基于物聯網的水肥一體化智能灌溉系統的設計與研究

摘 要：隨著水肥一體化智能灌溉系統的發展，以本校園區與廣西天峨縣龍灘珍珠李種植基地作為研究實驗基地，對水肥一體化智能灌溉系統進行設計研究及效益分析。智能灌溉系統主要包括大數據平臺、氣象環境監測系統、土壤灌溉控制系統、智能施肥控制系統、遠程土壤墑情監控系統以及灌溉管道監測、流量監測、遠程作物生長監測系統六大部分。通過效益分析結果表明，基于物聯網的水肥一體化智能灌溉系統應用效果顯示，其省工節水增收效果顯著。

關鍵詞：物聯網 水肥一體化 智能灌溉系統 效益分析

中圖分類號：S274.2;TN929.5;TP391.44

Design and Research of an Intelligent Irrigation System with theIntegrationgof Water and Fertilizer Based on the Internet of Things

HUANG RongXi YOU WenJian

School of Information Engineering，Guangxi AgriculturalVocational-Technical Universityof Agriculture， School of Information Engineering，Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region，530007China

Abstract： With the development of the integrated water and fertilizer intelligent irrigation system with the integration of water and fertilizer， this paper designs， and studies， and analyzes the benefits of the system it and analyzes its benefitsusingwith the parkof thisuniversitycampus and the Longtan Pearl Plum Planting Base in Tian'e County， Guangxi， as research and experimental bases. The intelligent irrigationsystem mainly consists of six parts： a big data platform， a meteorological and environmental monitoring system， asoil irrigation control system， aniOuB9OOCngonQ/nNjy2C9eLpyoCFE22FO2+BkL7eFN3I=ntelligent fertilization control system， aremote soil moisture monitoring system， and an irrigation pipeline monitoring， flow monitoring， and remote crop growth monitoring system. The results of benefit analysis show thatthe application effect of the intelligent irrigation system with the IoT-based integration ofed water and fertilizer basedon the Internet of Thingshas intelligent irrigation systemdemonstrates significant application effects andlabor-saving， water-saving， and income-increasing effects.

Key Words： Internet of Things; Integration of water and fertilizer; Intelligent irrigation system; Benefit analysis

我國作為一個農業大國，在農業耕種上，水資源的使用存在很大的浪費，通過查閱參考文獻，我國的淡水資源也比較短缺。但目前大家用水的思想觀念還沒有轉變，總是覺得水用不完，沒有節約意識，這就使淡水資源更加不足[1]。例如：現在的農業種植，不管是大棚還是露天的種植，都是大水漫灌，水資源的浪費非常嚴重。當前，在傳統的農業種植中，化肥資源的使用，也有很多不合理的地方，也存在比較嚴重的浪費現象。此外，化肥的過度使用也會使土壤的結構發生一定的變化，使種植的農作物的產量、品質都會降低，影響種植效益。在這樣的背景下，課題組通過實地走訪調查廣西農業職業技術大學八桂田園現代農業展示園（以下簡稱本校園區）以及廣西天峨縣龍灘珍珠李種植基地，在水肥一體化的應用上存在的不足，在現有的基礎上進行提升改進，提出了基于物聯網的水肥一體化智能灌溉系統的設計研究[2]。水肥一體化智能灌溉系統的建設使用，非常有發展前景，不僅提升了農產品的品質，提升了產量，還解決了勞動力短缺等問題。本項目在本校園區實驗基地的研究中，通過數據統計分析，取得了一定的成效。因此，本課題的研究，為實現農業種植綠色可持續發展奠定了一定的基礎。

1 水肥一體化智能灌溉系統設計研究

根據廣西天峨縣龍灘珍珠李種植基地與本校園區農作物種植情況基本相似，結合研究實際，本研究主要以本校園區作為研究基地。本校園區正在使用的灌溉系統，其在變量施肥技術的使用相對較少，與現代的自動施肥灌溉系統有一定的差距。例如：沒有將現有的農地進行科學的劃分管理，沒有進行相應的數據監測，只有簡單的灌溉系統。在本項目的研究中，在總體的設計上有很大的變化，例如將農地的土壤進行相應的劃分，設計出不同的區域，在數據的監測應用上，本項目通過大數據對前幾年的果品產量、品質、土壤中的EC與pH值以及一些病蟲害等進行綜合分析，做出科學合理的施肥決策[3]。因此，在研究的過程中，課題組成員通過技術監測，達到合理施肥、灌溉、數據管理，在提升產量與節約成本的同時，也保護好耕地的使用，確保土壤中的養分，以及EC與pH值保持科學合理。

1.1系統組成模塊設計

在現有的灌溉基礎上，通過對當前較為常見的規模經營農業種植園區，并結合本校園區實際情況，對現有的灌溉系統進行設計研究，加以改善，并進行應用實施[4]。該系統主要包括六大部分：（1）大數據平臺，主要進行數據的收集分析，控制管理等；（2）氣象環境監測系統，用于對實驗基地的氣象與當前的環境進行數據采集，主要體現在實驗基地雨量、溫度、濕度等參數信息；（3）土壤灌溉控制系統，主要進行對農地進行的濕度進行控制灌溉；（4）智能施肥控制系統，其體現在水肥的灌溉，監測水肥的配置是否科學合理，灌溉用量的多少等；（5）土壤墑情監控系統，主要對土壤中的EC與pH值進行監測，根據相關數據，做出合理的施肥；（6）農作物生長監測系統，該系統的作用，用于對不同時期農作物生長的情況進行監測，并根據當時的情況做出合理的水肥灌溉[5]。在系統的組成設計中，總的理念是，對智能施肥系統與能效監測系統進行調節，同時也可通過主機客戶端或手機客戶端訪問大數據平臺，對灌溉控制系統進行參數調試，保證系統安全可靠運行，促進農作物增產提質。

1.2水肥智能化模塊設計

該模塊主要分為控制管理與灌溉實施，其包括智能施肥控制系統，土壤灌溉監控管理系統，灌溉監測等幾部分。在設施的過程中，通過控制管理平臺將設施設備與水源及農作物進行統一的連接，進行灌溉管理，在農作物的上方進行噴灑管道布置。其中控制部分的設計主要通過ZigBee進行無線傳輸，元器件采用單片機cc3235等相關的器件等組成[6]。在水的灌溉系統上進行水肥連接，做到水肥的合理配置與施肥。

在實施的過程中，水肥一體化智能灌溉是根據監測到的情況進行自動化或人工來進行操作，其種植戶根據農作物在某一生長時期，通過數據平臺對灌溉系統設置進行灌溉、施肥，也可以對其進行數據監測做到自動灌溉或施肥。在水肥灌溉過程中，針對管道易堵塞的情況進行了分析，其主要情況為：一是肥料中存在較大的不溶物引起的堵塞；二是肥料與水發生相關的反應，對管道進行堵塞；三是水肥配置不當使得肥料產生相關的沉淀物對管道進行堵塞。在灌溉施肥過程中，如果管道進行了堵塞，就會引起水肥灌溉不均勻，導致灌溉系統運行性能下降，嚴重時甚至造成整個系統崩潰。因此，在針對這3種情況，課題組提出了相應的解決方案。一是在管道的設計上，通過對管道孔的間距設計出相對大一點的圓孔，使其顆粒物通過大孔排出；二是針對灌溉的水壓適當加壓，有利于顆粒物的排出；三是提前進行配置觀察，看肥料在水中是否產生相關的沉淀物與漂浮物，并采取相應的措施進行處理。通過這些方案，可以很好地解決水肥灌溉中管道易堵塞的問題。

1.3遠程監控模塊設計

該模塊主要由氣象環境監測系統，遠程土壤墑情監控系統，遠程作物生長監測系統組成。農作物在生長的過程中，所處的環境與土壤施肥過程中產生的墑情會不同，所需要的水肥也會不同。因此，如何進行水肥灌溉，就需要進行監控或走進農地進行相應的分析，從而進行更合理的水肥配置，達到預期效果。

天氣的變化，也會對種植的農作物產生較大的影響。因此，在種植地通過氣象環境監測系統，進行雨量、溫度、濕度的采集，通過大數據平臺進行分析，使其主要采用內置的歷史數據進行比對，并結合彭曼公式分析得出參考農作物需水量、生長系數以及實際需水量等作為參考依據，制定合理的水肥灌溉，確保農作物的科學合理生長。在灌溉系統中，土壤墑情監控系統非常重要，其起到了對土壤變化的監測[7]。再通過對土壤的閉環監控，配制一定EC值、pH值的水肥，進行合理的水肥灌溉。在灌溉的過程中對土壤含水量、施肥情況進行自動評估測算，并進行灌溉水的上、下限值設定，達到合理的動態平衡灌溉。遠程作物生長監測系統，主要是通過農作物的生長情況的圖片采集存儲，再通過比對其目前的生長趨勢變化，及時調整施肥方案，施肥的科學合理，能盡最大可能地減少病蟲害對農作物的危害。

2 系統硬件設計

根據園區實驗基地的規模及實施情況，其主要采用ZigBee無線通信模塊，以及cc3235單片機作為控制器件模塊。其主要采用的是響應速度快，通信頻率穩定，可靠性高等優勢。

2.1 ZigBee通信模塊應用

ZigBee通信技術已相對比較成熟，應用廣泛。是一項新型的無線通信技術。 本研究設計，主要基于ZigBee無線通信技術的相關優點，如能達到相互協調的功能，傳輸效率高，通信速度快，其適用于短距離的通信，其技術遵循專業的無線標準[8]。

2.2 單片機控制模塊

在系統控制器方面，本系統的設計研究主要采用cc3235單片機作為主要控制器件。采用cc2535單片機作為控制器，不僅可以很好地與ZigBee協議進行結合，還可以對監測模塊的各種傳感器進行控制，及數據的采集傳輸。在設計中，主要應用cc3235單片機控制器，具有很強的接收靈敏度和抗干擾能力，能以非常低的成本，就能建立起一個非常強大的網絡平臺。因此，它可以適應一些低功耗的系統管理平臺。

3 程序控制設計

程序控制系統的設計，在單片機的控制設計方面，大多數采用c語言進行程序設計。但本研究主要采用Python語言進行對cc3235單片機的控制，其主要利用Python語言強大的第三方庫，其開發功能強大，且簡單易用。在程序的設計中主要運用Python對c3235單片機和ZigBee模塊進行程序設計對接，由于Python語言的靈活性，在設計應用中能以簡易的方式編譯處理編譯多級別的儲存器。Python語言提供了許多的內核處理功能，在跨平臺的數據處理上有獨特的優勢。本系統的設計主要采用python與cc3235單片機通信接口進行物理連接。

4 應用案例分析

4.1項目應用情況分析

該物聯網水肥一體化智能灌溉系統，在原有的灌溉系統基礎上，于2023年在本校園區種植基地妮娜皇后葡萄的種植上進行了試驗，該示范基地的面積為0.53 hm2。實驗基地所處的位置屬濕潤的亞熱帶季風氣候，陽光充足，雨量充沛集中。在實驗的過程中，主要對種植中的3個大棚進行實施。在相對比較合理的地方布置好相關的監控系統，對相應的數據進行采集，確保數據的收集合理可靠有效，并把數據傳輸到數據控制中心進行分析處理。

4.2效益統計分析

項目投資實施分析測算，該物聯網水肥一體化智能灌溉系統工程總投資為12.8萬元，覆蓋的面積為0.53 hm2，其每畝的平均投資為1.6萬元，其正常使用年限為8年。折算到每年的投資成本為2000元。

通過統計，在種植實驗基地中平均每畝采收葡萄1400kg，比非實驗區增收160kg，增產12.90％，其品質也得到了一定的提升。該品種的葡萄市價每斤賣30元，每畝增收9600元，每畝節省人工費1 200元。其在節工節肥節水等方面也比較有成效，統計分析得出，通過水肥一體化智能灌溉系統每0.067 hm2可多得12 320元的收入，其每畝每年的投資成本為2 000元，其最終統計可以得出，每畝可多得收入10 320元。通過數據統計分析可以得出，水肥一體化智能灌溉系統的實施具有明顯的增效優勢，雖然初次投入資金比較大，但按總體成本分年度分面積來算，還是值得投入。

5 結語

從上述的效益統計分析中，可以得到基于物聯網的水肥一體化智能灌溉系統的設計，有效地節約了用水用肥的成本。本設計不僅可以有效緩解浪費水資源的問題，還可以使養分水分得到充分利用，提高經濟效益。當然在便捷的同時，水肥一體化的推廣還有待加強，這個也是課題組在今后需要探索的一個方向。

參考文獻

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