基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水肥一體化管理系統(tǒng)分析

韓昕美

(內(nèi)蒙古赤峰市阿魯科爾沁旗市場(chǎng)監(jiān)督管理局，內(nèi)蒙古 赤峰 025550)

1 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體架構(gòu)

智能一體化管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)主要包括3大部分，即無線傳感部分、水肥一體化部分、遠(yuǎn)程監(jiān)控部分。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，無線傳感器需要收集空氣溫濕度、土壤溫濕度等環(huán)境信息，然后將信息傳輸至水肥一體化部分。在水肥一體化部分中，供水、供肥、一體機(jī)等設(shè)備，會(huì)根據(jù)環(huán)境信息，并結(jié)合已經(jīng)被設(shè)置好的酸堿度、導(dǎo)電率，來配制肥料，再進(jìn)行灌溉和施肥。在此過程中，水肥一體機(jī)會(huì)將傳感器傳輸?shù)男畔?，以及水肥信息一起傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，工作者借助遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，即可全面了解農(nóng)作物的灌溉、施肥情況，并根據(jù)實(shí)際需求，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，增強(qiáng)智能水肥一體管理系統(tǒng)的運(yùn)行效果。此外，在系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)中，遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的組態(tài)軟件，還能夠?qū)⑾到y(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)以報(bào)表的形式記錄并留存下來，使工作者可以隨時(shí)對(duì)選定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，有助于其更好地分析植物種植操作，增強(qiáng)系統(tǒng)使用性能。

1.2 主體結(jié)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)整體架構(gòu)中，水肥一體系統(tǒng)作為其核心組成部分，其硬件結(jié)構(gòu)主要由過濾器、控制器、文丘里吸肥器、液位計(jì)、傳感器、水泵等裝置組成。在運(yùn)行過程中，工作者需要設(shè)置好EC和PH值，然后打開水泵，將清水抽入混肥罐中，待到水位高于液位計(jì)之后，施肥泵就會(huì)被啟動(dòng)，把水從支路抽入文丘里吸肥器中，此時(shí)，傳感器就會(huì)對(duì)當(dāng)前水肥的PH、EC值進(jìn)行檢測(cè)，若未達(dá)到設(shè)定值，控制器就會(huì)操作電磁閥、酸堿液罐，來調(diào)整水肥中的PH、EC值使其達(dá)到設(shè)定要求，完成水肥的調(diào)配。之后，再進(jìn)行作物施肥灌溉。在此過程中，工作者可以采用SITM32103ZET6型號(hào)的ARM Cortex M3核心的32位微控制器，確保其能夠同時(shí)處理數(shù)據(jù)和指令，提高系統(tǒng)工作效率，同時(shí)，在電導(dǎo)率傳感器方面，可以選用SIN-TDS210，其精度可達(dá)0.01μs/cm、量程為20μs/cm～20ms/cm，能有效滿足系統(tǒng)的運(yùn)行需求，保障系統(tǒng)的運(yùn)行效用。

2 管理系統(tǒng)中控制算法

2.1 水肥控制算法設(shè)計(jì)

2.2 灌溉制度算法設(shè)計(jì)

在灌溉制度算法設(shè)計(jì)中，工作者需要設(shè)計(jì)出最大灌水定額、灌水周期、凈灌水定額、一次灌水延續(xù)時(shí)間這幾個(gè)灌溉制度值，然后根據(jù)這些計(jì)算值，來完成灌溉制度的設(shè)計(jì)。在最大灌水定額計(jì)算中，設(shè)計(jì)者需要將土壤環(huán)境因素融入到計(jì)算中，提高灌溉制度的準(zhǔn)確性，由此可得最大凈灌水定額為0.001γzp(θmax-θmin)，其中θmax為植物適宜土壤含水率上限、θmin為植物適宜土壤含水率下限、γ為土壤容重、p土壤濕潤比設(shè)計(jì)值、z土壤濕潤層深度設(shè)計(jì)值。在灌水周期、凈灌水定額、一次灌水延續(xù)時(shí)間的算法設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)灌溉水利用率、灌水器設(shè)置數(shù)量等實(shí)際情況數(shù)據(jù)，來設(shè)計(jì)具體算法。一般來說，灌水周期T應(yīng)為Tmax=mmax/Ea，T≤Tmax，其中Tmax為最大灌水周期、Ea為耗水強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，凈灌水定額可以設(shè)為T*Ea，一次灌水延續(xù)時(shí)間可以設(shè)為M’SrSt/(nqd)，其中M’=md/η，且m’為毛灌水設(shè)計(jì)值、η為灌溉水利用系數(shù)、md為凈灌水設(shè)計(jì)值、Sr為作物種植行距、St為作物植株距離，n為單位區(qū)域內(nèi)灌水器個(gè)數(shù)、qd為灌水器流量設(shè)計(jì)值。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件

在控制軟件方面，無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件作為水肥一體化管理系統(tǒng)內(nèi)部的主要通訊平臺(tái)，工作者需要選用操作簡單、應(yīng)用成本低、性能優(yōu)質(zhì)的軟件，來構(gòu)建一體化系統(tǒng)的無線傳感機(jī)制。在開發(fā)設(shè)計(jì)中，工作者可以選用IAR EmbeddedWorkbench軟件，采用C++編程語言，開發(fā)無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件。在架構(gòu)設(shè)計(jì)上，射頻電路、節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘在初始化完畢后，會(huì)向協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送鏈接建立申請(qǐng)，待申請(qǐng)獲得批準(zhǔn)，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)都會(huì)得到一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)ID，形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。此外，協(xié)調(diào)點(diǎn)如果發(fā)出指令，節(jié)點(diǎn)就會(huì)讀取傳感器采集到的參數(shù)信息，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、打包，然后通過CC2530射頻模塊，將打包后的數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)點(diǎn)，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信，為智能水肥一體化管理系統(tǒng)的決策和控制提供有力的數(shù)據(jù)參考[1]。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件

在遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)中，通常需要經(jīng)歷數(shù)據(jù)庫與外部設(shè)備定義、界面圖畫設(shè)計(jì)、動(dòng)畫連接建立、運(yùn)行調(diào)試這4個(gè)步驟，工作者需要選取靈活性好、開發(fā)時(shí)間短的設(shè)計(jì)軟件，來構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。在此過程中，工作者可以借助組態(tài)王操作簡單、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到外部設(shè)備與數(shù)據(jù)庫定義中，并定義土壤濕度、光照強(qiáng)度、營養(yǎng)液EC值等變量，同時(shí)，還要設(shè)置數(shù)據(jù)詞典與報(bào)警組，分別用來增刪、修改變量，處理各類報(bào)警事件。此外，在界面圖畫設(shè)計(jì)、動(dòng)畫連接建立這幾個(gè)方面，工作者都可以基于組態(tài)王來編寫相應(yīng)的程序，完成整體系統(tǒng)的構(gòu)建，最后再點(diǎn)擊運(yùn)行，并觀察系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)、控制面板控制動(dòng)作狀態(tài)等方面，確認(rèn)無問題后，才能將軟件投入使用[2]。

4 結(jié)論

綜上所述，保障智能水肥一體化管理系統(tǒng)的應(yīng)用效果能夠推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，工作者采用該管理系統(tǒng)可以提高工作效率、優(yōu)化灌溉施肥操作的準(zhǔn)確性、減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度，從而增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平。