基于互聯網的水肥一體化精量控制系統

秦磊磊 王富軍 胡樹冉 趙慶柱

摘 要：針對傳統農業水肥一體化落后問題，文中結合自主研發的農業信息測控平臺，設計一種基于互聯網的水肥一體化精量控制系統。該控制系統不僅支持遠程/本地控制，數據采集、處理、轉發、顯示，執行功能，而且使用環境多樣、支持“智農云寶”測控終端類型、支持遠程/本地控制。試驗表明，該控制系統可靠性高、控制響應速度快，可應用于果園，大棚，大田等多種領域。

關鍵詞：水肥一體化系統;互聯網;ARM;PLC;農業信息;精量控制

0 引 言

水肥一體化技術也稱為灌溉技術，是將灌溉和施肥融為一體的農業新技術，是精確施肥與精確灌溉相結合的產物。它是借助壓力系統或者地形自然落差，根據土壤養分含量和作物種類的需肥規律與特點，將可溶性固體活液體肥料配置成的肥液，與灌溉水一起，通過可控管道系統均勻，準確的輸送到作物根本土壤，浸潤作物根系發育生長區域，使主根根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量。

我國是一個水資源匱乏的國家，水資源總量占世界第6位，人均淡水資源占有量位為世界第109位，而且在地區分布上極為不均勻。與此同時，我國雨水的季節性分布不均，大部分地區年內夏秋季節連續4個月降水量占全年的70%以上。農業用水效率低不僅制約著現代農業的發展，也限制著經濟社會的發展。

隨著農業物聯網技術的發展，信息化與農業生產的融合，推動了水肥一體化技術的發展，為水肥一體化技術的發展提供了前所未有的機遇。遠程精準控制水肥機是現代化水肥一體化技術的典型應用案例，在普通水肥機的基礎上，將互聯網加技術應用到水肥一體化技術中，通過安裝大量傳感器節點構成監測網絡，實現了對空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤水分等環境因子的自動監測與控制，根據各種參數，引入大數據判斷分析和自動控制算法，對水肥機實現遠程自動和手動精準控制，同時，還可以在觸摸屏進行本地控制。

目前，國內的水肥一體化技術有以下幾個缺點。一個是技術含量較低，通常采用的水肥一體化技術就是手動按鈕或者開關直接控制電機，對于水肥的流量時間全憑借人工判斷，沒有顯示部件，人工判斷全憑經驗。針對該情況，本文引入了工業級觸摸屏技術和流量傳感器，可以在觸摸屏上對所有電機統一操作，水肥機運行時間，流量一眼就可以知道。與此同時，該系統還可以對田地間不同區域進行單獨管理，每個區域澆水，施肥多長時間，均有記錄。做到水肥一體化技術的數據化，操作的人性化。另一方面，國內同行的水肥一體機設計，普遍還停留在單機操作水平，沒有和物聯網，互聯網技術掛鉤。操作人員要進行操作，還是要走到水肥機跟前，一步步操作，無法實現遠程操作。本系統引入了遠程操作，在電腦客戶端，手機客戶端均可以實現水肥機的遠程操作。還可以根據需要，查詢澆灌流量，澆灌時間。與此同時，在云平臺，還可以通過數據采集節點得到的數據，經過大數據分析判斷，進行模式識別，進行自動的水肥操作。

因此，本文基于互聯網的水肥一體化精準控制設備填補了目前國內水肥一體化技術的空白，是對物聯網技術和互聯網加技術在農業上的一種新的嘗試。該系統解決了傳統農業的澆灌，施肥系統效率比較低，占用人工多，成本高，而且澆水，施肥大量平均經驗，數據的歸納整理不夠科學，導致農產品生產效益低、水資源浪費嚴重等問題，實現了不靠經驗靠數據，不靠人工靠機器的轉變。

1 水肥一體化系統總體設計

本文設計的水肥一體化系統拓撲結構如圖1所示。

該系統是一種基于互聯網的遠程精準控制水肥一體化系統，主要包括主控制器、網關、觸摸屏模塊，本地控制設備，數據采集節點和遠程控制節點等。

主控制器包括西門子PLC SMART200 SR20以及配套的模擬量輸入和輸出模塊AM03，主要負責數據的采集，比如流量的計算、液位的計算與自動控制、時間的計算、電機的控制和電磁閥的控制。接收并解析來自網關、觸摸屏傳來的數據信息，并通過數據信息對本地控制設備進行直接控制，對遠程控制節點進行遠程控制。

水肥一體化網關節點（下文簡稱網關節點）作為該測控系統的重要一環，直接影響著系統的穩定。本文所描述的網關節點具有以下特點：網關節點可通過RS 485通信線獲取傳感器節點的數據，并可自動識別傳感器節點的數據類型，對果園的溫濕度、光照、二氧化碳等參數進行采集和手機客戶端，網頁端的顯示;網關節點還可以對遠程控制節點進行控制，打開或關閉電磁閥，從而對施肥和灌溉進行通斷操作。同時還可以對各個地塊的澆水施肥進行流量統計。網關節點還負責RS 485協議和互聯網協議間的轉換，將互聯網平臺通過網線發下來的命令通過單片機轉換成RS 485串口數據提供給主控制器，也將主控制器的串口數據通過單片機轉換成TCP/IP協議發給互聯網平臺。

本系統觸摸屏選用北京昆侖通態的液晶屏，型號TPC7062Ti。本地控制設備包括水泵，變頻器，攪拌電機。數據采集節點包括：空氣溫度、濕度采集節點，CO2濃度采集節點、光照強度采集節點、土壤溫度采集節點和土壤含水量采集節點。遠程控制節點包括遠程采控器，一個流量計和電磁閥。遠程采控器可以用RS 485接收網關和觸摸屏廣播的數據，根據地址和功能碼的不同，不同的模塊進行接收后，相應模塊對電磁閥進行開關控制。采空器還可以用流量計采集流量信息，將流量采集后進行上傳。

2 硬件設計

2.1 網關

網關是一個PCB主板，該主板由主控CPU模塊、RS 485數據采集傳輸模塊、以太網遠程通信模塊、電源供電模塊四部分組成。主控CPU采用ARM Cortex-M3 CPU 32位內核的STM32F103處理器，RS 485數據采集模塊實現通過RS 485總線傳輸采集指令、接收采集數據;以太網通信模塊實現將采集的數據通過網絡上傳至平臺;電源模塊為各個模塊供電，以滿足系統對電源的需求。

2.2 觸摸屏

觸摸屏采用北京昆侖通態的液晶屏，型號TPC7062TI。TPC7062TI是一套以先進的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產品采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096）。同時還預裝了MCGS嵌入式組態軟件（運行版），具備強大的圖像顯示和數據處理功能。同時，該觸摸屏擁有3路RS 485 UART通信模塊。

2.3 電源模塊

網關內部使用多種電壓類型，核心板供電使用5 V供電，7寸觸摸屏使用24 V模擬電壓，傳感器采用12 V供電。為適應網關硬件電路的需求，采用LM2576降壓開關型集成穩壓電路，可輸出5～40 V電壓，輸出電壓可調，能夠滿足系統對電源的需求。

2.4 主控制器

主控制器采用西門子Smart200，PLC全名可編程邏輯控制器，基本指令處理時間可達到0.15 μs，支持3路高速脈沖輸入和3路高速脈沖輸出，有一個網口和一個串口，支持Modbus TCP協議和西門子PPI協議，Modbus RTU協議。可擴展多路數字量輸入/輸出，模擬量輸入/輸出模塊。支持0～10 V電壓輸出，4～20 mA電流輸出等信號輸出。

2.5 數據采集節點

數據采集節點主要包括各種傳感器和配套的供電模塊。傳感器采用威海精訊暢通提供的溫濕度，光照傳感器，土壤水分傳感器等。傳感器采用標準Modbus RTU通信，具有量程大，測量精確等特點。

2.6 遠程控制節點

遠程控制節點采用STM32處理器芯片，采用中江紅電磁閥進行通斷控制，擁有流量統計，遠程操作的功能。

3 水肥一體化系統軟件設計

水肥一體化程序設計，包括觸摸屏程序設計、PLC程序設計、網關程序設計和終端控制節點程序設計等。

3.1 人機交互界面開發

為了便于本地查看數據，以及本地進行控制，查看本地傳感器數據，對各個采集節點和控制節點的數量、設置上傳頻率與設備屬性進行配置，開發了觸摸屏人機交互界面程序。人機交互界面程序采用昆侖通態MCGS編程軟件進行開發并在開機后自動運行，界面如圖2所示。

3.2 主控制器PLC程序

PLC通過輪詢方式獲取每個傳感器節點的數據。獲取數據時，網關首先按照協議將每一個要尋址的節點地址組包，然后將數據包通過UART1發送給STM32星狀網的中心節點進行尋址，被尋址的節點按原路徑回饋當前數據信息。控制節點采用UART進行控制，對水泵，攪拌電機，變頻器，進行繼電器控制，對終端控制節點通過RS 485通信進行控制。

3.3 網關程序

網關程序采集的數據按照傳感器節點上報通信協議解包。對數據的處理包括：解析包中參數的個數及類型，并組成顯示包更新到人機交互界面的顯示界面中;存儲傳感器節點上傳的最新數據，供上報服務器使用。根據服務器的各種控制指令，進行遠程控制。

3.4 遠程控制節點程序

遠程控制節點采用STM32處理器芯片，軟件使用C語言進行編寫，包括流量的采集，RS 485控制通信協議的接受和返回。

4 水肥一體化實地測試

項目在濟南市章丘區潤源眾禾農場進行了測試，測試效果可以有效實現水肥的控制，能夠實現精確配比，精準施肥。本文設計的水肥一體化系統實物如圖3所示。

5 結 語

本文采用STM32處理器，PLC實現了農業水肥一體化的設計。在章丘潤源眾禾的使用表明，該系統可實現水肥一體化數據采集，且性能穩定、控制響應速度快。今后將結合服務器通過分析網關節點提供的數據制定的控制策略對現場水肥灌溉進行控制，將更有利于提高農業生產的智能化程度。

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