基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為實現(xiàn)實時精準(zhǔn)調(diào)節(jié)配肥電導(dǎo)率和酸堿度，提高配比精確度和水肥一體化的遠(yuǎn)程智能化，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)模塊思想，針對土壤溫濕度、空氣溫濕度、EC值和pH值進(jìn)行環(huán)境信息采集；通過Zigbee技術(shù)和NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸至云端；采用遠(yuǎn)程控制繼電器控制施肥灌溉區(qū)域；利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和人機(jī)交互界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和監(jiān)控。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，能實時異常報警，可在灌溉過程中對水肥溶液實現(xiàn)精確配比。該系統(tǒng)在提高產(chǎn)量、節(jié)約資源和提升效率等方面具有重要意義。

關(guān)鍵詞：水肥—琳化；物聯(lián)網(wǎng)；Zigbee技術(shù)；NB-IoT技術(shù)

中國分類號：S224.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1795（2023）03-0043-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.03.008

0引言

水肥一體化技術(shù)通過計算機(jī)控制，將傳統(tǒng)的人工施肥和灌溉的培育模式轉(zhuǎn)變成使用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行自動施肥和灌溉。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動施肥和灌溉已經(jīng)成為必然趨勢。國外的專家學(xué)者較早地研究了水肥一體化技術(shù)，國外現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施的智能水平較高，如以色列、西班牙和荷蘭等較為發(fā)達(dá)的國家在較早以前就應(yīng)用了農(nóng)田的智能節(jié)水灌溉，同時還制定了農(nóng)田灌溉管理標(biāo)準(zhǔn)。其中最具有代表性的國家是以色列，在這個極度缺水的國家建立了一套全球較為完善的水肥一體化智能滴灌系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)能夠使水資源得到最大的利用，避免了浪費。

相比于國外，國內(nèi)的專家學(xué)者研究水肥一體化技術(shù)起步較晚。我國對于水肥一體化的研究起源于20世紀(jì)70年代，目前灌溉技術(shù)得到了極大地發(fā)展，但相對于國外而言還有一定的距離。張文霞等通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和Zigbee技術(shù)相結(jié)合設(shè)計研究了智能農(nóng)業(yè)溫室大棚管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r地監(jiān)測大棚內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度，并且能對異常情況進(jìn)行報警，但其數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。賀芳采用Zigbee和GPRS技術(shù)構(gòu)建了一套遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)，并采用模糊控制方法設(shè)計灌溉控制策略，提高了灌溉的精確度，但其對于水肥電導(dǎo)率和酸堿度的控制策略研究還不夠深。

目前國內(nèi)許多學(xué)者對于水肥一體化有著一定研究，但智能化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。對于肥液的電導(dǎo)率和酸堿度的控制研究較少且不成熟。設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化管控系統(tǒng)，在施肥過程中，深入研究控制肥液的電導(dǎo)率和酸堿度，使肥液的電導(dǎo)率和酸堿度始終保持在正常的范圍內(nèi)；系統(tǒng)不僅可以顯示土壤墑情、EC值和pH值，還可以通過人機(jī)交互界面查看歷史數(shù)據(jù)、設(shè)置工作模式及查看故障等。系統(tǒng)采用Zigbee技術(shù)和窄帶寬物聯(lián)網(wǎng)（Narrow BandlnternetofThings，NB-loT）技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，使數(shù)據(jù)在傳輸過程中的穩(wěn)定性得到了一定的保證；系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至人機(jī)交互界面和服務(wù)器進(jìn)行顯示和存儲，便于用戶實時查看，從而遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工作。

1總體設(shè)計方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化管控系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)模塊思想進(jìn)行設(shè)計與研究，包括3個部分。①終端層，負(fù)責(zé)采集土壤溫濕度、空氣溫濕度、EC值和pH值等參數(shù)并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。②網(wǎng)絡(luò)傳輸層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，該層可將終端層采集到的數(shù)據(jù)上傳至應(yīng)用層，也可將應(yīng)用層的命令下發(fā)至終端層。③應(yīng)用層，負(fù)責(zé)處理終端層的數(shù)據(jù)，將其發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過人機(jī)交互界面將其顯示出來，同時將依據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，下達(dá)相應(yīng)的控制命令給終端層。該系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1.1終端層

終端層作為整個系統(tǒng)參數(shù)的輸入部分，能夠采集土壤溫濕度、空氣溫濕度、EC值和pH值。采用Zigbee技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)，每個終端節(jié)點都會采集土壤溫濕度和空氣溫濕度等參數(shù)，通過CC2530芯片的I/O口控制繼電器從而控制水肥一體化的開關(guān)。

終端層采集到的數(shù)據(jù)非常龐大，但是對于大多數(shù)節(jié)點來說，其處理數(shù)據(jù)的能力非常有限，因此在數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)之前必須使用算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。數(shù)據(jù)融合算法的種類較多，常見的有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、多貝葉斯估計法和D-S證據(jù)推理法。經(jīng)過對比分析，系統(tǒng)最終選定了加權(quán)平均算法作為數(shù)據(jù)融合方法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

1.2網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用Zigbee技術(shù)和NB-IoT技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至云端。從終端層到網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用Zigbee技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，各Zigbee之間采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方式。從網(wǎng)絡(luò)傳輸層到應(yīng)用層采用NB-IoT技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，其協(xié)議采用消息隊列遙測傳輸通訊協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）。NB-IoT技術(shù)是新型的物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，具備了范圍寬、連接多和功耗少的優(yōu)勢，該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景，尤其適用于灌溉系統(tǒng)中的土壤監(jiān)測。MQTT是以TCP/IP為基礎(chǔ)，以發(fā)行和訂購為基礎(chǔ)的“輕量級”通信協(xié)議。MQTT通信協(xié)議使用發(fā)布/訂閱的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。客戶端既可以是發(fā)布者也可以是訂閱者，服務(wù)器作為發(fā)布者和訂閱者之間的橋梁，負(fù)責(zé)消息的轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)布者也可以充當(dāng)訂閱者，發(fā)布訂閱消息，這樣便實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的生產(chǎn)和消費的脫耦。

1.3應(yīng)用層

應(yīng)用層采用PHP語言進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，通過獲取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)連接發(fā)送至MySQL本地服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、分析并處理，最后通過B/S架構(gòu)來對接Web端和服務(wù)器端，以便用戶對于農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)進(jìn)行直觀的感受和準(zhǔn)確的認(rèn)知，從而使用戶更容易進(jìn)行相應(yīng)的施肥和灌溉，實現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥的效果。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1土壤環(huán)境信息采集模塊

土壤環(huán)境信息采集模塊主要由CC2530芯片、傳感器、電源電路、時鐘復(fù)位電路和驅(qū)動電路構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該模塊主要對土壤溫濕度、空氣溫濕度進(jìn)行環(huán)境信息采集。CC2530單片機(jī)通過與BC26的串口相連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹C26上，最后通過串口發(fā)送的指令驅(qū)動BC26與物聯(lián)網(wǎng)平臺成功聯(lián)網(wǎng)。其傳感器參數(shù)如表1所示。

硬件系統(tǒng)中使用的芯片是由TI特別為ZigBee協(xié)議研發(fā)的CC2530芯片，其CPU使用的是增強(qiáng)型的8051CPU，CC2530內(nèi)的協(xié)議棧由TI提供。本系統(tǒng)中的嵌入式程序開發(fā)主要是對Z-Stack協(xié)議棧的二次開發(fā)。CC2530芯片具有功耗低、傳輸距離適中等優(yōu)點，適用于田間環(huán)境信息的監(jiān)測。環(huán)境采集模塊原理如圖3所示。

2.2水肥一體化模塊

水肥一體化模塊是通過CC2530單片機(jī)控制繼電器從而控制水泵和水肥機(jī)的開關(guān)動作，同時通過人機(jī)交互界面能夠?qū)崟r關(guān)注田間基本信息，使用戶能夠及時了解到作物生長情況。用戶可以選擇手動或者自動改變水肥一體化模塊的工作狀態(tài)。水肥一體化模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給BC26模塊，BC26模塊通過NB-IoT的通信方式將其與互聯(lián)網(wǎng)平臺成功聯(lián)網(wǎng)，并且在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲。人機(jī)交互界面如圖4所示。

水肥一體化主要涉及作物耕種、田地灌溉等方面，其施肥裝置主要包括供水管、水泵、逆止閥、閘閥、施肥灌、壓力表、過濾器、排污管、主干管、干管、毛管、支管和沖洗閥。

施肥裝置通過控制水泵、逆止閥、閘閥、沖洗閥和施肥灌等器件對農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，壓力表可保證整個施肥裝置處于安全狀態(tài)，過濾器和排污管能過濾掉雜質(zhì)和廢料。整個施肥裝置可構(gòu)建不同作物在不同生長期下的最優(yōu)肥液電導(dǎo)率和酸堿度，使作物在不同的生長階段能夠獲取最佳的給水量和施肥量，實現(xiàn)對水液和肥液智能化控制。施肥裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

為了能夠?qū)崟r監(jiān)測肥液的EC值和pH值，選用DDM-202型在線電導(dǎo)率傳感器和PHG206型在線pH傳感器對兩者進(jìn)行實時監(jiān)測，針對普遍農(nóng)作物而言，EC值的正常范圍為1～4 mS/cm，pH值正常范圍為5.5～7.0。傳感器參數(shù)如表2所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1土壤環(huán)境信息采集橫塊

土壤環(huán)境信息采集模塊是水肥一體化研究的基本組成部分，該采集模塊中每組傳感器對土壤溫濕度及空氣溫濕度進(jìn)行采集，采集完成將數(shù)據(jù)發(fā)送至終端節(jié)點。在網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間，系統(tǒng)通過NB-IoT技術(shù)和MQTT協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，每分鐘上傳1次。該程序包括串口初始化、串口通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)茸映绦颉３绦蛄鞒倘鐖D6所示。

3.2水肥一體化模塊

水肥一體化模塊主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、中斷和BC26通信等子程序。當(dāng)模塊上電后，通過人機(jī)交互界面設(shè)置好肥液的EC值和pH值，以及灌溉施肥的時間和流量。傳感器會實時檢測管道中的EC值和pH值，并將其數(shù)據(jù)輸送到CC2530單片機(jī)上。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)濃度時，管理者可以手動或者自動打開開關(guān)閥，水肥一體化系統(tǒng)開始工作。模塊工作時，按照60 s的時間間隔將工作數(shù)據(jù)及CC2530單片機(jī)數(shù)據(jù)通過BC26模塊傳輸至物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺。程序流程如圖7所示。

3.3數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫設(shè)計采用E-R實體聯(lián)系模型來表示，邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計是為了將概念模型映射到具體的數(shù)據(jù)庫中。設(shè)備數(shù)據(jù)如表3所示。

3.4監(jiān)控平臺

監(jiān)控平臺采用B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。該模式分為3層結(jié)構(gòu)，分別是表示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)存儲層。表示層是通過Web客戶端顯示實時數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)及各類傳感器信息等；應(yīng)用層是用戶發(fā)送相應(yīng)的命令，通過表示層請求執(zhí)行相應(yīng)的操作；數(shù)據(jù)存儲層是將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并且將數(shù)據(jù)處理結(jié)果返回給應(yīng)用層。監(jiān)控平臺界面如圖8所示。

4系統(tǒng)測試

基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化管控系統(tǒng)在江西省上饒市廣豐區(qū)某生態(tài)園進(jìn)行實地測試，現(xiàn)場安裝運行如圖9所示，用戶可根據(jù)自身需求設(shè)置自動控制或手動控制，可在人機(jī)交互界面上進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，如肥液的濃度和酸堿度、灌溉施肥的時間和流量等一系列參數(shù)。同時用戶還可以在Web網(wǎng)頁端或者手機(jī)端實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢及故障查看等一系列操作。Web網(wǎng)頁端界面如圖10和圖11所示。

系統(tǒng)測試過程中，人機(jī)交互界面簡潔大方、操作簡單靈活，能提供多種形式的數(shù)據(jù)顯示，用戶能夠快速完成基本參數(shù)的設(shè)定。在工作過程中，BC26模塊與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺連接正常，終端層數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)融合處理迅速，數(shù)據(jù)能夠每分鐘上傳1次且傳輸穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接受數(shù)據(jù)正常，數(shù)據(jù)庫能夠完整保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r發(fā)送控制命令至終端層，終端層能夠準(zhǔn)確無誤地執(zhí)行用戶所發(fā)的命令以滿足用戶的需求。隨機(jī)選取某天環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，每隔1h選取1次，共選取9組數(shù)據(jù)。經(jīng)過與手持式數(shù)字傳感器現(xiàn)場測量相比，該系統(tǒng)傳感器工作穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)的偏差小。環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)如表4所示。

水溶液的EC值和pH值是影響作物生長的關(guān)鍵因素，用戶可根據(jù)人機(jī)交互界面的歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線對肥液自動配比過程中電導(dǎo)率和酸堿度的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析。隨機(jī)選取某天連續(xù)120 min的數(shù)據(jù)，每5 min選取1次，共24組數(shù)據(jù)，從上午10： 00開始選取。經(jīng)測試系統(tǒng)工作過程中EC值和pH值均在合理的范圍內(nèi)。肥液電導(dǎo)率和酸堿度的歷史數(shù)據(jù)如表5所示。

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，混合液的EC值數(shù)據(jù)如圖12所示。水肥一體化模塊開始工作時，在0～15 min過程中水肥EC值快速增加，在15 min時達(dá)到最大值，隨之開始減少，在20 min時達(dá)到預(yù)定值，隨后保持相對穩(wěn)定。穩(wěn)定值在3.42 mS/cm左右，在正常范圍內(nèi)。

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，混合液的pH值數(shù)據(jù)如圖13所示。通過pH值曲線可知，穩(wěn)定健在5.62左右，也在正常范圍內(nèi)。試驗證明，水肥一體化模塊在工作過程中能夠滿足作物對于水肥EC值和pH值的需求。

5結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化管控系統(tǒng)，采用了物聯(lián)網(wǎng)模塊化思想，針對土壤溫濕度、空氣溫濕度、EC值和pH值進(jìn)行環(huán)境信息采集；通過Zigbee技術(shù)和NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸至云端，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線遠(yuǎn)距離且穩(wěn)定；采用人機(jī)交互技術(shù)實現(xiàn)可視界面的遠(yuǎn)程監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢和故障查看等一系列功能?；谖锫?lián)網(wǎng)的水肥一體化管控系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時精準(zhǔn)調(diào)節(jié)配肥電導(dǎo)率和酸堿度，大幅度提高了配比精確度，方便了用戶管理，降低了作物種植過程中的人力和財力成本，節(jié)約了水資源。該成果在數(shù)字農(nóng)業(yè)方面具有一定的實用性和推廣性，在提高產(chǎn)量、節(jié)約資源等方面具有一定意義。