基于物聯網技術的水肥一體化智能灌溉系統設計

張守艷，宗峰

（1.山東英才學院工學院，山東濟南，250104；2.濟南幼兒師范高等專科學校，山東濟南，250307）

0 引言

自古以來，我國就是一個以農業為主的大國。農業是我國最具主導地位的基礎產業,并且水資源與農業的關系是密不可分的。我國本來就是一個水資源短缺的國家,另外還有在生活用水，農業用水上存在一些浪費，使得水資源更加短缺,像現在農業生產灌溉基本都是大水漫灌。導致農業生產資源的缺乏,使農業的綠色可持續發展成為了不可實現的概念。傳統型農業，在生產上已經造成水資源，肥資源等的嚴重浪費，使本來不富裕的資源更少。水肥資源的嚴重浪費的已經對新時代的綠色可持續發展構成威脅。在新時代當中，號召農業領域的工作者，與政府合作，發展水肥一體化農業，增加了水肥資源的利用率、減輕了國家對水肥資源緊缺的負擔、增強對生態環境的保護，將原有的傳統農業轉化為現代的新型農業。基于物聯網技術的水肥一體化智能灌溉系統，該系統不僅能夠節約水資源,減少化肥施用量,降低生產成本,還能提升果品質量,增加果農收益,同時減輕環境污染。并且可改善原有的傳統灌溉方式，節約水資源，解決勞動力短缺，土壤板結等問題。在多年的實驗田實驗，水肥一體化，無論在解決水肥資源嚴重短缺的問題，還是在突發旱災的嚴重情況下，農作物可以正常的生產甚至增產，在產量上完全不亞于正常的傳統灌溉方式。在一定程度上調節了水肥資源的平衡并解決了農業環境污染問題，大大的提高了糧食生產能力，對國家糧食安全有了重要保證，為實現綠色可持續發展奠定了一定的基礎。

1 國內外研究現狀和發展動態

20世紀60年代初隨著塑料工業的發展，以色列開始發展滴灌。60年代末開始應用水肥一體化技術。目前，以色列在果園、溫室、大田、綠化等方面已全面應用此項技術，應用面積占灌溉面積的67 9%，居世界之首。從世界范圍看，水肥一體化技術廣 泛應用于干早缺水以及經濟發達的國家[1]。經濟水平的不斷提高，我國科技業正在迅速的發展，另外我國現代化農業也正在迅速穩步地推進，我國農業的發展不論是從種植到收獲的現代化、還是農業生產的機械化、現代化農業程度都越來越高。傳統的種植方式逐漸被現代種植方式所取代，是農業生產更加智能化。無論從水資源還是從勞動力來說，水肥一體化具有很多好處并且具有較好的發展前景。據了解,我國水資源總量的80%是用于農業用水,并且農業用水的十分之九由于農業灌溉，而且2051年中國老齡人口達到最大值，但是2030年是中國老齡化最嚴峻的時期。水肥一體化在一定程度上解決其兩大問題。

2 研究內容

本設計主要包括智能監測模塊、智能控制系統模塊、信息匯總以及信息傳輸三部分。

（1）智能監測：智能監測這一部分主要是通過氣象環境監測系統對溫度、濕度、集雨量進行檢測、使用遠程監控對作物進行實時監控、能效監測系統每月使用的電能來更好的計算電能使用率使益最大化。

（2）智能控制系統：這部分包括智能施肥系統和智能灌溉系統，該部分是將傳感器采集到的信息反饋到信息中心，然后通過信息中心以信號的形式發送給控制系統最終通過ZigBee傳輸到終端，用戶根據反饋到的信息對農作物進行施肥和灌溉。

（3）信息匯總以及信息傳輸：信息的傳輸主要采用ZigBee無線通信技術可以大大的提高了信息傳輸速率，該系統采用ZigBee無線通信技術主要是用于傳感器采集的信息與信息平臺之間的傳輸、控制器與信息中心的傳輸、最終都匯總到信息中心, 然后有信息中心發送到終端。

3 系統整體設計

整個系統包括監測、智能施肥灌溉兩個系統，監測系統包括遠程壓力、流量監測，農田氣象環境監測，遠程視頻監控監測，能效檢測。智能施肥灌溉包括土壤濕度、PH、EC值等監測和自動施肥灌溉。系統結構如圖1所示。

圖1 系統總體架構及組成

3.1 水肥一體機模塊設計

該模塊分為控制和灌溉兩部分，通過控制器將水肥一體機，水源，農作物三個模塊進行一體化管理。該模塊主要是對整體結構的設計，是系統更合理。其中控制部分由cc2530單片機、ZigBee無線傳輸、電磁閥門、以及土壤濕度，空氣溫濕度，液位檢測傳感器組成。水肥一體化部分由水泵、電磁閥門、過濾器、混肥池、攪拌器、文丘里吸肥器以及農田灌溉管道網。如水肥一體機結構圖2所示。

圖2 水肥一體機模塊結構圖

水肥一體自動化灌溉是根據具有控制功能的語言設計，就是用戶根據作物的在某一生長時期作物的水肥需求設置灌溉施肥量，對其進行語言設計達到自動灌溉的效果，也可以人為進行干預，由于農作物各個時期生長所需水肥不同，還有在節水節肥灌溉的情況下判斷農作物是否存在“吃不飽，喝不夠”的情況下。當信息中心對控制器發送控制指令，該控制指令將通過ZigBee無線傳輸模塊發送給cc2530單片機，當單片機接收到信息時，單片機對灌溉區以及混肥池的電磁閥門和其他硬件進行控制，實現水肥一體化灌溉，從而達到預期效果。水肥一體機自動化灌溉是否開啟是根據最初在控制器中設定好的該種農作物對水肥在某一時期對各種水肥的最適值，當系統中反饋來的信息與最初設定好的最適值不符時，電磁閥門就會由控制器進行控制，對農作物實現自動灌溉。人為干預就是根據區域環境數據監測采集設備采集的土壤空氣溫濕度、光照度光強度、CO2濃度等各種自然環境數據，當下田間土壤溫度濕度數據，參考依據《微灌工程技術規范》、灌溉預報技術以及作物不同發育期的需肥量等標準，在“節水減肥”條件下，綜合判斷出作物是否受旱，并分析出作物合理的需水需肥量以及作物最佳灌溉時間[2]。水肥一體機中采用多個液態肥池、一個混肥池和灌溉管道網，來保證農作物的正常生長。當施肥機工作時，系統會根據提前設定的標準，控制對應肥池的電磁閥門進行混肥，通過文丘里吸肥器灌溉管道對農作物進行灌溉，實現農作物的施肥灌溉。水肥一體機施肥系統結構如圖2所示。

3.2 監測模塊設計

主要由空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、水位監測傳感器等多種功能不同的傳感器進行信息采集，通過控制器對多種傳感器進行控制，并利用ZigBee傳輸技術將采集的信息通過WIFI網關傳到服務器，直接反饋到app。該模塊重點在于信息的采集，由于農田環境，為保證成本和正常工作，應選擇一些具備低能耗，具有較強的抗腐蝕性和抗干擾能力以及抗損耗能力、穩定性猶質等特性的傳感器，也為了長期穩定的數據采集。通過對農作物生態環境，土壤取樣，農作物適應的環境進行分析，選取了幾項監測成分，其中有空氣與土壤中的溫濕度、土壤EC和PH。

4 硬件設計

4.1 ZigBee模塊

ZigBee是一項新型的無線通信技術，適用于傳輸范圍短數據傳輸速率低的一系列電子元器件設備之間[3]。

ZigBee無線通信技術遵循專業的無線標準，能夠在數百、數千個微小傳感器之間進行通信，并達成相互協調通信。ZigBee無線通信技術可以用于本地信息通信和自動化等，可以不用計算機和計算機之間的電纜等，也能實現無線組網，它既可以相互通信，也可以接入因特網。其又是主要表現在（1）低功耗：工作周期短、功耗較低；（2）成本低：模塊價格低廉，并且ZigBee是免費使用的；（3）可靠：ZigBee技術使用了一種避免碰撞預防機制，有效地避免了競爭沖突，同時保留了需要固定寬帶的專用時間。（4）節點通信設置較容易；（5）網絡容量大：ZigBee可以采用星形、網狀、樹狀結構組網，可以根據任意節點組成更大的網絡結構。其可以有64000個可連接的節點。一片區域內可以同時存在100多個zigbee網絡并且每一個可以容納200多個從設備和1個主設備。

4.2 控制器

為了實現對采集信息的傳感器進行控制，正常高效進行工作，還有系統ZigBee的選用。采用cc2530單片機作為控制器，不僅可以更好地與ZigBee協議進行合作，還可以控制監測模塊的各種傳感器以及電磁閥門，可以實現對環境監測部分的信息進行采集從而達到控制器的作用。還與ZigBee模塊協作將信息傳到云端。采用cc2530單片機有以下原因：（1）它具有很強的接收靈敏度和抗干擾能力；（2）它可以以非常低的成本價格建立起一個非常強大的網絡節點；（3）cc2530充分聯合了具有優良性能的RF收發器、 CPU、閃存、8-KB RAM以及其他更多的功能；（4）cc2530單片機有很多運行模式，所以它可以適應一些非常低功耗的系統。在運行模式轉換時時間很短，更好的驗證的該單片機的低功耗優點。并且其可以在ZigBee上很好的應用。

5 軟件設計

對于該系統中的軟件設計主要是在cc2530單片機，本設計利用C語言對cc2530單片機和ZigBee模塊進行編程，使用C語言對該單片機進行編程，原因是C語言廣泛用于底層開發，能以簡易的方式編譯處理低級儲存器。C語言是僅僅產生少量的機器語言以及不需要任何運行環境支持便能運行的高效率程序設計語言。另外，C語言雖然提供了許多低級的處理功能，但仍然保持著跨平臺的特性，以一個標準規格寫出C語言程序。實現對檢測模塊的多種傳感器以及對電磁閥門進行控制，然后通過ZigBee無線通信技術將信息傳輸到物聯網云端而且C語言有匯編語言和高級語言的優點，跟其它編程語言相比有很多的好處。當用戶從用戶端得到信息后，通過與農作物生長的最適環境進行對比然后通過用戶端直接對編程好的控制器進行控制。

6 結論

本設計可以有效緩解浪費水資源的問題對農作物智能化施肥灌溉還可以減少田間的病蟲害，使養分水分得到更好的利用，還提高經濟效益。滴灌的工程投資（包括動力設備、施肥池和管路等）約每畝1000元，可以連續使用5、6年，每年節省肥料和農藥至少為600元，增產幅度達三分之一以上。水肥一體化技術不僅可以減少水分向下滲，而且還能提高水分利用率。在沒有大棚膜的土地，滴灌與大水滿貫相比，節水率達一半以上。在水肥一體化技術條件下，所需的肥液可以被直接輸送到作物根系最集中部位，充分保證了根系對養分的快速吸收。在產量相近或相同的情況下，水肥一體化技術與傳統施肥技術相比節省化肥一半左右。省時省力。傳統的溝灌施肥費工費時，非常麻煩，而使用水肥一體化技術只需打開閥門，合上電閘，即可實現自動灌溉。與傳統施肥相比，可節省用于灌溉和施肥的人工成本一大部分。而且還在一定程度上節約了人力和物力，尤其是肥料和農業用水。傳統灌溉方式造成了水資源和肥料利用率低，而且會造成環境污染和資源浪費，造成土壤板結，且傳統方式與水肥一體化相比，所耗成本較大，而且領導人提倡綠色可持續發展。水肥一體化可以根據土壤養分含量以及作物生長各階段所需，對作物進行精確施肥。此技術不僅提高了資源利用率，減少了農業用水，節省了勞動力，并遵循綠色可持續發展的原則。