根據(jù)灌溉量，開啟電磁閥進(jìn)行灌溉，并定時(shí)查詢流量計(jì)，檢測(cè)澆灌量是否達(dá)到指令設(shè)定澆灌值。若達(dá)到預(yù)定的灌溉值，則關(guān)閉終止灌溉，否則繼續(xù)澆灌作業(yè)。軟件控制流程如圖6所示。

1.3.3 智能arm控制器軟件 智能Arm控制器主要功能是負(fù)責(zé)收集監(jiān)控區(qū)內(nèi)的環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、分析決策并提供人機(jī)交互界面，發(fā)送控制指令給澆灌控制器，其功能模塊和主要工作流程見圖7。環(huán)境采集器的傳感器和澆灌控制器數(shù)據(jù)均通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)及協(xié)調(diào)器與arm控制器進(jìn)行傳遞，因此arm接收發(fā)送數(shù)據(jù)均通過串口中斷實(shí)現(xiàn)。由于多個(gè)傳感器終端節(jié)點(diǎn)自主發(fā)送給arm控制器傳感器數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)碰撞概率，當(dāng)出現(xiàn)一定次數(shù)后，終端與協(xié)調(diào)器之間通信發(fā)生中斷，導(dǎo)致某終端節(jié)點(diǎn)不再發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，陷入假死狀態(tài)。因此，采用arm控制器輪詢方式查詢各個(gè)環(huán)境采集器傳感數(shù)據(jù)的方式。即第1次環(huán)境采集器或者灌溉控制器作為終端入網(wǎng)后，會(huì)主動(dòng)給協(xié)調(diào)器發(fā)送一次終端的自定義地址，協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)arm控制器，arm控制器將記錄該地址作為在線節(jié)點(diǎn)地址。之后arm將進(jìn)行定時(shí)掃描所有記錄的環(huán)境采集器地址，采用輪詢方式給各個(gè)環(huán)境采集器發(fā)送查詢指令，并接收這些環(huán)境采集器反饋的傳感器數(shù)據(jù)；而澆灌控制器地址則保存用于發(fā)送澆灌指令。

arm控制器軟件在基于LINUX系統(tǒng)的QT4.8.5版本軟件開發(fā)平臺(tái)制作完成，QT開發(fā)平臺(tái)有很好的跨平臺(tái)功能，在LINUX系統(tǒng)和window系統(tǒng)下代碼可以轉(zhuǎn)換編譯；通過arm-linux-gcc交叉編譯工具可以將qt代碼編譯成arm控制器能夠識(shí)別的ARM機(jī)程序，下載到arm機(jī)上即可運(yùn)行。開發(fā)的人機(jī)交互界面包括各個(gè)環(huán)境采集器節(jié)點(diǎn)、各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)顯示、灌溉設(shè)置及數(shù)據(jù)查詢等(圖8)服務(wù)。

在交互界面設(shè)計(jì)中，由于整個(gè)傳感控制網(wǎng)絡(luò)可能部署不同數(shù)量的終端節(jié)點(diǎn)，且不同終端節(jié)點(diǎn)上掛載數(shù)量不定的傳感器或者電磁閥，因此采用下拉方式作為人機(jī)交互；并且將各類傳感器地址進(jìn)行分段編號(hào)，目前采集器節(jié)點(diǎn)預(yù)留了9個(gè)傳感器掛載端口，所以土壤溫濕度傳感器編號(hào)設(shè)置在1～3的范圍，空氣溫濕度編號(hào)范圍4～6，光照度編號(hào)范圍7～9，如果需要掛載更多傳感器，只需要修改相應(yīng)的配置文件，增加掛載傳感器數(shù)量即可。這種方式可以較為方便地增加并顯示終端節(jié)點(diǎn)的編號(hào)及各個(gè)節(jié)點(diǎn)上各個(gè)類型傳感器編號(hào)等。

1.3.4 數(shù)據(jù)庫 整個(gè)系統(tǒng)每天會(huì)采集大量數(shù)據(jù)，因此需要部署數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)和管理。在arm機(jī)上移植Mysql數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫表中的字段囊括了需要記錄的各種參數(shù)，主要有環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)、土壤的溫濕度、光照度和數(shù)據(jù)記錄時(shí)間等。在arm系統(tǒng)下查詢主要字段(圖9a)，還需建立澆灌數(shù)據(jù)表，記錄設(shè)定澆灌水量、肥量，實(shí)際澆灌水量、肥量、澆灌時(shí)間起始時(shí)間，結(jié)束時(shí)間等(圖9b)。數(shù)據(jù)庫建立后就可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。記錄數(shù)據(jù)后可以隨時(shí)查詢歷史數(shù)據(jù)(圖10)，軟件中設(shè)定最多查詢1個(gè)月內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖10 數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)查詢

1.3.5 滴灌策略 為了盡可能節(jié)水節(jié)肥，提高水肥的效能，采用少量多次灌溉的原則，充分利用土壤、環(huán)境傳感器返回的數(shù)據(jù)作閉環(huán)反饋控制。在arm控制器中設(shè)置每天多次灌溉啟動(dòng)的時(shí)間，并增加電磁閥開啟條件，只有當(dāng)土壤含水量低于設(shè)定數(shù)值，環(huán)境濕度低于一定數(shù)值時(shí)，才會(huì)開啟電磁閥進(jìn)行水量澆灌。每次的澆灌量都控制在10 L以內(nèi)。施肥同樣采用此策略，少量多次為原則，減少肥量流失和環(huán)保壓力。

2 系統(tǒng)測(cè)試

于2016年4月在北辰雨農(nóng)合作社的試驗(yàn)大棚中進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。環(huán)境采集器節(jié)點(diǎn)放置在大棚中多個(gè)位置；水肥一體控制器布置在澆灌管道旁邊，arm控制器掛在墻上(圖11)，方便操作和觀察結(jié)果。

先給arm控制器和協(xié)調(diào)器所在的控制箱通電，然后給各個(gè)采集器終端通電，依次加入?yún)f(xié)調(diào)器構(gòu)建的傳感網(wǎng)絡(luò)，澆灌控制器加入后構(gòu)建整個(gè)測(cè)量控制網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)試驗(yàn)中傳感器上報(bào)的數(shù)據(jù)，可看出自研的環(huán)境傳感器能正常上報(bào)空氣溫濕度、土壤溫濕度的數(shù)據(jù)(圖12)。arm智能決策模塊集數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與智能灌溉集一體，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與灌溉啟動(dòng)的閾值進(jìn)行對(duì)比，精準(zhǔn)開啟灌溉，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水節(jié)肥。

圖11 溫室大棚設(shè)備裝置

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)溫室小氣候進(jìn)行監(jiān)控，通過arm智能決策控制器完成數(shù)據(jù)收集、灌溉決策控制、人機(jī)交互等功能。智能傳感器終端實(shí)時(shí)掃描傳感器的數(shù)據(jù)，提供給arm決策控制器傳感器數(shù)據(jù)服務(wù)；智能控制終端接收arm決策控制器水肥澆灌指令，精準(zhǔn)執(zhí)行水肥澆灌量。經(jīng)棚內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)可以定時(shí)定量及根據(jù)土壤濕度智能進(jìn)行水肥滴灌。后續(xù)將進(jìn)一步研究滴灌量與作物生長(zhǎng)期之間的匹配關(guān)系，進(jìn)一步提高水肥的效能。