水肥一體化智能灌溉系統組成與設計

王文婷，翟國亮，郭二旺，蔡九茂，溫季

(1.焦作市抗旱防汛通訊站，河南 焦作 454150；2.水利部農田灌溉研究所，河南 新鄉 453000； 3.焦作市水利勘測設計院，河南 焦作 454150)

0 引言

21世紀水資源變成一種寶貴的稀缺資源，水資源問題已不僅僅是資源問題，更是關系到國家經濟、社會可持續發展和長治久安的重大戰略問題。采用高效的智能化節水灌溉技術不但能夠有效緩解用水壓力，同時也是發展精細農業和實現現代化農業的要求。基于物聯網技術的智能化灌溉系統可實現灌溉的智能化管理。

1 水肥一體化智能灌溉系統概述

基于物聯網的智能化灌溉系統，涉及傳感器技術、自動控制技術、數據分析和處理技術、網絡和無線通信技術等關鍵技術，是一種應用潛力廣闊的現代農業設備。該系統通過土壤墑情監測站實時監測土壤含水量數據，結合示范區的實際情況(如：灌溉面積、地理條件、種植作物種類的分布、灌溉管網的鋪設等)對傳感數據進行分析處理，依據傳感數據設置灌溉閾值，進而通過自動、定時或手動等不同方式實現水肥一體化智能灌溉。中心站管理員可通過電腦或智能移動終端設備，登錄系統監控界面，實時監測示范區內作物生長情況，并遠程控制灌溉設備(如固定式噴灌機等)。

基于物聯網的智能化灌溉系統，能夠實現示范區的精準和智能灌溉，可以提高水資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，增加作物產量，降低作物成本，節省人力資源，優化管理結構。

2 水肥一體化智能灌溉系統設計

2.1 水肥一體化智能灌溉系統總體設計目標

灌溉智能化系統實現對土壤含水量的實時采集，并以動態圖形的形式在管理界面上顯示。系統依據示范區內灌溉管道的布設情況及固定式噴灌機的安裝位置，預先設置相應的灌溉模式(包含自動模式、手動模式、定時模式等)，進而通過對實時采集的土壤含水量值和歷史數據的分析處理，實現智能化控制。系統能夠記錄各個區域每次灌溉的時間、灌溉的周期和土壤含水量的變化，有歷史曲線對比功能，并可向系統錄入各區域內作物的配肥情況、長勢、農藥的噴灑情況以及作物產量等信息。系統可通過管理員系統分配使用權限，對不同的用戶開放不同的功能，包括數據查詢、遠程查看、參數設置、設備控制和產品信息錄入等功能。

2.2 水肥一體化智能灌溉系統架構

系統布設土壤墑情監測站、遠程設備控制系統、智能網關和攝像頭等設備，實現對示范區內傳感數據的采集和灌溉設備控制功能；示范區現場通過2G/3G網絡和光纖實現與數據平臺的通信；數據平臺主要實現環境數據采集、閾值報警、歷史數據記錄、遠程控制、控制設備狀態顯示等功能；數據平臺進一步通過互聯網實現與遠程終端的數據傳輸；遠程終端實現用戶對示范區的遠程監控。

依據灌溉設備以及灌溉管道的布設和區域的劃分，布設核心控制器節點，通過ZigBee網絡形成一個小型的局域網，通過GPRS實現設備定位，然后再通過嵌入式智能網關連接到2G/3G網絡的基站，進而將數據傳輸到服務器；攝像頭視頻通過光纖傳輸至服務器；服務器通過互聯網實現與遠程終端的數據傳輸。

2.3 水肥一體化智能灌溉系統組成

2.3.1 作物生長環境監測系統

作物生長環境監測系統主要為土壤墑情監測系統(土壤含水量監測系統)。土壤墑情監測系統是根據示范區的面積、地形及種植作物的種類，配備數量不等的土壤水分傳感器，以采集示范區內土壤含水量，將采集到的數據進行分析處理，并通過嵌入式智能網關發送到服務器。示范區用戶根據種植作物的實際需求，以采集到的土壤墑情(土壤含水量)參數為依據實現智能化灌溉。通過無線網絡傳輸數據，在滿足網絡通信距離的范圍內，用戶可根據需要調整采集器的位置。

2.3.2 遠程設備控制系統

遠程設備控制系統實現對固定式噴灌機以及水肥一體化基礎設施的遠程控制。預先設置噴灌機開閉的閾值，根據實時采集到的土壤含水量數據，生成自動控制指令，實現自動化灌溉功能。也可通過手動或者定時等不同的模式實現噴灌機的遠程控制。此外，系統能夠實時檢測噴灌機的開閉狀態。

2.3.3 視頻監測系統

視頻監測系統實現對示范區關鍵部位的可視化監測，根據示范區的布局安置高清攝像頭，一般安裝在作物的種植區內和固定式噴灌機的附近，視頻數據通過光纖傳輸至監控界面，園區管理者可通過實時的視頻，查看作物生長狀態及灌溉效果。

2.3.4 通信系統

如果域范圍往往比較廣闊，地形復雜，有線通信難度較大。本系統擬采用ZigBee網絡實現示范區內的通信。ZigBee網絡可以自主實現自組網、多跳、就近識別等功能，該網絡的可靠性好，當現場的某個節點出現問題時，其余的節點會自動尋找其他的最優路徑，不會影響系統的通信鏈路。

ZigBee通信模塊轉發的數據最終匯集于中心節點，進行數據的打包壓縮，然后通過嵌入式智能網關發送到服務器。

2.3.5 用戶管理系統

用戶可通過個人計算機和手持移動設備，通過Web瀏覽器登錄用戶管理系統。不同的用戶權限等級不同，高級管理員一般為示范區相關主要負責人，具有查看信息、對比歷史數據、配置系統參數、控制設備等權限；一般管理員為種植管理員，采購和銷售人員等，具有查看數據信息、控制設備、記錄作物配肥信息和出入庫管理等權限；訪問者為產品消費者和政府人員等，具有查看產品生長信息、園區作物生長狀況等權限。用戶管理系統安裝在園區的管理中心，具體設施包括用戶管理系統操作平臺和可供實時查看示范區作物生長情況。

2.4 水肥一體化智能灌溉系統功能

智能化灌溉系統中施肥機控制系統是實現水肥精準控制的核心組成部分。灌溉控制和施肥控制均通過施肥機進行控制，通過泵房內施肥機觸摸屏操控界面，就以控制田間電磁閥開閉、遠程控制水泵補水、控制施肥電磁閥啟動施肥程序、采集田間氣象和墑情信息。因此要重點進行施肥機軟件和硬件設計選型。集灌溉、施肥和數據采集于一體，田間灌溉和施肥控制都是通過施肥機觸摸屏設置，管網運行參數、肥液EC/PH值、田間閥門運行情況、氣象站和土壤信息能夠實時展示在軟件界面上，可以指導管理決策。同時，施肥機能夠對田間灌溉控制閥門進行控制，控制模式有手動和自動兩種，可以隨時手動啟動田間某個灌溉閥門，也可以在施肥機界面上設定好輪灌程序，使田間閥門按照輪灌程序自動灌溉和施肥。

2.5 水肥一體化智能灌溉系統特點

系統采用了擴展性的設計思路，在設計架構上注重考慮系統的穩定性和可靠性。整個系統由多組網關及ZigBee自組織網絡單元組成，每個網關作為一個ZigBee局域網絡的網絡中心，該網絡中包含多個節點，每一個節點由土壤水分采集儀或遠程設備控制器組成，分別連接土壤水分傳感器和固定式噴灌機。并可根據用戶的需求，在保留原有系統結構的前提下，實現對整個系統的擴容。

2.6 水肥一體化智能灌溉系統設計

2.6.1 系統布局

由于本系統的通信子模塊采用具有結構靈活、自組網絡、就近識別等特點的ZigBee無線局域網絡，對于土壤濕度傳感器的控制器節點的布設相對靈活。根據園區種植作物種類的不同及各種作物對土壤含水量需求的不同，布設土壤濕度傳感器；根據園區內鋪設的灌溉管道、固定式噴灌機位置及作物的分時段、分區域供水需要安裝遠程控制器設備(每套遠程控制器設備包括核心控制器、無線通信模塊、若干個控制器擴展模組及其安裝配件)，每套控制器設備依據就近原則安裝在固定式噴灌機旁，實現示范區灌溉的遠程智能控制功能；此外，通過控制設備自動檢測固定式噴灌機開閉狀態信號及視頻信號，遠程查看實時掌握灌溉設備的開閉狀態。

在項目的實施中，根據示范區的具體情況(包括地理位置、地理環境、作物分布、區域劃分等)安裝墑情監測站。遠程控制設備后期需要安裝在灌溉設備的控制柜旁，通過引線的方式實現對噴灌機包括水肥一體化基礎設施的遠程控制。

2.6.2 網絡布局

土壤墑情監測設備和遠程控制器設備分別內置ZigBee模塊和GPRS模塊，都作為通信網絡的節點。嵌入式智能網關是一定區域內的ZigBee網絡的中心節點，共同組成一個小型的局域網絡，實現園區相應區域的網絡通信，并通過2G/3G網絡實現與服務器的數據傳輸。

該系統均采用無線傳輸的通信方式，包括ZigBee網絡傳輸及GPRS模塊定位。由于現場地勢平坦，無高大建筑物或其他東西遮擋，因此具備無線傳輸的條件。