基于物聯網的水肥一體化系統設計與試驗*

張寶峰，陳梟，朱均超，康軍，潘威，趙巖

(1.天津理工大學電氣電子工程學院，天津市，300384; 2.天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津市，300384；3.天津一米田地科技有限公司，天津市，371200)

0 引言

水肥一體化是指液體肥料通過壓力管道注入到相應的灌溉水管中，噴灑至農作物或滴入農作物根部區域。隨著智能技術的發展，具有智能化灌溉施肥的現代設施農業已經成為必然趨勢，農作物生長過程中，肥液的濃度以及酸堿度起到關鍵作用，同時，農作物的生長環境因素對灌溉施肥有一定的指導作用。快速、準確、方便地獲取到農作物環境及肥液參數，并且精準控制施肥灌溉量，對生產力的提高有著重要的意義[1-4]。

國外研究水肥一體化技術起步較早，現代設施農業智能化水平較高，比如以色列Netafim灌溉施肥系列產品，可以實時采集土壤和配肥過程中的EC和pH值，并且將數據實時傳送至服務器，遠程監測作物生長環境信息。Goap等提出了智能算法，根據檢測的土壤和環境溫濕度、紫外線輻射值以及天氣預報參數使系統實現自動灌溉作業[3]。而國內研究起步較晚，石建飛等設計以PLC為控制器，采集水稻生長環境信息，通過觸摸屏或上位機進行參數設置手動或自動完成灌溉施肥。趙進等[4]設計基于物聯網和無線組網技術，實時采集環境及土壤墑情信息，并將數據發送至控制終端和網絡服務器，經過分析決策控制精準施肥。

本文設計了一種基于物聯網的水肥一體化系統，它不僅具有環境和施肥灌溉參數實時檢測，顯示和報警的功能，而且通過水肥一體化執行模塊閉環反饋控制水泵和閥門實現精準灌溉施肥，此外，通過數據傳輸單元將數據傳輸至監控平臺進行顯示和數據庫存儲，便于工作人員查看歷史數據并且分析，從而遠程監控系統工作[5]。

1 系統總體架構

系統采用物聯網架構，包括三個部分：采集控制層，負責各個參數的采集以及執行模塊的控制；網絡傳輸層，負責數據上傳；終端應用層，負責為用戶提供監控平臺[6]。系統的總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

采集控制層包括兩部分，一是以STM32單片機為核心的嵌入式處理器和采集空氣溫濕度、土壤溫度水分、CO2濃度和光照強度的傳感器構成的環境信息采集模塊；二是以西門子S7-200 SMART PLC為核心控制器和采集肥液EC、pH傳感器，管道壓力和流量的傳感器以及控制施肥灌溉量的水泵、電動球閥等執行器構成的水肥一體化執行模塊[7]。

網絡傳輸層核心是采用GPRS方式通信的遠程數據傳輸模塊DTU(Data Transfer Unit)，通過串口接收采集控制層的數據，并按照確定的通信協議傳輸到應用層。

終端應用層采用Java EE平臺開發服務器程序，以My SQL為數據中心，將接收到的監測數據持久化到數據中心，基于Bootstrap框架開發的系統界面，以Java語言開發的功能模塊，支持授權用戶通過電腦瀏覽器登陸系統，進行相應操作。該層提供實時數據監測、歷史數據查看、傳感器信息管理、用戶賬號信息管理、遠程監控等服務[8]。

2 系統硬件設計

2.1 環境信息采集模塊設計

環境信息采集模塊主要由STM32主控芯片、傳感器、電源電路、485電路組成。根據溫室內對植物生長影響顯著的因子分析，采集主要的環境因子有6個參數，分別是空氣溫濕度、土壤溫度水分、二氧化碳濃度和光照度；單片機通過485接口和串行接口，采集傳感器數據，數據經過單片機分析處理后，通過RS-485總線傳輸至西門子PLC中。

考慮到性價比，模塊中使用的傳感器為國產傳感器，其中空氣溫濕度傳感器輸出信號為數字信號，土壤溫度水分、二氧化碳濃度、光照度傳感器的輸出信號為485信號，采用標準ModBus-RTU通信協議[9]。傳感器的參數如表1所示。

表1 環境信息采集模塊傳感器參數

485通信電路的芯片是ADM2483，用于傳感器與STM32單片機通信，以及單片機與PLC數據通信。485通信電路采用由于傳感器的輸出信號為485信號，電路原理圖如圖2所示，模塊共設置了4組485電路，其中3路用于采集傳感器數據，1路用于單片機和PLC通信。按照功能需求繪制并加工印制電路板如圖3所示。

圖2 RS-485通信電路圖

圖3 環境信息采集模塊電路板圖和實物連接圖

2.2 水肥一體化執行模塊設計

水肥一體化執行模塊由西門子S7-200SMART、傳感器、執行器、HMI觸摸屏組成。模塊結構圖如圖4所示。該模塊采用壓力傳感器和流量計檢測模塊管路中實時壓力和流量，采用EC傳感器和pH傳感器檢測模塊工作時水肥混合液的電導率和酸堿度；采用西門子S7-200SMART采集傳感器數據、接收環境信息采集模塊數據，控制執行器工作狀態，以及與HMI觸摸屏通信；執行器包括水泵、變頻器、電動調節球閥；HMI觸摸屏可以查看模塊的工作狀態、實時數據，以及可以手動操作模塊，改變執行器工作狀態，最后，執行模塊將數據打包后通過RS-485總線發送給DTU模塊，DTU模塊通過GPRS通信方式將數據上傳至網絡服務器中，并且在數據庫中進行存儲[10]。

圖4 水肥一體化執行模塊結構圖

該模塊利用文丘里管的特性設計了3通道吸肥的水肥一體機如圖5所示，它主要由混肥管路與施肥管路2部分組成：混肥管路中，2路是吸肥通道，母液分為A、B兩種；1路為酸液通道。文丘里管的吸肥量隨著進出口壓力差的增大而增大，通過壓力傳感器檢測壓力，通過流量計檢測進口和吸肥口流量，PLC通過控制變頻器改變水泵轉速從而改變進口壓力，通過調節電動球閥的開度改變進口和吸肥口流量[11]。

圖5 水肥一體化執行模塊簡圖

根據灌溉施肥的需求，傳感器檢測水肥混合液的EC值和pH值，EC值的正常范圍在0.4～4 mS/cm之間。pH正常范圍為5.4～7之間。本模塊選用DDM-202在線電導率傳感器和PHG-206在線pH傳感器。傳感器選型參數如表2所示。

表2 水肥一體化執行模塊傳感器參數

執行器包括電動球閥、水泵以及文丘里吸肥器。水泵采用管道泵，額定揚程45 m，額定流量4 m3/h，額定功率1.5 kW。吸肥器采用市面上的進出口外徑為32 mm，吸肥量在230～530 L/h的文丘里吸肥器。電動球閥采用UPVC材質，額定電壓為直流24 V，輸入信號為4～20 mA，工作壓力在0.01～0.6 MPa，進出口直徑為32 mm[12]。

HMI觸摸屏通過以太網與PLC通信，為用戶提供水肥一體化參數設置界面和系統動態監控界面，用戶能夠通過觸摸屏設定工作參數，監控執行器的工作狀態以及傳感器的數據信息[13]。人機交互界面如圖6所示。

圖6 人機交互界面

3 系統軟件設計

3.1 環境信息采集模塊軟件設計

該程序包括模塊初始化，環境數據采集，串口通信、中斷等子程序。模塊初始化之后，單片機通過RS-485端口依次采集環境溫濕度、土壤溫度水分、CO2濃度和光照度，數據通過ModBus協議與PLC通信，按照10 s的上傳間隔傳輸。程序流程圖如圖7所示。

圖7 環境信息采集模塊流程圖

3.2 水肥一體化執行模塊軟件設計

該程序包括數據轉換、DTU通信、中斷等子程序。當模塊上電后，通過觸摸屏設定好灌溉施肥的時間和流量，到達預定時間時，模塊開始工作，啟動水泵和打開電動球閥，傳感器實時檢測管道中的EC值和pH值，當到達預設濃度時，執行器通過傳統PID調節電動球閥的開度，直到工作時間或者流量到達預設值為止。模塊工作時，按照20 s的時間間隔將工作數據以及單片機數據通過DTU傳輸至監控平臺。程序流程圖如圖8所示。

圖8 水肥一體化執行模塊流程圖

3.3 數據庫設計

數據庫設計包括數據庫概念結構設計和邏輯結構設計兩部分，概念結構設計是確定系統的實體，包含的屬性以及實體之間的聯系，采用E-R實體-聯系模型表示；邏輯結構設計是將概念模型映射到具體的數據庫中[14]。比如環境數據表如表3所示。

表3 環境數據表

3.4 監控平臺設計

監控平臺采用B/S即瀏覽器/服務器模式設計，該模式分為三層結構，分別是表示層、應用層和數據存儲層[15]。表示層是通過瀏覽器展示實時數據、設備狀態和傳感器信息等，應用層是用戶通過表示層發送的HTTP請求類型執行相應的邏輯操作；數據存儲層是將數據持久化存儲，并且將數據處理結果返回到應用層。監控平臺界面如圖9所示。

圖9 監控平臺界面

4 系統測試

該系統在壽光市節能型日光溫室中實施運行，現場安裝運行如圖10所示，系統根據用戶的需求，可以進行現場控制和遠程控制，現場控制用戶可以通過觸摸屏進行參數設置，設定施肥濃度和酸堿度，遠程控制是用戶通過網頁或者手機端平臺界面完成，可以實現數據監測，歷史數據查詢，遠程設備控制等如圖11所示。

圖10 現場安裝實物圖

圖11 遠程控制端界面

系統測試過程中，用戶現場使用觸摸屏完成參數預設工作，操作靈活方便，系統工作時，數據采集快速且準確，DTU通信正常，數據按照指定周期20 s上傳至網絡服務器，網絡服務器接收數據正常，數據庫保存完整數據，并且監控平臺界面簡潔易看，提供多種形式的數據顯示和查詢，操作簡單[16]。系統根據實時數據分析，準確發送控制指令，執行器快速響應，完成用戶所設定的施肥灌溉需求。表4選自監控平臺的歷史數據，選取8點至17點每隔1 h的連續9 h的環境的數據，經過數據分析，傳感器工作穩定，符合環境變化規律，并且采用手持式數字環境溫濕度計作為標準溫濕度計采集同一時間數據，采集的值作為標準值與系統測試值對比，傳感器采集數據準確，在允許的誤差范圍內。以空氣溫濕度為例如表5所示。

表4 環境參數的數據

表5 傳感器值與標準值的對比

根據歷史數據，將混合液的EC值數據做成趨勢曲線，如圖12所示，通過曲線看出，在140 s左右，施肥濃度達到設定濃度，在100 s附近出現最大值，最大超調量約為6.8%；進入穩態后，水肥溶液濃度EC值出現一定的波動，這是因為電動球閥在調節過程中存在慣性導致的[17]，在波動允許范圍內，最大絕對誤差為0.5 mS/cm。

圖12 施肥過程EC值變化曲線

系統于壽光日光溫室實地測試至今未發生異常，工作狀態良好，觸摸屏界面和遠程操作界面操作簡單，傳感器能夠按照周期準確采集數據，數據經過控制器分析處理后，自動快速準確地控制執行器完成灌溉施肥工作，DTU與云服務器通信正常，數據庫完整保存數據，方便用戶查詢歷史數據。

5 結論

1)基于物聯網的水肥一體化系統，采用以數據為核心的物聯網架構，通過多種傳感器采集溫室環境數據，通過GPRS通信方式實現數據的遠距離傳輸，通過網絡服務器和數據庫實現數據的處理和存儲，實現了傳感器、通信和計算機、智能控制等多技術融合，提高了系統的集成度。

2)系統以傳感器采集的空氣溫濕度、土壤溫度水分、混合液EC值和pH值作為反饋量輸入，以水肥一體化執行模塊的水泵和電動球閥作為執行元件，實時精準調節配肥電導率和酸堿度，提高配比精度，水肥配比濃度最大絕對誤差為0.5 mS/cm，符合系統設計要求。

3)系統具有人機觸摸屏控制顯示以及監控平臺遠程監控等功能，通過觸摸屏預設灌溉施肥方案決策或者監控平臺遠程操作，方便用戶控制管理，減少作物種植的人力投入和成本，在現代設施農業中具有一定的實用性。