基于物聯網智慧農業的作物水肥一體化系統設計與應用

李志然 潘鶴立 尚春雨 潘東明

摘?要：為了提高農田灌溉和施肥效率，優化生產流程和改善土壤生態環境，開發了基于物聯網智慧農業的作物水肥一體化系統，在對系統建設的物聯網原理和總體構架進行闡述分析的基礎上將系統應用劃分為農田環境監測系統和水肥一體化系統兩大模塊。農田環境監測系統以無線傳感器網絡為基礎，采用一體化采集節點設計，可以實現農田水肥環境等數據監測，為灌溉和施肥控制提供數據支撐;水肥一體化系統在系統首部、管網和控制系統等工程建設的基礎上采用組態軟件開發，通過原理流程設定可以實現農田智能灌溉施肥控制和數據分析查詢等功能。

關鍵詞：水肥一體化系統;物聯網;環境監測;智能控制

DOI：10.13651/j.cnki.fjnykj.2019.03.015

Abstract：In order to improve the efficiency of irrigation and fertilization in farmland， optimize production process and improve soil ecological environment， the integrated system for crop water and fertilizer was developed basing on the intelligent agricultural technology of internet of things. On the basis of analyzing the principle of the Internet of things and overall framework of the system construction， the application of the system was divided into two modules：the farmland environmental monitoring system and the integrated system of water and fertilizer.The farmland environmental monitoring system could monitor the data of water and fertilizer environment in farmland that based on the wireless sensor network， and adopted integrated acquisition node design which could provide data support for the control of irrigation and fertilization.The integrated system for water and fertilizer was developed with configuration software basing on the construction of the first part of the system，the pipe network system and the control system，， and it could realize the intelligent control of irrigation and fertilization， data analysis and query in farmland through the setting of the principle flow.

Key words：Integrated system for water and fertilizer; Internet of things; Environmental monitor; Intelligent control

智慧農業是近些年來農業技術發展中的一個重要方向，從20世紀中期信息技術開始應用于農業至今，數據處理、自動控制以及網絡技術應用已滲透到農業生產各個方面。2016年黨的《“十三五”全國農業農村信息化發展規劃》、《國家信息化發展戰略綱要》等政策綱領性文件明確指出“信息化是農業現代化的制高點”，加快農業、農村信息化的發展，培育和建設智慧農業、互聯網農業等新興產業[1]。當前，以物聯網為代表的數字信息技術已成為智慧農業發展和質量提升的關鍵環節。

福建省是一個多山的省份，素有“八山一水一分田”的稱謂，因此大部分農田的建設都位于丘陵地區，平地資源相對缺乏，水源條件也分布不均，傳統的灌溉施肥技術在實際農田管理中具有較大的限制。近些年來，隨著農村年輕勞動力的流逝，化肥等生產資料的價格上漲等社會環境因素，使得勞動成本不斷上漲，農田經濟效益不斷下降。由于農戶在農田的管理過程中缺乏科學指導，導致水肥農藥的過度使用，不僅加大了成本投入，更容易造成土壤的酸化和板結問題，而且多余的養分肥料和農藥等會滲入地下水系統，使水體富營養化，造成生態環境的破壞，影響作物的生長發育和產量品質的下降。因此研究高效的灌溉施肥技術是當前解決農田水肥問題的關鍵。在提高農田產量質量的同時，合理規劃水肥的使用量，保護生態環境，逐步轉向農田的綠色發展，基于物聯網的農田水肥一體化技術成為首選目標。

水肥一體化技術是農業現代化進程中發展起來的一項新的農業技術，主要是指在農業生產中把灌溉和施肥融為一體，借助壓力系統或自然落差通過管道系統，準確均勻地將配置好的水肥輸送至農田的根部區域的智能灌溉技術[2]。通過將物聯網技術與水肥一體化技術優勢結合，利用現代信息技術對農田環境進行智能監測控制，實現信息的收集和數字化處理，有效提高農田水肥灌溉的智能決策效率，實現農田的高效管理和作物的優質、綠色生產。

1?系統總體設計

基于物聯網智慧農業的農田水肥一體化自動系統主要由農田環境監測系統和水肥一體化系統兩部分組成，以云技術應用為服務平臺，以農業物聯網架構為基礎而設計開發的現代智能農業系統，在設計理念和應用效果上呈現“可視化、智能化和一體化”的特點，具有氣象監測、趨勢分析、水肥智能控制和預報預警等多種功能。

物聯網技術由三層架構組成，分別為：感知層、網絡層以及應用層[3]。這三層結構構成了物聯網的應用基礎，既相互獨立又相互聯系實現物聯網的應用。物聯網三層結構示意圖如圖1所示。

感知層位于體系結構的底層，是物聯網的基礎部分，由各類傳感器構成用于感知紀錄外部環境的客觀信息，如空氣溫濕度、土壤溫度、土壤含水量和降雨量等，是農田環境監測系統的基礎和核心構架;網絡層位于中間層，也稱為傳輸層，是感知層和服務層的連接紐帶，主要功能是通過各種無線、有線網絡把感知層傳遞的電磁信號（電壓信號和電磁波信號等）傳送到應用層;應用層是物聯網技術的顯示層和服務界面，是信息采集傳輸的終端，它可以把傳輸層傳遞過來的電信號進行數據轉化分析，以直觀的圖表或曲線的形式呈現給用戶，用戶可以通過應用層發送相關指令給各控制器進而實現農田水肥灌溉的智能控制和管理。水肥一體化系統構架示意圖如圖2所示。

2?農田環境信息監測系統設計

農田環境信息監測系統由環境采集專用傳感器、網關、Zig Bee、4G/5G 無線網絡、傳統有線網絡及相關附件構成，其中傳感器平均分布安裝于農田種植區域。前端的傳感器數據采集設備承擔著信息和數據收集功能，而網關、數據傳輸系統網絡負責把大量無線傳感器節點收集到的溫濕度、土壤含水量信息進行電信號TCP/IP格式化轉化，通過ZigBee & LORA、4G/5G 無線網絡和傳統有線網絡，將數據輸送到云服務器，進行數據處理與分析。農田管理人員可以登錄智慧農業云平臺進行信息查看，進行實時環境調控，可為園區水肥灌溉智能控制、環境調控以及決策分析等園區智能化、數字化管理提供強有力的信息支持。

2.1?一體化無線采集節點的設計

一體化無線采集節點的設計，是按照模塊化設計原則，將多種傳感器處理模塊和射頻模塊集成一體，根據農田的實際監測需求自由選擇傳感器的種類，具有可調整性和擴展性等優勢[4]。一體化無線采集節點硬件結構示意圖如圖3所示。

系統的一體化無線采集節點傳感器模塊設計中主要選擇了空氣溫濕度、光照強度、CO2濃度、土壤溫度和土壤濕度傳感器等采集環境參數。各傳感器名稱及規格參數如表1所示。其中土壤溫度和土壤含水量傳感器用于灌溉控制的數據采集，而空氣溫濕度、光照強度和CO2濃度傳感器則用于農田環境的監測，更好地輔助管理人員進行管理決策。

本系統在一體化無線采集節點的設計中射頻模塊根據ZigBee無線技術網絡通信協議和低功耗、延時短、網絡容量大、多頻段的特點選擇了適配性強的CC2530芯片。CC2530芯片支持2.4 GHz 頻段、IEEE802.15 Zigbee 協議并且自帶有RF收發器，且具有極高的接收靈敏度、抗干擾能力和低功耗的特點[5]，非常適合農田需要超低耗的監測環境。

2.2?物聯網網關的設計

物聯網網關即Zigbee網絡的匯聚節點，它的主要功能是將感知層中各無線傳感器采集到的環境信息轉換成TCP/IP格式電信號經過寬帶網絡和廣域網傳輸至本地水肥一體化監控服務平臺和云端服務器存儲，采用以云存儲為核心的在線分布存儲系統進行數據存儲。通過采用訪問控制、身份認證以及ssl加密技術對數據進行保護，確保數據安全可靠，保證用戶隨時隨地可接入云端訪問，實現現場級和云端的遠程傳輸及存儲，同時能提供基于WEB端和移動端的數據訪問及管理服務。

3?農田水肥一體化系統設計

3.1?水肥一體化系統綜合設計

基于物聯網水肥一體化系統的設計內容共分為管道、施肥和智能控制器系統等基礎設施以及智能管理軟件集成系統兩大部分。

管道、施肥和智能控制器系統等基礎設施包括系統首部建設、給水管網建設和灌溉分區閥門控制設備建設三大部分，具體為系統首部泵站、過濾系統配置，田間灌溉給水管網走向，檢查井位置，給水設備（如蝶閥、空氣閥、泄水閥）等安裝位置，控制電纜鋪設走向，控制設備（如灌溉電磁閥、解碼器、田間控制站、防雷擊保護器）等安裝位置，中控設備及氣象站等設備的布置。田間電力線纜采用地埋形式，利用灌溉管路敷設所需的溝渠開展敷設工作。

系統首部作為系統動力源，由農田附近水庫或地下水中抽調輸送至田間的蓄水池中，為各種植區域提供灌溉用水;給水管網包含系統首部與各蓄水池間的水源輸送管路以及蓄水池與各灌溉區域間相互連接的輸水管網;灌溉分區依據耗水量與管路最大輸水量間損耗關系，由灌溉支管、灌溉噴頭等設施構成，形成合理灌溉分區布局。系統建成后，以環境采集信息為基礎，以控制器作為控制終端，依據作物的水肥需求模型開展自動化、智能化灌溉施肥決策。水肥一體化技術結構示意圖如圖4所示。

針對規農業水肥一體化生產的需求，建立實用、操作簡單的水肥灌溉管理體系。水肥軟件集成管理平臺以軟硬件有機結合開發而成，布設于田間數據管理中心服務器，通過該系統可實現遠程自動化水肥灌溉控制，在遠程控制界面對自動灌溉控制裝備進行系統配置、時間等參數設置，具有灌溉控制、輪灌組設置、異常報警、操作日志等功能，實現了用水管理和灌溉控制管理，提高田間綜合管理水平。

3.2?水肥一體化灌溉控制原理

水肥灌溉系統由軟件系統、系統首部、分路控制器、數據采集終端和電磁閥控制終端組成，通過與管網系統有機結合，可實現智能化監測、控制灌溉中的供水時間及供水量。

在進行水肥灌溉時由均勻部署在田間的土壤溫濕度傳感器采集終端的信息收集和反饋作為灌溉控制的基礎，根據作物最佳生長條件的土壤含水量，設定下限值和上限值，通過傳感器的采集傳輸至云平臺經過數據處理后在系統顯示界面以顏色的深淺表示含水量的多少，直觀地展示給用戶。當灌溉分區的土壤含水量達到設定的下限值時，傳感器把檢測到的信息發送到管理平臺，管理平臺發送指令到電磁閥，實現電磁閥的自動開啟，并控制水泵、施肥泵等設備進行灌溉工作;當檢測到土壤含水量經過預設灌水定額灌溉后到達設定的上限值時，自動關閉電磁閥，相關設備也停止運行[6]。同時在灌溉過程中可根據不同時間段設定不同分區的電磁閥工作順序，實現輪罐組的協調劃分，也可以根據田間環境實際狀況實現手動灌溉施肥工作。水肥自動灌溉示意圖如圖5所示。

在水肥自動灌溉系統程序設計時要根據不同作物或果樹的種類確定最佳的土壤含水量范圍，假設某一作物的最佳土壤含水量范圍為15%～20%，含水量變量為X，土壤傳感器標號為I，灌溉時間為D，水肥自動灌溉程序設計流程圖如圖6所示。當然用戶也可以通過云平臺界面隨時觀察農田含水量信息，進入灌溉施肥界面，手動設定灌溉時間參數和施肥時間參數進行灌溉施肥控制。

3.3?系統首部設計

系統首部是灌溉系統中的起點，通常作為灌溉管理中心，動力系統、過濾系統和施肥系統等設備在首部運行。

（1）灌溉首部增壓裝置：根據灌溉系統設計流量和揚程選擇合適的管道離心泵，同時配置變頻柜，對水泵采用恒壓控制。

（2）過濾系統：在灌溉系統中，進入系統的水必須經過過濾器進行凈化處理。水源為地下水或山泉水，統一匯入蓄水池，然后增壓進入管網。灌溉系統首部過濾器系統設計采用疊片式過濾器組（手動清洗）。同時建議地下水井泵安裝處安裝過濾系統，分為兩級過濾，第一級為離心分離器，第二級為網式自動反沖洗過濾器。

（3）施肥系統：考慮所施肥料為可溶性液態肥，設計采用比例施肥泵，它是一種靠水力驅動的施肥裝置，能夠按照設定的比例將肥料均勻的添加到水中，不受系統壓力和流量影響，實現施肥濃度控制。

（4）量控儀表與保護裝置：為保證灌溉系統正常運行，在首部樞紐需安裝各種控制，量測，保護裝置。量測控制設備包括壓力表，空氣閥，蝶閥等。

3.4?給水管網建設

給水管網系統通過蓄水池與管路將整個種植區域連接，構成給水管網。給水管網分別由水源中轉蓄水池、增壓水泵、過濾設備、水肥設備、管網工程及相關管線配件組成，各蓄水池依據農田地形高低適當選擇建設大、中、小三型蓄水池，將首部水源與各灌溉區域融為一體。

蓄水池可以安裝1套浮力補水裝置，結合首部水泵與各分區離心水泵提供動力，實現自動補水功能，構成各種植區域的水源調度工作;同時在蓄水池處各配備1套碟片過濾設備與1套比例施肥泵，用于液體肥料的水肥一體化工作與管路內雜質過濾，比例施肥泵利用水流吸力，按比例將混肥桶內肥液或藥液吸入灌溉管路，肥藥隨灌溉水按預設計量均勻滴入田間;蓄水池處建設1臺智能控制器作為灌溉工作啟閉指令控制終端，控制器可依據上位機軟件命令或本地人工指令開展灌溉操作，大幅減少人工勞動強度，起到節本增效目的，同時于各蓄水池處配套安裝1套超聲波流量計，用于監測各蓄水池灌溉用水量。

管網工程由主管、支管、毛管及相關管線附件構成，將灌溉用水源源不斷的輸送至目標灌溉區域。相關附件主要包括閘閥、球閥和噴頭等。

3.5?灌溉分區控制設備建設

閥門控制器是電磁閥控制的上端，用于接收云平臺系統指令控制電磁閥開啟和關閉的控制設備，一個閥門控制器可以控制多個電磁閥工作。電磁閥是水肥一體化系統的控制終端，實現肥水灌溉。閥門控制器系統示意圖如圖7所示。

灌溉分區的規劃主要依據農田地形和管路給水量而劃分合適的分區。每個灌溉分區安裝1套電磁閥用于灌溉指令執行機構，各電磁閥與閥門控制器間采用雙絞線連接，同時在分區進水閥門、電磁閥及泄水閥門位置各配套安裝1套閥門井，用于閥門手動控制及檢修。

3.6?水肥一體化軟件系統建設

水肥調控軟件布設于園區數據中心服務器，提供網頁版和APP版兩種類型的服務。軟件系統集成了農田環境智能監測和水肥灌溉控制兩大模塊，一方面，服務器通過各類型傳感器獲取農田土壤溫濕度、降雨量等信息，從而反映各灌溉區域當前的灌溉狀態;另一方面，通過智能控制器進行灌溉控制。此兩種功能的結合，實現了園區環境監測、用水調度、灌溉控制三方面的有機結合。系統將依據獲取的量化傳感器數據，比對作物生理生態模型和相關數據公式，對灌溉相關設備下達灌溉指令，實現用量有據、輪灌有序、區別配給的決策模式，實現了設施農業用水的智能管理。當園區管理人員計劃執行補肥措施時，操作人員將配比好的水溶性肥料放置于施肥罐中并開啟注肥裝置，肥液將依據灌溉計劃，定時定量的隨灌溉用水，一同均勻施于目標區域內。水肥藥調控軟件可以實現種植區域水肥環境監測、用水量監測、電磁閥及水泵手動、定時、智能灌溉控制、數據分析、數據查詢、操作記錄查詢等功能。水肥一體化軟件控制模型結構示意圖如圖8所示。水肥一體化軟件（手機端）示意圖如圖9所示。

4?討論

基于物聯網智慧農業的水肥一體化系統，采用計算機自動化技術、無線傳感網絡技術和云平臺服務技術等，通過均勻部署在農田各分區的智能無線網絡傳感器設備作為數據采集源，電磁閥作為控制終端。無線網絡傳感器在收集到農田的土壤含水量和降雨量等環境信息后，通過數據交換與數字化處理后通過ZigBee & LORA、4G/5G無線網絡、網關、有線網絡與廣域網的有效連接，傳輸到智慧農業云平臺，根據作物發育周期需水量、需肥特點和灌溉模型信息使用云計算對數據加工處理，依據處理結果通過控制系統對終端電磁閥進行調控，合理實現水肥定點定量灌溉，可以提高水肥利用率，改善土壤環境，降低勞動成本，推動農田的標準化生產，實現農田經濟效益和生態效益的同步增收。

物聯網智慧農業水肥一體化系統在作物的實際生產中雖然優勢明顯，但也要認識到系統的不足之處，主要有以下兩點：

（1）基于物聯網水肥一體化技術的運營成本投入較高，一般用戶難以支撐前期的建設投入和后期的養護管理。

（2）水肥一體化系統中傳感器采集設備的精度不夠高，對水肥灌溉的應用效果有一定影響，而高精度傳感器價格高，成本投入大，因此需要加大傳感器研究力度，開發出適應農業生產的高精度低成本傳感器。

近年來，隨著現代網絡技術、信息技術和現代制造工藝技術的發展，NBIoT（Narrow Band Internet of Things）窄帶物聯網新技術逐漸興起，應加快實現NBIoT新技術[7]在水肥一體化智慧農業中的研究建設，實現傳感器和控制器的聯動，使水肥一體化技術能適應更復雜的農田環境，降低成本投入，促進水肥一體化智慧農業的快速發展。

參考文獻：

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（責任編輯：柯文輝）