基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與研究

摘 要：隨著水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的發(fā)展，以本校園區(qū)與廣西天峨縣龍灘珍珠李種植基地作為研究實驗基地，對水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)進行設(shè)計研究及效益分析。智能灌溉系統(tǒng)主要包括大數(shù)據(jù)平臺、氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、土壤灌溉控制系統(tǒng)、智能施肥控制系統(tǒng)、遠程土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)以及灌溉管道監(jiān)測、流量監(jiān)測、遠程作物生長監(jiān)測系統(tǒng)六大部分。通過效益分析結(jié)果表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)用效果顯示，其省工節(jié)水增收效果顯著。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 水肥一體化 智能灌溉系統(tǒng) 效益分析

中圖分類號：S274.2;TN929.5;TP391.44

Design and Research of an Intelligent Irrigation System with theIntegrationgof Water and Fertilizer Based on the Internet of Things

HUANG RongXi YOU WenJian

School of Information Engineering，Guangxi AgriculturalVocational-Technical Universityof Agriculture， School of Information Engineering，Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region，530007China

Abstract： With the development of the integrated water and fertilizer intelligent irrigation system with the integration of water and fertilizer， this paper designs， and studies， and analyzes the benefits of the system it and analyzes its benefitsusingwith the parkof thisuniversitycampus and the Longtan Pearl Plum Planting Base in Tian'e County， Guangxi， as research and experimental bases. The intelligent irrigationsystem mainly consists of six parts： a big data platform， a meteorological and environmental monitoring system， asoil irrigation control system， aniOuB9OOCngonQ/nNjy2C9eLpyoCFE22FO2+BkL7eFN3I=ntelligent fertilization control system， aremote soil moisture monitoring system， and an irrigation pipeline monitoring， flow monitoring， and remote crop growth monitoring system. The results of benefit analysis show thatthe application effect of the intelligent irrigation system with the IoT-based integration ofed water and fertilizer basedon the Internet of Thingshas intelligent irrigation systemdemonstrates significant application effects andlabor-saving， water-saving， and income-increasing effects.

Key Words： Internet of Things; Integration of water and fertilizer; Intelligent irrigation system; Benefit analysis

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，在農(nóng)業(yè)耕種上，水資源的使用存在很大的浪費，通過查閱參考文獻，我國的淡水資源也比較短缺。但目前大家用水的思想觀念還沒有轉(zhuǎn)變，總是覺得水用不完，沒有節(jié)約意識，這就使淡水資源更加不足[1]。例如：現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)種植，不管是大棚還是露天的種植，都是大水漫灌，水資源的浪費非常嚴重。當(dāng)前，在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植中，化肥資源的使用，也有很多不合理的地方，也存在比較嚴重的浪費現(xiàn)象。此外，化肥的過度使用也會使土壤的結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，使種植的農(nóng)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)都會降低，影響種植效益。在這樣的背景下，課題組通過實地走訪調(diào)查廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)八桂田園現(xiàn)代農(nóng)業(yè)展示園（以下簡稱本校園區(qū)）以及廣西天峨縣龍灘珍珠李種植基地，在水肥一體化的應(yīng)用上存在的不足，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行提升改進，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計研究[2]。水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的建設(shè)使用，非常有發(fā)展前景，不僅提升了農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，提升了產(chǎn)量，還解決了勞動力短缺等問題。本項目在本校園區(qū)實驗基地的研究中，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，取得了一定的成效。因此，本課題的研究，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植綠色可持續(xù)發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計研究

根據(jù)廣西天峨縣龍灘珍珠李種植基地與本校園區(qū)農(nóng)作物種植情況基本相似，結(jié)合研究實際，本研究主要以本校園區(qū)作為研究基地。本校園區(qū)正在使用的灌溉系統(tǒng)，其在變量施肥技術(shù)的使用相對較少，與現(xiàn)代的自動施肥灌溉系統(tǒng)有一定的差距。例如：沒有將現(xiàn)有的農(nóng)地進行科學(xué)的劃分管理，沒有進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，只有簡單的灌溉系統(tǒng)。在本項目的研究中，在總體的設(shè)計上有很大的變化，例如將農(nóng)地的土壤進行相應(yīng)的劃分，設(shè)計出不同的區(qū)域，在數(shù)據(jù)的監(jiān)測應(yīng)用上，本項目通過大數(shù)據(jù)對前幾年的果品產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤中的EC與pH值以及一些病蟲害等進行綜合分析，做出科學(xué)合理的施肥決策[3]。因此，在研究的過程中，課題組成員通過技術(shù)監(jiān)測，達到合理施肥、灌溉、數(shù)據(jù)管理，在提升產(chǎn)量與節(jié)約成本的同時，也保護好耕地的使用，確保土壤中的養(yǎng)分，以及EC與pH值保持科學(xué)合理。

1.1系統(tǒng)組成模塊設(shè)計

在現(xiàn)有的灌溉基礎(chǔ)上，通過對當(dāng)前較為常見的規(guī)模經(jīng)營農(nóng)業(yè)種植園區(qū)，并結(jié)合本校園區(qū)實際情況，對現(xiàn)有的灌溉系統(tǒng)進行設(shè)計研究，加以改善，并進行應(yīng)用實施[4]。該系統(tǒng)主要包括六大部分：（1）大數(shù)據(jù)平臺，主要進行數(shù)據(jù)的收集分析，控制管理等；（2）氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用于對實驗基地的氣象與當(dāng)前的環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，主要體現(xiàn)在實驗基地雨量、溫度、濕度等參數(shù)信息；（3）土壤灌溉控制系統(tǒng)，主要進行對農(nóng)地進行的濕度進行控制灌溉；（4）智能施肥控制系統(tǒng)，其體現(xiàn)在水肥的灌溉，監(jiān)測水肥的配置是否科學(xué)合理，灌溉用量的多少等；（5）土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)，主要對土壤中的EC與pH值進行監(jiān)測，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，做出合理的施肥；（6）農(nóng)作物生長監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的作用，用于對不同時期農(nóng)作物生長的情況進行監(jiān)測，并根據(jù)當(dāng)時的情況做出合理的水肥灌溉[5]。在系統(tǒng)的組成設(shè)計中，總的理念是，對智能施肥系統(tǒng)與能效監(jiān)測系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，同時也可通過主機客戶端或手機客戶端訪問大數(shù)據(jù)平臺，對灌溉控制系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)試，保證系統(tǒng)安全可靠運行，促進農(nóng)作物增產(chǎn)提質(zhì)。

1.2水肥智能化模塊設(shè)計

該模塊主要分為控制管理與灌溉實施，其包括智能施肥控制系統(tǒng)，土壤灌溉監(jiān)控管理系統(tǒng)，灌溉監(jiān)測等幾部分。在設(shè)施的過程中，通過控制管理平臺將設(shè)施設(shè)備與水源及農(nóng)作物進行統(tǒng)一的連接，進行灌溉管理，在農(nóng)作物的上方進行噴灑管道布置。其中控制部分的設(shè)計主要通過ZigBee進行無線傳輸，元器件采用單片機cc3235等相關(guān)的器件等組成[6]。在水的灌溉系統(tǒng)上進行水肥連接，做到水肥的合理配置與施肥。

在實施的過程中，水肥一體化智能灌溉是根據(jù)監(jiān)測到的情況進行自動化或人工來進行操作，其種植戶根據(jù)農(nóng)作物在某一生長時期，通過數(shù)據(jù)平臺對灌溉系統(tǒng)設(shè)置進行灌溉、施肥，也可以對其進行數(shù)據(jù)監(jiān)測做到自動灌溉或施肥。在水肥灌溉過程中，針對管道易堵塞的情況進行了分析，其主要情況為：一是肥料中存在較大的不溶物引起的堵塞；二是肥料與水發(fā)生相關(guān)的反應(yīng)，對管道進行堵塞；三是水肥配置不當(dāng)使得肥料產(chǎn)生相關(guān)的沉淀物對管道進行堵塞。在灌溉施肥過程中，如果管道進行了堵塞，就會引起水肥灌溉不均勻，導(dǎo)致灌溉系統(tǒng)運行性能下降，嚴重時甚至造成整個系統(tǒng)崩潰。因此，在針對這3種情況，課題組提出了相應(yīng)的解決方案。一是在管道的設(shè)計上，通過對管道孔的間距設(shè)計出相對大一點的圓孔，使其顆粒物通過大孔排出；二是針對灌溉的水壓適當(dāng)加壓，有利于顆粒物的排出；三是提前進行配置觀察，看肥料在水中是否產(chǎn)生相關(guān)的沉淀物與漂浮物，并采取相應(yīng)的措施進行處理。通過這些方案，可以很好地解決水肥灌溉中管道易堵塞的問題。

1.3遠程監(jiān)控模塊設(shè)計

該模塊主要由氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，遠程土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)，遠程作物生長監(jiān)測系統(tǒng)組成。農(nóng)作物在生長的過程中，所處的環(huán)境與土壤施肥過程中產(chǎn)生的墑情會不同，所需要的水肥也會不同。因此，如何進行水肥灌溉，就需要進行監(jiān)控或走進農(nóng)地進行相應(yīng)的分析，從而進行更合理的水肥配置，達到預(yù)期效果。

天氣的變化，也會對種植的農(nóng)作物產(chǎn)生較大的影響。因此，在種植地通過氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，進行雨量、溫度、濕度的采集，通過大數(shù)據(jù)平臺進行分析，使其主要采用內(nèi)置的歷史數(shù)據(jù)進行比對，并結(jié)合彭曼公式分析得出參考農(nóng)作物需水量、生長系數(shù)以及實際需水量等作為參考依據(jù)，制定合理的水肥灌溉，確保農(nóng)作物的科學(xué)合理生長。在灌溉系統(tǒng)中，土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)非常重要，其起到了對土壤變化的監(jiān)測[7]。再通過對土壤的閉環(huán)監(jiān)控，配制一定EC值、pH值的水肥，進行合理的水肥灌溉。在灌溉的過程中對土壤含水量、施肥情況進行自動評估測算，并進行灌溉水的上、下限值設(shè)定，達到合理的動態(tài)平衡灌溉。遠程作物生長監(jiān)測系統(tǒng)，主要是通過農(nóng)作物的生長情況的圖片采集存儲，再通過比對其目前的生長趨勢變化，及時調(diào)整施肥方案，施肥的科學(xué)合理，能盡最大可能地減少病蟲害對農(nóng)作物的危害。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)園區(qū)實驗基地的規(guī)模及實施情況，其主要采用ZigBee無線通信模塊，以及cc3235單片機作為控制器件模塊。其主要采用的是響應(yīng)速度快，通信頻率穩(wěn)定，可靠性高等優(yōu)勢。

2.1 ZigBee通信模塊應(yīng)用

ZigBee通信技術(shù)已相對比較成熟，應(yīng)用廣泛。是一項新型的無線通信技術(shù)。 本研究設(shè)計，主要基于ZigBee無線通信技術(shù)的相關(guān)優(yōu)點，如能達到相互協(xié)調(diào)的功能，傳輸效率高，通信速度快，其適用于短距離的通信，其技術(shù)遵循專業(yè)的無線標準[8]。

2.2 單片機控制模塊

在系統(tǒng)控制器方面，本系統(tǒng)的設(shè)計研究主要采用cc3235單片機作為主要控制器件。采用cc2535單片機作為控制器，不僅可以很好地與ZigBee協(xié)議進行結(jié)合，還可以對監(jiān)測模塊的各種傳感器進行控制，及數(shù)據(jù)的采集傳輸。在設(shè)計中，主要應(yīng)用cc3235單片機控制器，具有很強的接收靈敏度和抗干擾能力，能以非常低的成本，就能建立起一個非常強大的網(wǎng)絡(luò)平臺。因此，它可以適應(yīng)一些低功耗的系統(tǒng)管理平臺。

3 程序控制設(shè)計

程序控制系統(tǒng)的設(shè)計，在單片機的控制設(shè)計方面，大多數(shù)采用c語言進行程序設(shè)計。但本研究主要采用Python語言進行對cc3235單片機的控制，其主要利用Python語言強大的第三方庫，其開發(fā)功能強大，且簡單易用。在程序的設(shè)計中主要運用Python對c3235單片機和ZigBee模塊進行程序設(shè)計對接，由于Python語言的靈活性，在設(shè)計應(yīng)用中能以簡易的方式編譯處理編譯多級別的儲存器。Python語言提供了許多的內(nèi)核處理功能，在跨平臺的數(shù)據(jù)處理上有獨特的優(yōu)勢。本系統(tǒng)的設(shè)計主要采用python與cc3235單片機通信接口進行物理連接。

4 應(yīng)用案例分析

4.1項目應(yīng)用情況分析

該物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，在原有的灌溉系統(tǒng)基礎(chǔ)上，于2023年在本校園區(qū)種植基地妮娜皇后葡萄的種植上進行了試驗，該示范基地的面積為0.53 hm2。實驗基地所處的位置屬濕潤的亞熱帶季風(fēng)氣候，陽光充足，雨量充沛集中。在實驗的過程中，主要對種植中的3個大棚進行實施。在相對比較合理的地方布置好相關(guān)的監(jiān)控系統(tǒng)，對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行采集，確保數(shù)據(jù)的收集合理可靠有效，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)控制中心進行分析處理。

4.2效益統(tǒng)計分析

項目投資實施分析測算，該物聯(lián)網(wǎng)水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)工程總投資為12.8萬元，覆蓋的面積為0.53 hm2，其每畝的平均投資為1.6萬元，其正常使用年限為8年。折算到每年的投資成本為2000元。

通過統(tǒng)計，在種植實驗基地中平均每畝采收葡萄1400kg，比非實驗區(qū)增收160kg，增產(chǎn)12.90％，其品質(zhì)也得到了一定的提升。該品種的葡萄市價每斤賣30元，每畝增收9600元，每畝節(jié)省人工費1 200元。其在節(jié)工節(jié)肥節(jié)水等方面也比較有成效，統(tǒng)計分析得出，通過水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)每0.067 hm2可多得12 320元的收入，其每畝每年的投資成本為2 000元，其最終統(tǒng)計可以得出，每畝可多得收入10 320元。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可以得出，水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的實施具有明顯的增效優(yōu)勢，雖然初次投入資金比較大，但按總體成本分年度分面積來算，還是值得投入。

5 結(jié)語

從上述的效益統(tǒng)計分析中，可以得到基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計，有效地節(jié)約了用水用肥的成本。本設(shè)計不僅可以有效緩解浪費水資源的問題，還可以使養(yǎng)分水分得到充分利用，提高經(jīng)濟效益。當(dāng)然在便捷的同時，水肥一體化的推廣還有待加強，這個也是課題組在今后需要探索的一個方向。

參考文獻

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