基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

張寶峰，陳梟，朱均超，康軍，潘威，趙巖

(1.天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院，天津市，300384; 2.天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市，300384；3.天津一米田地科技有限公司，天津市，371200)

0 引言

水肥一體化是指液體肥料通過(guò)壓力管道注入到相應(yīng)的灌溉水管中，噴灑至農(nóng)作物或滴入農(nóng)作物根部區(qū)域。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，具有智能化灌溉施肥的現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中，肥液的濃度以及酸堿度起到關(guān)鍵作用，同時(shí)，農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境因素對(duì)灌溉施肥有一定的指導(dǎo)作用?？焖佟?zhǔn)確、方便地獲取到農(nóng)作物環(huán)境及肥液參數(shù)，并且精準(zhǔn)控制施肥灌溉量，對(duì)生產(chǎn)力的提高有著重要的意義[1-4]。

國(guó)外研究水肥一體化技術(shù)起步較早，現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化水平較高，比如以色列Netafim灌溉施肥系列產(chǎn)品，可以實(shí)時(shí)采集土壤和配肥過(guò)程中的EC和pH值，并且將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至服務(wù)器，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息。Goap等提出了智能算法，根據(jù)檢測(cè)的土壤和環(huán)境溫濕度、紫外線輻射值以及天氣預(yù)報(bào)參數(shù)使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉作業(yè)[3]。而國(guó)內(nèi)研究起步較晚，石建飛等設(shè)計(jì)以PLC為控制器，采集水稻生長(zhǎng)環(huán)境信息，通過(guò)觸摸屏或上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置手動(dòng)或自動(dòng)完成灌溉施肥。趙進(jìn)等[4]設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)采集環(huán)境及土壤墑情信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制終端和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，經(jīng)過(guò)分析決策控制精準(zhǔn)施肥。

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)，它不僅具有環(huán)境和施肥灌溉參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，顯示和報(bào)警的功能，而且通過(guò)水肥一體化執(zhí)行模塊閉環(huán)反饋控制水泵和閥門(mén)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉施肥，此外，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸單元將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，便于工作人員查看歷史數(shù)據(jù)并且分析，從而遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工作[5]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，包括三個(gè)部分：采集控制層，負(fù)責(zé)各個(gè)參數(shù)的采集以及執(zhí)行模塊的控制；網(wǎng)絡(luò)傳輸層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)上傳；終端應(yīng)用層，負(fù)責(zé)為用戶提供監(jiān)控平臺(tái)[6]。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

采集控制層包括兩部分，一是以STM32單片機(jī)為核心的嵌入式處理器和采集空氣溫濕度、土壤溫度水分、CO2濃度和光照強(qiáng)度的傳感器構(gòu)成的環(huán)境信息采集模塊；二是以西門(mén)子S7-200 SMART PLC為核心控制器和采集肥液EC、pH傳感器，管道壓力和流量的傳感器以及控制施肥灌溉量的水泵、電動(dòng)球閥等執(zhí)行器構(gòu)成的水肥一體化執(zhí)行模塊[7]。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層核心是采用GPRS方式通信的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊DTU(Data Transfer Unit)，通過(guò)串口接收采集控制層的數(shù)據(jù)，并按照確定的通信協(xié)議傳輸?shù)綉?yīng)用層。

終端應(yīng)用層采用Java EE平臺(tái)開(kāi)發(fā)服務(wù)器程序，以My SQL為數(shù)據(jù)中心，將接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)持久化到數(shù)據(jù)中心，基于Bootstrap框架開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)界面，以Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的功能模塊，支持授權(quán)用戶通過(guò)電腦瀏覽器登陸系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)操作。該層提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)查看、傳感器信息管理、用戶賬號(hào)信息管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等服務(wù)[8]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境信息采集模塊設(shè)計(jì)

環(huán)境信息采集模塊主要由STM32主控芯片、傳感器、電源電路、485電路組成。根據(jù)溫室內(nèi)對(duì)植物生長(zhǎng)影響顯著的因子分析，采集主要的環(huán)境因子有6個(gè)參數(shù)，分別是空氣溫濕度、土壤溫度水分、二氧化碳濃度和光照度；單片機(jī)通過(guò)485接口和串行接口，采集傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析處理后，通過(guò)RS-485總線傳輸至西門(mén)子PLC中。

考慮到性價(jià)比，模塊中使用的傳感器為國(guó)產(chǎn)傳感器，其中空氣溫濕度傳感器輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，土壤溫度水分、二氧化碳濃度、光照度傳感器的輸出信號(hào)為485信號(hào)，采用標(biāo)準(zhǔn)ModBus-RTU通信協(xié)議[9]。傳感器的參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)境信息采集模塊傳感器參數(shù)

485通信電路的芯片是ADM2483，用于傳感器與STM32單片機(jī)通信，以及單片機(jī)與PLC數(shù)據(jù)通信。485通信電路采用由于傳感器的輸出信號(hào)為485信號(hào)，電路原理圖如圖2所示，模塊共設(shè)置了4組485電路，其中3路用于采集傳感器數(shù)據(jù)，1路用于單片機(jī)和PLC通信。按照功能需求繪制并加工印制電路板如圖3所示。

圖2 RS-485通信電路圖

圖3 環(huán)境信息采集模塊電路板圖和實(shí)物連接圖

2.2 水肥一體化執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

水肥一體化執(zhí)行模塊由西門(mén)子S7-200SMART、傳感器、執(zhí)行器、HMI觸摸屏組成。模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該模塊采用壓力傳感器和流量計(jì)檢測(cè)模塊管路中實(shí)時(shí)壓力和流量，采用EC傳感器和pH傳感器檢測(cè)模塊工作時(shí)水肥混合液的電導(dǎo)率和酸堿度；采用西門(mén)子S7-200SMART采集傳感器數(shù)據(jù)、接收環(huán)境信息采集模塊數(shù)據(jù)，控制執(zhí)行器工作狀態(tài)，以及與HMI觸摸屏通信；執(zhí)行器包括水泵、變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥；HMI觸摸屏可以查看模塊的工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及可以手動(dòng)操作模塊，改變執(zhí)行器工作狀態(tài)，最后，執(zhí)行模塊將數(shù)據(jù)打包后通過(guò)RS-485總線發(fā)送給DTU模塊，DTU模塊通過(guò)GPRS通信方式將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，并且在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)[10]。

圖4 水肥一體化執(zhí)行模塊結(jié)構(gòu)圖

該模塊利用文丘里管的特性設(shè)計(jì)了3通道吸肥的水肥一體機(jī)如圖5所示，它主要由混肥管路與施肥管路2部分組成：混肥管路中，2路是吸肥通道，母液分為A、B兩種；1路為酸液通道。文丘里管的吸肥量隨著進(jìn)出口壓力差的增大而增大，通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)壓力，通過(guò)流量計(jì)檢測(cè)進(jìn)口和吸肥口流量，PLC通過(guò)控制變頻器改變水泵轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖冞M(jìn)口壓力，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)球閥的開(kāi)度改變進(jìn)口和吸肥口流量[11]。

圖5 水肥一體化執(zhí)行模塊簡(jiǎn)圖

根據(jù)灌溉施肥的需求，傳感器檢測(cè)水肥混合液的EC值和pH值，EC值的正常范圍在0.4～4 mS/cm之間。pH正常范圍為5.4～7之間。本模塊選用DDM-202在線電導(dǎo)率傳感器和PHG-206在線pH傳感器。傳感器選型參數(shù)如表2所示。

表2 水肥一體化執(zhí)行模塊傳感器參數(shù)

執(zhí)行器包括電動(dòng)球閥、水泵以及文丘里吸肥器。水泵采用管道泵，額定揚(yáng)程45 m，額定流量4 m3/h，額定功率1.5 kW。吸肥器采用市面上的進(jìn)出口外徑為32 mm，吸肥量在230～530 L/h的文丘里吸肥器。電動(dòng)球閥采用UPVC材質(zhì)，額定電壓為直流24 V，輸入信號(hào)為4～20 mA，工作壓力在0.01～0.6 MPa，進(jìn)出口直徑為32 mm[12]。

HMI觸摸屏通過(guò)以太網(wǎng)與PLC通信，為用戶提供水肥一體化參數(shù)設(shè)置界面和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控界面，用戶能夠通過(guò)觸摸屏設(shè)定工作參數(shù)，監(jiān)控執(zhí)行器的工作狀態(tài)以及傳感器的數(shù)據(jù)信息[13]。人機(jī)交互界面如圖6所示。

圖6 人機(jī)交互界面

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 環(huán)境信息采集模塊軟件設(shè)計(jì)

該程序包括模塊初始化，環(huán)境數(shù)據(jù)采集，串口通信、中斷等子程序。模塊初始化之后，單片機(jī)通過(guò)RS-485端口依次采集環(huán)境溫濕度、土壤溫度水分、CO2濃度和光照度，數(shù)據(jù)通過(guò)ModBus協(xié)議與PLC通信，按照10 s的上傳間隔傳輸。程序流程圖如圖7所示。

圖7 環(huán)境信息采集模塊流程圖

3.2 水肥一體化執(zhí)行模塊軟件設(shè)計(jì)

該程序包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、DTU通信、中斷等子程序。當(dāng)模塊上電后，通過(guò)觸摸屏設(shè)定好灌溉施肥的時(shí)間和流量，到達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)，模塊開(kāi)始工作，啟動(dòng)水泵和打開(kāi)電動(dòng)球閥，傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)管道中的EC值和pH值，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)濃度時(shí)，執(zhí)行器通過(guò)傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)電動(dòng)球閥的開(kāi)度，直到工作時(shí)間或者流量到達(dá)預(yù)設(shè)值為止。模塊工作時(shí)，按照20 s的時(shí)間間隔將工作數(shù)據(jù)以及單片機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)DTU傳輸至監(jiān)控平臺(tái)。程序流程圖如圖8所示。

圖8 水肥一體化執(zhí)行模塊流程圖

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)庫(kù)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分，概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確定系統(tǒng)的實(shí)體，包含的屬性以及實(shí)體之間的聯(lián)系，采用E-R實(shí)體-聯(lián)系模型表示；邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是將概念模型映射到具體的數(shù)據(jù)庫(kù)中[14]。比如環(huán)境數(shù)據(jù)表如表3所示。

表3 環(huán)境數(shù)據(jù)表

3.4 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

監(jiān)控平臺(tái)采用B/S即瀏覽器/服務(wù)器模式設(shè)計(jì)，該模式分為三層結(jié)構(gòu)，分別是表示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層[15]。表示層是通過(guò)瀏覽器展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)和傳感器信息等，應(yīng)用層是用戶通過(guò)表示層發(fā)送的HTTP請(qǐng)求類型執(zhí)行相應(yīng)的邏輯操作；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是將數(shù)據(jù)持久化存儲(chǔ)，并且將數(shù)據(jù)處理結(jié)果返回到應(yīng)用層。監(jiān)控平臺(tái)界面如圖9所示。

圖9 監(jiān)控平臺(tái)界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

該系統(tǒng)在壽光市節(jié)能型日光溫室中實(shí)施運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行如圖10所示，系統(tǒng)根據(jù)用戶的需求，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制，現(xiàn)場(chǎng)控制用戶可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)定施肥濃度和酸堿度，遠(yuǎn)程控制是用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或者手機(jī)端平臺(tái)界面完成，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，歷史數(shù)據(jù)查詢，遠(yuǎn)程設(shè)備控制等如圖11所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)物圖

圖11 遠(yuǎn)程控制端界面

系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，用戶現(xiàn)場(chǎng)使用觸摸屏完成參數(shù)預(yù)設(shè)工作，操作靈活方便，系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)據(jù)采集快速且準(zhǔn)確，DTU通信正常，數(shù)據(jù)按照指定周期20 s上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)正常，數(shù)據(jù)庫(kù)保存完整數(shù)據(jù)，并且監(jiān)控平臺(tái)界面簡(jiǎn)潔易看，提供多種形式的數(shù)據(jù)顯示和查詢，操作簡(jiǎn)單[16]。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，準(zhǔn)確發(fā)送控制指令，執(zhí)行器快速響應(yīng)，完成用戶所設(shè)定的施肥灌溉需求。表4選自監(jiān)控平臺(tái)的歷史數(shù)據(jù)，選取8點(diǎn)至17點(diǎn)每隔1 h的連續(xù)9 h的環(huán)境的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，傳感器工作穩(wěn)定，符合環(huán)境變化規(guī)律，并且采用手持式數(shù)字環(huán)境溫濕度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)溫濕度計(jì)采集同一時(shí)間數(shù)據(jù)，采集的值作為標(biāo)準(zhǔn)值與系統(tǒng)測(cè)試值對(duì)比，傳感器采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在允許的誤差范圍內(nèi)。以空氣溫濕度為例如表5所示。

表4 環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)

表5 傳感器值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，將混合液的EC值數(shù)據(jù)做成趨勢(shì)曲線，如圖12所示，通過(guò)曲線看出，在140 s左右，施肥濃度達(dá)到設(shè)定濃度，在100 s附近出現(xiàn)最大值，最大超調(diào)量約為6.8%；進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，水肥溶液濃度EC值出現(xiàn)一定的波動(dòng)，這是因?yàn)殡妱?dòng)球閥在調(diào)節(jié)過(guò)程中存在慣性導(dǎo)致的[17]，在波動(dòng)允許范圍內(nèi)，最大絕對(duì)誤差為0.5 mS/cm。

圖12 施肥過(guò)程EC值變化曲線

系統(tǒng)于壽光日光溫室實(shí)地測(cè)試至今未發(fā)生異常，工作狀態(tài)良好，觸摸屏界面和遠(yuǎn)程操作界面操作簡(jiǎn)單，傳感器能夠按照周期準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)控制器分析處理后，自動(dòng)快速準(zhǔn)確地控制執(zhí)行器完成灌溉施肥工作，DTU與云服務(wù)器通信正常，數(shù)據(jù)庫(kù)完整保存數(shù)據(jù)，方便用戶查詢歷史數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

1)基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)，采用以數(shù)據(jù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，通過(guò)多種傳感器采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了傳感器、通信和計(jì)算機(jī)、智能控制等多技術(shù)融合，提高了系統(tǒng)的集成度。

2)系統(tǒng)以傳感器采集的空氣溫濕度、土壤溫度水分、混合液EC值和pH值作為反饋量輸入，以水肥一體化執(zhí)行模塊的水泵和電動(dòng)球閥作為執(zhí)行元件，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)配肥電導(dǎo)率和酸堿度，提高配比精度，水肥配比濃度最大絕對(duì)誤差為0.5 mS/cm，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3)系統(tǒng)具有人機(jī)觸摸屏控制顯示以及監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，通過(guò)觸摸屏預(yù)設(shè)灌溉施肥方案決策或者監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程操作，方便用戶控制管理，減少作物種植的人力投入和成本，在現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)中具有一定的實(shí)用性。