基于物聯(lián)網(wǎng)的果園藥水肥一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

熊欽 肖麗萍 蔡金平 董偉 張鴻 陶中巖

摘要：針對(duì)山地丘陵果園生產(chǎn)作業(yè)中，病蟲害防治和灌溉工作量大，人工成本上升，同時(shí)我國當(dāng)前施肥模式粗獷、水肥浪費(fèi)量大、肥液濃度不好控制等問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的果園藥水肥一體化控制系統(tǒng)。該套系統(tǒng)以基于CC2530的ZigBee節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，結(jié)合MCU單片機(jī)及各類傳感器，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制執(zhí)行模塊執(zhí)行各種功能，同時(shí)采用模糊控制對(duì)水泵進(jìn)行精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹的精準(zhǔn)施藥、施肥和灌溉，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的丟包率與距離沒有明顯關(guān)系，與上位機(jī)軟件發(fā)包頻率有一定關(guān)系；系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)顯示空氣和土壤濕度、EC值和pH值等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；混合藥池的EC值經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)節(jié)690 s左右，達(dá)到設(shè)定值1.5 ms/cm，土壤EC值經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)節(jié)810 s左右，達(dá)到設(shè)定值1.2 ms/cm附近；同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)不同的土壤EC值與混合藥池EC值執(zhí)行不同的灌溉方案與混肥、施肥方案，精準(zhǔn)控制灌溉施肥，有較好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：山地果園；藥水肥一體化；ZigBee；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S224： TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2023） 03-0073-09

Abstract： In view of the large workload of pest control and irrigation and the increase of labor cost in the production of mountainous and hilly orchards， at the same time， the current fertilization mode in China is rough， the waste of water and fertilizer is large， and the concentration of fertilizer solution is not easy to control. Combined with Internet of Things technology and Internet technology， an integrated control system of orchard medicine， water and fertilizer based on Internet of Things is designed. The system is based on ZigBee node based on CC2530， combined with MCU and various sensors. Remote monitoring and control are realized through ZigBee network， and the execution module performs various functions. At the same time， fuzzy control is used to accurately control the water pump to realize precise fertilization and irrigation. Through experimental verification， the packet loss rate of ZigBee network has no obvious relationship with the distance， and has a certain relationship with the contracting frequency of host computer software. The system can realize remote monitoring and automatic control， and display the monitoring data such as air and soil humidity， conductivity value and pH value in real time. The conductivity value of the mixing tank is adjusted by the system for about 690 s to reach the set value of 1.5 ms/cm. The soil conductivity value is adjusted by the system for about 810 s to reach the set value of 1.2 ms/cm. At the same time， the system implements different irrigation schemes， fertilizer mixing and fertilization schemes according to different soil conductivity values and mixed medicine pool conductivity values， accurately controls irrigation and fertilization， and has good stability.

Keywords： mountain orchard; integration of liquid medicine; water and fertilizer; ZigBee; control system

0引言

我國是水果生產(chǎn)及消費(fèi)大國，隨著人們對(duì)水果需求量的增加，水果的種植面積及產(chǎn)量也逐年上升［1］。伴隨著中國城鎮(zhèn)化步伐的加快，越來越多農(nóng)村勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移，不可避免地造成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人工成本上升［2］。在果園作業(yè)過程（如土壤耕整、樹體管理、果品收獲、病蟲害防治和灌溉等）中，病蟲害防治和灌溉占總工作量的40%左右［3］。山地丘陵地區(qū)果園因地形限制造成機(jī)械化程度較低，且我國60%以上的果園分布在以山地丘陵為主的省份［4］。因此，實(shí)現(xiàn)山地丘陵果園藥水肥一體化，對(duì)不同土壤環(huán)境自主做出不同灌溉施肥方案，對(duì)于節(jié)省成本，提高藥水肥的利用率，促進(jìn)我國山地丘陵果園產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛［5］。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的水肥一體化設(shè)備與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，基本均可實(shí)現(xiàn)基于果園實(shí)時(shí)水肥信息的自動(dòng)灌溉和施肥。張寶峰等［6］采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)，控制水肥溶液濃度EC值狀態(tài)良好，在溫室中實(shí)測(cè)時(shí)工作狀態(tài)良好。師志剛等對(duì)水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和效益分析，在應(yīng)用時(shí)節(jié)水效果顯著，具有良好的應(yīng)用前景。同時(shí)，也有學(xué)者研究將灌溉、施肥和施藥技術(shù)相結(jié)合，楊荊等［7］設(shè)計(jì)基于專家決策系統(tǒng)的移動(dòng)式果園水肥藥一體化決策和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以PLC為核心，以Modbus通訊協(xié)議的傳感器來檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。

果樹生長受環(huán)境、氣候等因素影響，因而果園藥水肥一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足可靠性、可修改性、可拓展性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性［89］。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種山地果園藥水肥一體化控制系統(tǒng)，并制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力、通訊穩(wěn)定性以及對(duì)土壤、藥箱EC值的調(diào)節(jié)能力。

1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)［1011］、首部系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成?；赯igBee的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括控制模塊、ZigBee路由模塊、執(zhí)行模塊、繼電器模塊、傳感器模塊等，每個(gè)模塊均由CC2530作為網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)，共同組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)。首部系統(tǒng)受執(zhí)行模塊控制，負(fù)責(zé)將已混合好的液體從混合箱輸送到管路系統(tǒng)中。管路系統(tǒng)有主管、噴霧支路和噴灌支路，每條支路前端均有一個(gè)受繼電器模塊控制的電磁閥控制對(duì)應(yīng)支路的開啟與關(guān)閉；噴灌支路布置在地面，給土壤提供藥水肥；噴霧支路從樹冠中穿過，且在附近引出一條有4個(gè)噴頭的支管，為樹冠提供藥水肥。監(jiān)控系統(tǒng)包括客戶端和云服務(wù)器端，客戶端可以通過串口連接控制模塊通信。

傳感器模塊采集土壤濕度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤EC值和pH值等田間信息后，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送給控制模塊后輸送給用戶端，實(shí)時(shí)顯示果園中環(huán)境參數(shù)。該系統(tǒng)工作模式有手動(dòng)和自動(dòng)兩種，采取手動(dòng)模式，可以選擇需要開啟的噴灌支路及工作參數(shù)，發(fā)送給控制模塊處理這些信息；同時(shí)發(fā)送相應(yīng)的指令給特定的繼電器模塊以開啟或關(guān)閉相應(yīng)支路。采取自動(dòng)模式時(shí)，需要預(yù)先設(shè)置果樹的適宜生長環(huán)境參數(shù)范圍，如土壤濕度或土壤EC值、pH值等，傳感器模塊每隔一段時(shí)間將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊進(jìn)行分析，判斷環(huán)境數(shù)據(jù)是否在預(yù)先設(shè)定的區(qū)間范圍內(nèi)，若否，則開啟電磁閥進(jìn)行灌溉，直到環(huán)境參數(shù)達(dá)到適宜范圍后停止。

2系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

2.1物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)主要由控制模塊、ZigBee路由模塊、執(zhí)行模塊、繼電器模塊和傳感器模塊組成。以CC2530芯片搭建網(wǎng)狀ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)與不同硬件連接，形成物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中各模塊。在實(shí)際消息收發(fā)過程中，參與通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間輸入簇和輸出簇要一一對(duì)應(yīng)。為了簡化系統(tǒng)，本套系統(tǒng)輸入簇和輸出簇均有6類，詳細(xì)的功能如表1所示。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有多種通信方式，向特定節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息為點(diǎn)播通信，向一組設(shè)備發(fā)送信息為組播通信，向所有設(shè)備發(fā)送消息為廣播通信。本系統(tǒng)三種通信方式均可采用。每個(gè)模塊均規(guī)定一個(gè)設(shè)備號(hào)，若該模塊在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中地址發(fā)生改變，其會(huì)將自身設(shè)備號(hào)及16位ZigBee網(wǎng)絡(luò)短地址以ADDR輸出簇發(fā)送給控制模塊的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后控制模塊使用16位無符號(hào)整形數(shù)組addtable形式按照編號(hào)保存短地址，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)播通信時(shí)根據(jù)設(shè)備號(hào)與相應(yīng)模塊通信。組播通信時(shí)，模塊分成了4個(gè)組，所有繼電器模塊編入1組，傳感器模塊編入2組，執(zhí)行模塊編入3組，ZigBee路由模塊編入4組，將控制模塊編入所有組中，控制模塊可以根據(jù)所需要求，分別與不同組的其他模塊進(jìn)行通訊。

控制模塊是物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的核心，由串口單元和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。用來組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)、處理客戶端發(fā)來的指令、控制其他模塊工作，或整理其他模塊采集的信息后發(fā)送給客戶端?？刂颇K與客戶端的通信通過串口單元直接連接實(shí)現(xiàn)，控制其他模塊時(shí)，通過客戶端向基于CC2530的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送如表2所示的指令，每條指令1～7字節(jié)不等，主要由功能字、設(shè)備號(hào)、子設(shè)備和參數(shù)組成。子設(shè)備表示相應(yīng)模塊上控制的設(shè)備編號(hào)，0x16代表控制該模塊下所有設(shè)備。

執(zhí)行模塊是終端節(jié)點(diǎn)使用USART串口連接TTL轉(zhuǎn)RS485單元，使用RS485總線主從結(jié)構(gòu)連接多個(gè)從機(jī)，從機(jī)包括水壓變送器、變頻器和水位變送器，通過控制從機(jī)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主管水壓的控制。RS485主從結(jié)構(gòu)基于Modbus通信協(xié)議通信［1213］，Modbus數(shù)據(jù)幀主要包括從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)碼4部分，如表3所示。在本系統(tǒng)中Modbus協(xié)議從機(jī)地址0x01、0x02和0x03分別對(duì)應(yīng)水壓變送器、變頻器和水位變送器。采用型號(hào)為1.5G1-220V小型通用變頻器，實(shí)現(xiàn)單相進(jìn)三相出。壓力變送器型號(hào)為CYYZ11-X-14-RS-17-44-B-G，5 V直流供電，RS485通訊接口，量程0～2.5 MPa。

繼電器模塊通過電磁閥控制支路的開啟與閉合，每套繼電器模塊能控制4條支路，客戶端連接設(shè)備端，使用設(shè)備調(diào)試方式，手動(dòng)控制每條支路的開啟與關(guān)閉。繼電器型號(hào)為FL-3FF-S-Z-5V，直流5 V；電磁閥為直流12 V常閉型，壓力范圍為0～1 MPa。傳感器模塊用來監(jiān)測(cè)果園土壤濕度、空氣溫濕度和光照等環(huán)境數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過控制模塊發(fā)送給客戶端，用戶根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)果園進(jìn)行作業(yè)。傳感器模塊是由終端節(jié)點(diǎn)和多種傳感器，如空氣溫濕度傳感器DHT11、土壤濕度傳感器和光照傳感器GY-30組成。

由于控制系統(tǒng)模塊大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)，低功耗方案對(duì)于節(jié)約能源、延長各模塊使用時(shí)間具有非常重要的意義。該系統(tǒng)ZigBee路由模塊、傳感器模塊和繼電器模塊有PM0和PM2兩種工作模式，控制模塊和執(zhí)行模塊只有PM0工作模式?？刂颇K在正常開機(jī)時(shí)，每隔3 s廣播輸出簇為HEART的心跳包，ZigBee路由模塊、傳感器模塊和繼電器模塊只有在一直接收到輸入簇為HEART的心跳包時(shí)，才能維持在PM0工作模式，否則當(dāng)12 s未接收到消息時(shí)，便進(jìn)入PM2模式，并將附屬設(shè)備的電源斷開；在進(jìn)入PM2模式后，會(huì)隔一段時(shí)間進(jìn)入PM0模式檢查控制模塊是否開機(jī)。

2.1.2系統(tǒng)對(duì)土壤環(huán)境的調(diào)節(jié)

系統(tǒng)通過傳感器模塊監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境，并將所測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊處理，數(shù)據(jù)發(fā)送給繼電器模塊和執(zhí)行模塊，繼電器模塊收到命令后便會(huì)打開指定的電磁閥，以實(shí)現(xiàn)施肥、施藥和灌溉功能。

系統(tǒng)對(duì)土壤EC值、土壤pH值和土壤濕度的調(diào)節(jié)方法相同。以控制土壤EC值為例，自動(dòng)控制開啟時(shí)，土壤EC傳感器每分鐘測(cè)一組數(shù)據(jù)，每組10個(gè)數(shù)據(jù)，測(cè)試值發(fā)送給控制模塊；控制模塊計(jì)算每組數(shù)據(jù)的平均值，得到EC平均值ECg，并將ECg上傳到上位機(jī)；上位機(jī)將數(shù)據(jù)顯示并保存；查閱相關(guān)資料可知，適宜果樹生長的EC值在0.5～1.5 ms/cm之間［7， 14］，控制模塊設(shè)定果樹生長初始EC值為EC0，取1.2 ms/cm。然后，控制模塊將計(jì)算初始值EC0與平均值ECg的差值，得到ΔEC=EC0-ECg；設(shè)置傳感器模塊對(duì)土壤EC值的測(cè)量范圍為［0，3］，則ΔEC值范圍為［-1.8，1.2］；將ΔEC范圍分成8個(gè)小區(qū)間，即［-1.8，-1］、［-1，-0.5］、［-0.5，-0.1］、［-0.1，0］、［0，0.1］、［0.1，0.5］、［0.5，1］、［1，1.2］，每個(gè)區(qū)間代表不同控制命令，如表4所示。最后，執(zhí)行模塊根據(jù)ΔEC值區(qū)間，發(fā)送不同指令給首部系統(tǒng)與管路系統(tǒng)，控制電磁閥的開閉時(shí)間，從而調(diào)節(jié)土壤EC值。若一次調(diào)節(jié)未達(dá)到適合EC值，系統(tǒng)則重復(fù)上述操作，直到土壤環(huán)境達(dá)到適合范圍。

2.2首部系統(tǒng)與管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首部系統(tǒng)與管路系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制電磁閥的開閉以實(shí)現(xiàn)灌溉、施肥和施藥功能，系統(tǒng)如圖2所示。

該首部系統(tǒng)與管路系統(tǒng)主要由水池、水泵、變頻器、電磁閥、水壓變送器、水位變送器、EC傳感器、pH傳感器和各個(gè)藥液罐等組成。其中變頻器、水位變送器、壓力變送器是通過RS485總線與執(zhí)行模塊連接，電磁閥與繼電器模塊相連接，通過繼電器模塊控制其開關(guān)。

過濾器過濾水池、藥池的雜質(zhì)和未溶解的肥料，以防止施肥時(shí)肥液實(shí)際濃度過高。系統(tǒng)工作時(shí)水泵將水抽入混合藥池，達(dá)到一定水位時(shí)停止。混合藥池pH傳感器與EC值傳感器時(shí)刻監(jiān)測(cè)混合藥池中混合液的EC值與pH值，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊，對(duì)比分析；若EC值與pH值未達(dá)到初始值，控制模塊則給繼電器模塊發(fā)送信息，打開相應(yīng)電磁閥，同時(shí)施肥泵開始工作，通過文丘里施肥器的負(fù)壓，把肥料、酸液、堿液和藥液吸入到混合液罐里。EC傳感器與pH傳感器繼續(xù)測(cè)量混合液的EC值與pH值，反復(fù)執(zhí)行，直到混合液EC值與pH值達(dá)到設(shè)定值，施肥泵與肥液、酸堿液處的電磁閥關(guān)閉。

同時(shí)傳感器模塊監(jiān)測(cè)果園土壤環(huán)境，將所測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊，進(jìn)行分析；若土壤濕度、EC值、pH值未達(dá)到設(shè)定值，則發(fā)送信息給繼電器模塊，此時(shí)若混合液符合灌溉要求，繼電器模塊開啟對(duì)應(yīng)管路的電磁閥，對(duì)未達(dá)到要求的區(qū)域進(jìn)行灌溉、施肥，以達(dá)到最適合果樹生長的環(huán)境。

2.2.1模糊控制分析

混合藥池EC值的調(diào)節(jié)采用模糊控制原理［1516］，其過程如圖3所示。將真實(shí)的輸入值模糊化處理為模糊集，在模糊規(guī)則的定義下推理出模糊輸出值，最后將模糊輸出反模糊處理為真實(shí)的輸出值。

模糊控制各參數(shù)取值范圍如表5所示。輸入值通過模糊化處理得到控制變量E（k）和EC（k），兩個(gè)變量通過模糊推理得到輸出值u，再通過反模糊處理換算成為電磁閥的開啟時(shí)間U，以達(dá)到對(duì)混合藥池電導(dǎo)率的控制。

為達(dá)到較為精確地控制效果，參考同類型設(shè)計(jì)［19］，設(shè)置模糊變量區(qū)域：NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)小），NZ（負(fù)零），Z（零），PZ（正零），PS（正?。琍M（正中），PB（正大）。偏差e，偏差變化率ec和電磁閥開啟時(shí)間U模糊語言值和量化論域等級(jí)的選取如表6所示。

2.3監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)包括客戶端和云服務(wù)器端，監(jiān)控整套系統(tǒng)的運(yùn)行?？蛻舳送ㄟ^VB.NET編程語言編寫，與云服務(wù)器端和設(shè)備端基于MQTT3.1.1協(xié)議［20］進(jìn)行通信?？蛻舳擞傻卿涰撁?、首頁、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、工作控制、數(shù)據(jù)管理、連接模式和設(shè)備調(diào)試組成?？蛻舳讼蚩刂颇K發(fā)送的指令有工作開始指令、工作暫停指令、工作繼續(xù)指令、工作停止指令、主管修正壓力改變指令、作業(yè)強(qiáng)度改變指令和調(diào)試設(shè)備指令?？刂颇K向客戶端發(fā)送設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，客戶端將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并儲(chǔ)存起來，方便查詢歷史數(shù)據(jù)。指令和數(shù)據(jù)以MQTT協(xié)議的發(fā)布報(bào)文發(fā)送，監(jiān)控系統(tǒng)工作流程如圖6所示，設(shè)備端時(shí)刻采集環(huán)境數(shù)據(jù)（包括土壤濕度、土壤與藥箱EC值等）并分析，將采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給客戶端，客戶端收到數(shù)據(jù)后會(huì)將其顯示在客戶端界面，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)器端會(huì)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，以供使用，同時(shí)客戶端會(huì)分析接收到的數(shù)據(jù)，對(duì)不同的數(shù)據(jù)做出不同的控制決策指令，并將指令發(fā)送給設(shè)備端，以控制設(shè)備端對(duì)環(huán)境的調(diào)節(jié)。監(jiān)控系統(tǒng)的客戶端界面如圖7所示。

3系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)

3.1傳感器模塊功能試驗(yàn)

準(zhǔn)備好傳感器模塊、控制模塊和上位機(jī)等部件，對(duì)模塊進(jìn)行功能調(diào)試，直到模塊能夠正常通信，在櫻花園布置1套傳感器模塊，時(shí)刻監(jiān)測(cè)櫻花園的環(huán)境，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制模塊，并上傳至上位機(jī)軟件顯示出來。試驗(yàn)時(shí)間是2021年6月30日12點(diǎn)50分至22點(diǎn)30分，傳感器模塊可采集空氣溫濕度、土壤濕度和光照強(qiáng)度，將測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)起來，環(huán)境參數(shù)變化曲線圖如圖8所示。

2021年6月30日當(dāng)天，在14：00之前天氣晴朗，15：00之后逐漸轉(zhuǎn)為陰天，并在18：00左右開始下雨。從圖8可見，在15：00之前，空氣溫濕度變化并不明顯，土壤水分也隨陽光蒸發(fā)，土壤濕度逐漸下降，由于云層的移動(dòng)，光照強(qiáng)度大小波動(dòng)比較明顯。15：00之后，陰云密布，空氣溫度下降，空氣濕度逐漸上升，光照強(qiáng)度也逐漸減小。在18：00左右，開始下雨，空氣溫度下降，空氣濕度上升，土壤濕度則開始上升，此時(shí)也基本沒有光線，光照強(qiáng)度也約為0。19：00過后，雨停，空氣溫度達(dá)到測(cè)試時(shí)間段的最低約為27 ℃，空氣濕度達(dá)到測(cè)試時(shí)間段的最高值約為95%，土壤濕度和光照強(qiáng)度基本沒有產(chǎn)生較大變化。

3.2物聯(lián)網(wǎng)通訊試驗(yàn)

將控制模塊通過串口與上位機(jī)進(jìn)行連接，當(dāng)控制模塊與傳感器模塊能夠正常通訊后，將傳感器模塊遠(yuǎn)離控制模塊不同的距離進(jìn)行通訊試驗(yàn)。

串口給控制模塊發(fā)送以“0xFF開頭的9字節(jié)測(cè)試數(shù)據(jù)包”；控制模塊接收到該數(shù)據(jù)包時(shí)，以輸出簇CESHI向傳感器模塊發(fā)送該數(shù)據(jù)包；傳感器模塊接收后以同樣輸出簇返回該數(shù)據(jù)給控制模塊；控制模塊將接收到的返回?cái)?shù)據(jù)以串口通訊方式返回給上位機(jī)軟件（圖9）；上位機(jī)軟件對(duì)接收到的該幀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定是否出現(xiàn)錯(cuò)包情況。ZigBee節(jié)點(diǎn)使用信道11（2.4 GHz）、發(fā)射功率-17 dBm和接收靈敏度-91 dBm通信，傳感器模塊使用9 V干電池作為電源，每組測(cè)試時(shí)發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔為100 ms、200 ms和300 ms，在試驗(yàn)過程中，未發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)錯(cuò)包情況，結(jié)果如圖10所示。

可見，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的丟包率與距離沒有明顯關(guān)系，但與上位機(jī)軟件發(fā)包頻率有一定關(guān)系。在發(fā)包間隔為300 ms時(shí)，出現(xiàn)丟包概率非常低，在發(fā)包間隔變短的情況下，丟包率增加，丟包率上升的情況可能跟ZigBee節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理延遲有關(guān)。在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中兩節(jié)點(diǎn)通信距離可以達(dá)到130 m，但距離過大容易出現(xiàn)掉線情況。

3.3混合藥箱EC值自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)

在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院進(jìn)行混合藥箱EC值自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)。肥液箱中存有EC值為5 ms/cm 的肥液，試驗(yàn)通過傳感器模塊的液體EC傳感器時(shí)刻測(cè)量混合藥箱的EC值，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊，控制模塊通過分析數(shù)據(jù)，發(fā)送不同的指令給繼電器模塊，控制繼電器的開閉，以控制水泵的開啟和關(guān)閉，從而調(diào)節(jié)混合藥箱的EC值。

液體EC傳感器模塊每隔5 s會(huì)將測(cè)得的液體EC值數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制模塊，控制模塊再通過串口將液體EC值數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦上位機(jī)程序，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)起來。與此同時(shí)，EC傳感器模塊以30 s為一個(gè)周期，將測(cè)得的混合藥箱的EC值與設(shè)定的初始值作對(duì)比分析，根據(jù)不同的分析結(jié)果發(fā)送不同的信息給控制模塊?？刂颇K會(huì)根據(jù)收到的不同信息發(fā)送不同的指令給繼電器模塊，控制繼電器模塊的開閉時(shí)間，從而控制水泵的開啟時(shí)間，肥液箱中的肥液被水泵抽入到混合藥箱，以調(diào)節(jié)混合藥箱的溶液EC值。試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示?？梢?，混合藥箱的EC值隨時(shí)間逐漸上升，在690 s左右時(shí)達(dá)到設(shè)定值1.5 ms/cm，并穩(wěn)定下來，控制較為平穩(wěn)。

3.4土壤EC值自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)

在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院櫻花園進(jìn)行土壤EC值自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)。將土壤EC傳感器的鋼針橫向插入土壤，再進(jìn)行覆土。土壤EC傳感器模塊每隔3 s會(huì)測(cè)量一次當(dāng)前土壤的EC值，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊，控制模塊收到數(shù)據(jù)后會(huì)通過串口將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)起來。與此同時(shí)，每隔60 s，土壤EC傳感器模塊會(huì)將收集到的一組10個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，并求出平均值，再將平均值與初始設(shè)定的EC值作差，根據(jù)差的大小，發(fā)送不同的信息給控制模塊，控制模塊根據(jù)所接收到的不同信息，發(fā)送不同的指令給繼電器模塊，以控制水泵的開閉時(shí)間，完成土壤EC值的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

由于施肥時(shí)土壤EC值會(huì)快速上升，停止施肥一段時(shí)間后，肥液會(huì)滲入土壤中，導(dǎo)致土壤EC值快速下降，因而需取土壤EC值趨于穩(wěn)定時(shí)數(shù)據(jù)，這里每隔90 s 取一次數(shù)據(jù)，如圖12所示為土壤EC值隨時(shí)間變化情況，櫻花園的初始土壤EC值為0.292 ms/cm，隨著時(shí)間逐漸上升，在810 s左右到達(dá)1.1 ms/cm后趨于平穩(wěn)。

4結(jié)論

1） 本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了一套果園藥水肥一體化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)和管路系統(tǒng)組成。監(jiān)控系統(tǒng)包括客戶端和云服務(wù)器端，通過MQTT協(xié)議與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)時(shí)檢測(cè)果園環(huán)境，并作控制決策；物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)主要由控制模塊和執(zhí)行模塊組成，系統(tǒng)通過CC2530芯片構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)模塊之間的遠(yuǎn)程通訊，果園環(huán)境數(shù)據(jù)與決策指令的遠(yuǎn)程傳輸都基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)；管路系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制不同管路的開閉，在工作時(shí)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收決策指令并執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)灌溉和施肥功能。

2） 在物聯(lián)網(wǎng)通訊試驗(yàn)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)兩節(jié)點(diǎn)的丟包率跟發(fā)包間隔有一定的關(guān)系，當(dāng)發(fā)包間隔大于300 ms，發(fā)生丟包的概率很小。在測(cè)試時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)之間的通信距離在100 m內(nèi)連接非常穩(wěn)定，最遠(yuǎn)可以達(dá)到130 m。

3） 在混合藥箱EC值自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)中，混合藥箱EC值能夠進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，在690 s附近達(dá)到設(shè)定值1.5 ms/cm，控制較為平穩(wěn)，而在土壤EC值自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)中，土壤EC值在施肥時(shí)與剛停止施肥時(shí)變化很快，在810 s附近達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定，控制較為平穩(wěn)。

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