基于Zigbee 的農(nóng)業(yè)水肥一體化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)建研究

曾明海

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000）

隨著城市化的擴(kuò)張，耕地面積與農(nóng)耕勞動力在日益縮減，而對農(nóng)副產(chǎn)品的需求卻在逐年增加，供需矛盾日益凸顯。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)多采用大水漫灌、人工施肥的方法進(jìn)行種植，既難以保證作物的水含量穩(wěn)定、肥料施布均勻，也存在著燒根和污染水源的隱患。因此，大力推廣水肥一體化技術(shù)，節(jié)約水肥與人力資源，對促進(jìn)作物增產(chǎn)意義重大。

目前，國外部分地區(qū)的水肥一體化技術(shù)已趨近成熟，在以色列等干燥少雨的內(nèi)陸國家，通過構(gòu)建完整的水肥控制系統(tǒng)改善了種植條件，果蔬產(chǎn)量逐年攀升。而國內(nèi)的水肥一體化技術(shù)還在發(fā)展階段，主要的不足體現(xiàn)在水肥耦合時(shí)，對水肥比例的把控仍是以經(jīng)驗(yàn)為主，灌溉過程人為干預(yù)度高，無法因時(shí)、因地調(diào)整水肥灌溉策略，獲得最優(yōu)產(chǎn)值回報(bào)?；诖?，本研究構(gòu)建了一套基于Zigbee 無線通訊技術(shù)的智能水肥一體化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過EC 傳感器、氣象站等設(shè)備自動收集田間或果園的有效信息，并將信號接入無線傳感網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過控制器運(yùn)算后自動調(diào)節(jié)施肥比例與水肥供給量，操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定。

1 水肥一體系統(tǒng)的構(gòu)建

農(nóng)業(yè)水肥一體化調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水源組件（水泵、過濾器）、混肥裝置（三組肥料調(diào)制儲存罐、文丘里吸肥器、相關(guān)電磁閥）、施肥裝置（壓力補(bǔ)償泵、多分支管道、控制閥）、Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)及控制單元5 個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

水源組件為系統(tǒng)提供壓力穩(wěn)定、無雜質(zhì)的純凈清水，保證田間滴灌系統(tǒng)不被堵塞；混肥裝置依據(jù)作物生長需求自動調(diào)制水肥溶液：三組存儲罐分別存儲不同類別的肥料溶液，系統(tǒng)能夠依據(jù)傳感檢測結(jié)果添加清水稀釋并攪拌液罐內(nèi)的液體，保證液肥濃度穩(wěn)定，之后依據(jù)作物需求自動混合配比溶液，使配肥比例得到有效控制；施肥裝置設(shè)置了壓力泵，以彌補(bǔ)液體經(jīng)過文丘里施肥器所產(chǎn)生的壓力損失，使液肥能夠均勻地輸送到各滴灌管道的終端；Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)動態(tài)觀測液肥pH、EC 參數(shù)值、土壤溫濕度、CO2含量、當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境等數(shù)據(jù)信息，并對電磁閥、水泵等設(shè)備具有遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)從傳感到控制再到執(zhí)行的無線連接；控制器采用模糊控制的控制策略，選取EC 值與EC 誤差值為輸入變量，進(jìn)行二維模糊控制，使系統(tǒng)具有更快的相應(yīng)速度和更強(qiáng)的魯棒性。

該水肥一體化調(diào)節(jié)系統(tǒng)相較傳統(tǒng)的施肥裝置, 除去了復(fù)雜的肥水配比人工環(huán)節(jié),可由移動終端監(jiān)控工作狀態(tài)，并通過傳感器和信息網(wǎng)絡(luò)自動獲取環(huán)境狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整施肥方案，提高肥水利用率，在增產(chǎn)節(jié)能的同時(shí)降低了人工成本。

2 控制過程設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本設(shè)計(jì)采用三菱FX3U- 48MT型PLC 作為主控制器，并通過GPRS 解調(diào)器擴(kuò)展無線通訊模塊連接入網(wǎng)，水源組件、混肥裝置設(shè)備與PLC 直接相連，田壟間的各類傳感器則通過ZigBee 網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)建立聯(lián)系，采用MCGS 觸摸屏實(shí)現(xiàn)設(shè)置與監(jiān)控。電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

通電后閉合總開關(guān)，此時(shí)水肥系統(tǒng)所有閘門均關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

自動模式下，傳感器主動獲取土壤溫濕度、CO2濃度等信息，并結(jié)合當(dāng)天氣候情況查表獲取所需液肥EC、PH 經(jīng)驗(yàn)值，以及灌溉水量。之后將EC 經(jīng)驗(yàn)值作為控制模型輸入信號，通過模糊控制器進(jìn)行調(diào)控，調(diào)控結(jié)果EC0 同pH 目標(biāo)值與灌溉水需求量一并發(fā)送回PLC，并在組態(tài)界面進(jìn)行顯示和記錄。若田間各參數(shù)目標(biāo)值pH0、RH0 與當(dāng)前時(shí)值偏差大于閾值，灌溉系統(tǒng)啟動。

灌溉時(shí)先打開總閥，后啟動水泵。經(jīng)過濾器過濾后的清水潤濕土地，管路實(shí)時(shí)參數(shù)EC（t）、pH（t）數(shù)值更新，電導(dǎo)率瞬時(shí)值大于EC0，吸肥閥門保持關(guān)閉，反之則供肥系統(tǒng)開始運(yùn)作。通過觸摸屏設(shè)定作物的生長環(huán)節(jié)（發(fā)芽期、幼苗期、開花坐果期、結(jié)果期、綠熟期、轉(zhuǎn)色期、成熟期），PLC 可對1～3 種不同肥料存儲罐的供肥電磁閥進(jìn)行脈沖控制，改變周期閥芯通斷的時(shí)間占比即可配制出不同養(yǎng)分結(jié)構(gòu)的液肥，之后通過文丘里吸肥器將液肥與清水混合稀釋（吸肥流量經(jīng)由比例電磁閥控制），經(jīng)升壓泵補(bǔ)壓后輸送到各滴管管道，直至各檢測參數(shù)達(dá)到目標(biāo)值，水肥灌溉過程結(jié)束。組態(tài)畫面如圖3（a）所示。

手動模式下，各傳感器參數(shù)值可見，熟練的操作人員可以通過觸摸屏控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的執(zhí)行元件，進(jìn)行水肥灌溉，控制界面設(shè)置加密保護(hù)。組態(tài)畫面如圖3（b）所示。

另外，由于儲液罐內(nèi)的液肥隨著時(shí)間的推移會存在水分蒸發(fā)、濃度上升的問題，影響水肥質(zhì)量，本設(shè)計(jì)在液罐上添加清水補(bǔ)償裝置，保證液肥濃度穩(wěn)定，排除系統(tǒng)干擾。

3 控制技術(shù)

3.1 ZigBee 通訊

組網(wǎng)通訊方式可以分為有線通信和無線通訊2 種，基于水肥系統(tǒng)的應(yīng)用場所多為露天田壟或室內(nèi)大棚，不穩(wěn)定的溫濕度狀態(tài)和揚(yáng)塵不利于電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，且大面積鋪設(shè)電纜會提高成本、增大損耗等因素的考慮，本設(shè)計(jì)選用ZigBee通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)傳感器同控制器間的數(shù)據(jù)傳送。

此種通訊方式工作頻段為2.4 GHz 和868/928 MHz，采用IEEE802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),以無線電波為載體通過點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸方式將信息從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn),在短距離范圍內(nèi)通信效率非常高。一個(gè)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)從理論上可以拓展出65 000 個(gè)節(jié)點(diǎn)，考慮到傳輸速度等因素的限制，實(shí)際工作環(huán)境下大致可以對接1 000 個(gè)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過外接放大器放大發(fā)射功率后,通訊距離遠(yuǎn)達(dá)10 km，完全符合一個(gè)種植園區(qū)的通訊要求。系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí)要先對作業(yè)范圍進(jìn)行區(qū)域劃分，每0.067 hm2田地設(shè)置一組傳感器（檢測土壤信息：pH、RH、EC），每兩畝地立一個(gè)氣象站（檢測大氣信息：T、RH、P、風(fēng)速、雨量），各自為一個(gè)獨(dú)立的Zigbee 節(jié)點(diǎn)，設(shè)置節(jié)點(diǎn)控制器,分布于各個(gè)區(qū)域中。

Zigbee 節(jié)點(diǎn)控制器采用AT89C51 型單片機(jī)做微處理器，PTR2000 型無線收發(fā)芯片做數(shù)傳芯片，通信速度最高可達(dá)20 kbit/s。PTR2000 的1 號和5 號管腳為電源腳，2 號管腳CS接低電平選擇工作頻道1（433.92 MHz），3 號為數(shù)據(jù)輸出功能腳，4 號為數(shù)據(jù)輸入功能腳，6 號腳為節(jié)能控制端，7 號腳引腳為收發(fā)控制端。若6 號管腳置1，芯片處于正常工作狀態(tài)；置0，則芯片處于待機(jī)微功耗狀態(tài)。7 號腳接高電平芯片對外發(fā)射數(shù)據(jù)；接低電平，則向內(nèi)接收數(shù)據(jù)。PIR2000 與51 單片機(jī)接線如圖4 所示，通過單片機(jī)編程設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對無線收發(fā)芯片PTR2000 的控制。

3.2 模糊控制器

PID 控制是近年來較為常用的閉環(huán)控制方案，可消除穩(wěn)態(tài)誤差，響應(yīng)速度快。但農(nóng)業(yè)水肥一體系統(tǒng)的配肥過程具有大滯后、大慣性、數(shù)學(xué)模型不確定的特點(diǎn)，相較之下采用基于操作經(jīng)驗(yàn)、控制策略使用自然語言表述的模糊控制器，性能要好得多。它不需要精確的數(shù)學(xué)模型，而是總結(jié)人為的控制經(jīng)驗(yàn)，能夠仿照人工控制的行為方式，魯棒性強(qiáng)。因此本設(shè)計(jì)選取水肥電導(dǎo)率（EC（t）值）的誤差E（t）和電導(dǎo)率變化率C（t）（C（t）=[E（t）－Ek-1（t）］/t）作輸入變量，吸肥閥的開口度K（t）作輸出變量構(gòu)建模糊控制器，實(shí)現(xiàn)混肥環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)控制。

控制器定義EC/C 的論域和語言值如下：

EC/C= {- 6,- 5,- 4,- 3,- 2,- 1,0,1,2,3,4,5,6}；EC/C= {NH,NM,NL,O,PL,PM,PH }.

其中NH 為負(fù)高，NM 為負(fù)中，NL 為負(fù)低，O 為零，PL 為正低，PM為正中，PH 為正高。

K 的論域和語言值如下：

K={- 8,- 7,- 6,- 5,- 4,- 3,- 2,- 1,0,1,2,3,4,5,6,7,8}；K={NH,NM,NL,NO,O,PO,PL,PM,PH }.

其中：NH 為關(guān)閉吸肥閥，NM 為吸肥閥開度12.5%，NL為吸肥閥開度25%，NO 為吸肥閥開度37.5%，O 為吸肥閥開度50%，PO 為吸肥閥開度62.5%，PL 為吸肥閥開度75%，PM為吸肥閥開度87.5%，PH 為吸肥閥開度100%。

由二維輸入（EC 取7 個(gè)值，E 取7 個(gè)值）得到49 條模糊控制規(guī)則：

if(EC is NH) and(C is NH) then(K is PH);

if(EC is NM) and(C is NM) then(K is PM);…

if(EC is PH) and(C is PH) then(K is NH)。

依據(jù)系統(tǒng)環(huán)節(jié)特點(diǎn)，確定使用傳遞函數(shù)為帶延遲一階慣性環(huán)節(jié)的動態(tài)模型對進(jìn)行混肥控制，調(diào)節(jié)過程數(shù)學(xué)模型如下：

式中：VH（t）為水肥流速；t 為混肥時(shí)間；t0為時(shí)滯時(shí)間；BH為流入液肥原液的質(zhì)量濃度；B（t + t0）為流出水肥的質(zhì)量濃度；Qs（t）為流入清水流量；Q（t）為流入為流出水肥的流量。通過實(shí)驗(yàn)仿真，將采用此模糊控制器的控制系統(tǒng)與采用普通PID 控制器進(jìn)行控制的系統(tǒng)相較，模糊控制下EC 值的超調(diào)量小，控制過程更為穩(wěn)定，響應(yīng)速度快。

4 試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)在番茄種植基地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與常規(guī)大水漫灌的施肥方式相較，采用水肥一體化技術(shù)進(jìn)行栽培的田地，用肥量少，且對番茄株高、莖粗、葉長、葉寬、葉綠素相對含量等生長發(fā)育指標(biāo)產(chǎn)生了不同程度的積極影響。例如在結(jié)果期，僅有株高一項(xiàng)指標(biāo)低于采用傳統(tǒng)農(nóng)作方式的同期植株，而葉長、葉寬、莖粗、葉綠素SPAD 值等4 項(xiàng)生長指標(biāo)均表現(xiàn)高于普通田地，其中莖粗和葉綠素SPAD 值2 項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)化最為明顯。另外，統(tǒng)計(jì)氮、磷、鉀等農(nóng)肥的使用劑量與灌溉用水量，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)的用肥量只有普通田區(qū)的68%，用水量也減少了21.7%。以上2 點(diǎn)說明和平均人工作業(yè)水平相較，通過水肥一體技術(shù)來控水控肥，作業(yè)及時(shí)、控量準(zhǔn)確，能夠在一定程度上促進(jìn)番茄植株的生長發(fā)育，達(dá)到省水節(jié)肥、解放勞動力的目標(biāo)。

5 結(jié)束語

為適應(yīng)全球復(fù)雜的氣候變化，解決生產(chǎn)效率低下和高素質(zhì)勞動力嚴(yán)重缺乏等問題，本項(xiàng)目研發(fā)了一種基于Zigbee 無線通訊技術(shù)的水肥一體化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，配備了三組供肥裝置，既可施單一品種肥料，也可將植物生長所需的鉀、氮、磷等養(yǎng)料分通道存放，自動配比成復(fù)合型養(yǎng)料后，再以水肥形式進(jìn)行澆灌。系統(tǒng)內(nèi)置智能調(diào)節(jié)器，通過傳感器監(jiān)測土壤與大氣信息，結(jié)合數(shù)據(jù)庫查表與模糊控制技術(shù)，只需簡單的面板交互，就可實(shí)現(xiàn)分氣候、分植物生長階段的多層次水肥供給。同時(shí)，無線通訊技術(shù)的應(yīng)用降低了電氣設(shè)備在高溫高濕度環(huán)境下的故障概率，降低了維護(hù)成本，提高了系統(tǒng)魯棒性，能夠適應(yīng)大多數(shù)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)的農(nóng)作需求。