设施蔬菜水肥一体化智能灌溉控制系统的设计及试验

张雪飞，彭 凯，王建春，宋治文，王 艳，梁新书，钱春阳，李 鹏

（1.天津市农业科学院信息研究所，天津300192；2.河北工业大学机械学院，天津300130；3.天津市农业资源与环境研究所，天津300192；4.天津亿网通达网络技术有限公司，天津300100）

设施蔬菜水肥一体化智能灌溉控制系统的设计及试验

张雪飞1，彭 凯2，王建春1，宋治文1，王 艳3，梁新书3，钱春阳1，李 鹏4

（1.天津市农业科学院信息研究所，天津300192；2.河北工业大学机械学院，天津300130；3.天津市农业资源与环境研究所，天津300192；4.天津亿网通达网络技术有限公司，天津300100）

设计了设施蔬菜水肥一体化智能灌溉控制系统，该系统通过环境传感器实现对环境对象感测，精准获取设施蔬菜的全生育期的环境参数；设计了“土壤含水量下限＋小额灌溉”的灌溉策略模式，结合设施蔬菜全生育期的环境参数形成闭环回路，驱动文丘里比例施肥机进行有效水肥灌溉完成对设施蔬菜的精细化耕作。结果表明，该系统能够按照预设间隔时间有效监控设施蔬菜的环境参数，并能在设定的土壤湿度参数范围内启动或者浇灌，实现智能浇灌，比传统的自动浇灌系统更加高效。

水肥一体化；无线传感网络；环境调控；设施蔬菜；灌溉策略

作为农业大国，水资源利用不合理以及水资源使用过程中存在各种浪费现象一直是我国农业发展所面临的重要问题[1-5]。目前农业生产中普遍采用大水漫灌、畦灌、沟灌等灌溉方式，导致农业的水资源有效利用率仅为40%。与此同时，农业生产过程中存在肥料过度使用[6-8]，单位面积施肥量逐年攀升，但是蔬菜产量并无明显提高，养分利用效率很低，导致生态环境压力及环境污染日趋严重。

随着信息技术在农业上的推广应用，智能化、自动化、精准化的灌溉施肥方式正逐步取代传统的灌溉方式。智能灌溉系统将蔬菜水肥管理技术与物联网技术、信息传感技术和控制技术进行集成[9-20]，实时监测设施温室的空气温湿度、土壤含水量及温度、光照度的环境信息，并将土壤含水量作为智能灌溉开启的条件，按照程序预设的灌溉策略，对农作物进行精准灌溉，从而使得土壤始终保持最适宜农作物的湿度状态，有效促进了农作物生长，进而实现节水节肥，省工省时，农作物增产增效。

1 系统整体设计

设施蔬菜水肥一体化智能灌溉控制系统是集环境监控、数据采集、数据传输、数据分析及决策、智能控制为一体的管理系统，实现了对设施温室的环境信息进行分布式监控及集中式的管理功能，本研究的系统功能结构如图1所示。该系统由环境数据采集及传输、环境数据展示及存储、灌溉决策及控制3层结构组成。通过Zigbee自组网的方式构成系统的无线网络，完成环境数据的传输及灌溉控制指令的下达。环境数据采集部分是通过Zigbee终端完成数据的定时采集，并通过Zigbee自组网将环境数据发送到Zigbee协调器，协调器通过串口将数据转发给ARM中央控制器，ARM中央控制器进行分析计算处理，根据环境数据及智能决策方案进行水肥一体化灌溉控制。

2 系统硬件电路设计

本系统的硬件电路分为3个部分，无线环境信息采集节点、基于ARM的智能采集灌溉控制器、无线灌溉控制节点。本系统中采用的无线传输模块，均采用CC2530芯片进行设计，该芯片底层采用了Zigbee的通信协议，集成了单片机内核、射收发模块等，具有功耗低等特点。

2.1 无线环境信息采集节点

本系统设计了可扩展多通道数字型传感采集器，包括无线传输单元和传感器。选用的环境信息传感器均为数字型传感器，数字型传感器为I2C总线数字传感器、单总线数字传感器、RS485接口型数字传感器，并且接口扩展板用于动态增加传感器接入数量，理论上最多支持254个数字传感器。每个传感器通过拨码开关设置唯一的IP地址。Zigbee CC2530定时发指令获取传感器的数据，并通过其射频模块将传感器的数据进行无线发送，发送给上位机相连的协调器中。其结构设计如图2所示。

2.2 基于ARM智能决策节水灌溉控制器设计

基于ARM智能决策节水灌溉控制器包括ARM开发板及Zigbee CC2530协调器，协调器与ARM开发板通过RS232串口相连，CC2530协调器将接收到的Zigbee终端上报的环境信息通过串口方式传送给ARM开发板。ARM开发板将接收到的环境信息进行计算处理及保存入库操作。Zigbee协调器在整个无线网络中只有1个，并且负责协调、建立、维护整个无线网络。ARM开发板主要有以下功能：（1）接收来自基于Zigbee的无线环境采集器的传感器信息；（2）具有人机交互功能，能够实时监测农业园区内各个棚室灌溉状况的控制器设备；（3）制定灌溉、施肥策略，实现智能化灌溉。基于ARM智能决策节水灌溉控制器的硬件结构设计如图3所示，控制器使用了具有高性能Cortex-A8核心板的ARM开发板，采用了Linux操作系统，使用QT作为人机界面开发工具，实现了对传感器上报数据的解析和封装、根据传感器数据及专家决策的智能灌溉指令的下发，通过串口与Zigbee协调器完成消息交互，并通过3G，GPRS的形式实现与远程服务器的通讯，接收来自远程服务器下发的灌溉指令、查询指令。

2.3 无线灌溉控制节点

无线灌溉控制节点主要包括无线射频接收模块、文丘里比例施肥机、数字流量计、液位计、2个电磁阀。当无线射频接收模块，接收到来自协调器的灌溉指令时，射频模块会根据灌溉指令启动第1或者第2电磁阀，开启后，不断的检测数字流量计或液位计的数据，若达到预定的灌溉值，则关闭第1或者第2电磁阀。其中，第1电磁阀是控制灌水的管路，数字流量计是统计灌水量的仪表；第2电磁阀是控制施肥的管路，液位计是统计施肥量的仪表。具体如图4所示。

3 设施蔬菜全生育期灌溉模型及系统软件设计

3.1 设施蔬菜全生育期灌溉模型设计

结合物联网技术，目前作物灌溉主要有以下几种方式：手动模式、自动模式和智能模式。智能模式又分为3种：第1种按地方标准的灌溉方式（土壤水分下限＋适量灌水量）进行灌溉；第2种根据经验及文献按水分上下限方式控制灌溉；第3种是改进的灌溉方式（土壤水分下限+小额灌水量），将土壤水分传感器放置于15 cm的土层中，当土壤体积含水量下限范围为37.03%～37.56%，借助控制器开启智能灌水施肥。

本系统采用第3种改进式的灌溉方式，采用少量多次灌溉的原则，改进后的灌溉方式能够使土壤体积含水量下限范围变异幅度小，保证根层土壤水分始终处在适宜范围内。

3.2 下位机软件设计

下位机软件采用了IAR Embedded Workbench开发环境，利用ZStack协议栈完成了软件的开发。ZStack协议栈是TI公司为Zigbee提供的一个解决方案，它是一种基于轮转查询式的操作系统。

Zigbee组成无线网络，其中协调器是整个网络的管理者。当协调器上电完成硬件和软件的初始化后，负责建立整个网络的连接。无线环境采集部分和无线灌溉控制节点部分是Zigbee的终端节点，通过无线网络，ARM灌溉控制器通过Zigbee协调器发送消息给Zigbee终端节点，终端节点收到消息，并进行解析，完成下一步动作。协调器和终端节点的软件流程如图5所示。

3.3 上位机软件设计

基于ARM智能决策节水灌溉控制器的上位机软件主要是利用ARM的Linux平台下的QT软件平台进行编写的。软件的架构如图6所示。

上位机软件的工作流程为：ARM通过串口发送定时获取环境传感器信息的指令到Zigbee协调器，Zigbee协调器转发指令给各个环境传感器终端，终端收到指令后，将环境传感器的数据返回到Zigbee协调器，Zigbee协调器通过串口返回给ARM，最终ARM将环境数据进行显示。通过ARM的人机交互接口，设定智能灌溉的策略，设定成功后，ARM不断判断及检测土壤含水量是否到达给定的阈值，若已到达阈值，则启动灌溉。

4 系统测试分析

开发了一整套系统，包括无线环境信息采集节点（可以是多个节点），基于ARM智能决策节水灌溉控制器及无线浇灌控制节点（图7）。

试验装置从2017年3月11日至7月10日在天津市汉沽永丰合作社5号日光温室进行试验。试验共分2个处理：（1）传统滴灌模式。按照当地农民温室黄瓜滴灌管理进行水肥控制；（2）智能滴灌模式。借助土壤水分传感器，进行智能水肥灌溉。每次灌水定额为5 mm，每次施纯N浓度为120 g/m3（每个小区面积为3.9 m×7.5 m）。

试验中，环境参数采集节点每30 min采集并记录一组环境参数，每天采集24组，湿度设定小于37.03%启动滴灌，大于37.56%停止滴灌。传统滴灌模式和智能滴灌模式下根层土壤体积含水量的动态变化如图8所示。据统计，传统滴灌模式共灌水18次，而智能滴灌模式共灌水22次。处理开始后，传统滴灌模式每次灌水前土壤体积含水量下限的范围35.86%～38.35%，变异幅度较大，如此会造成每次灌溉前根层土壤缺水严重或根本不缺水，如此不合理的灌溉往往会导致水分的浪费；而智能滴灌模式处理下启动灌水施肥程序土壤体积含水量下限范围为37.03%～37.56%，变异幅度较小，能够保证根层土壤始终处在适宜水分范围内。

5 结论

本研究设计了一套基于智能灌溉策略的设施蔬菜水肥一体化智能节水灌溉系统，采用了无线传输网络将设施温室环境信息采集并传送至上位机。上位机分析环境信息并建立“土壤含水量下限＋小额灌溉”的灌溉策略，有效地实现了设施蔬菜的适量灌溉，最终可实现对设施蔬菜的精细化耕作，达到了节水、节肥、增产的目的。

［1］阮三桂，姚邦松，肖卫华，等.自动控水灌溉系统的设计与应用试验[J].山西农业科学，2016，44（12）：1864-1866，1890.

［2］郭建文，刘海.不同灌溉制度对玉米生长过程中水肥利用的影响[J].山西农业科学，2014，42（4）：346-348.

［3］鞠加亮，孙洋洋.基于节水激励的农业水资源流转模式研究[J].山西农业科学，2017，45（2）：139-142.

［4］雷波.农业水效源效用评价研究 [D].北京：中国农业科学院，2010．

［5］高雪梅.中国农业节水灌溉现状、发展趋势及存在问题[J].天津农业科学，2012，18（1）：54-56.

［6］肖建中，卢树昌，王瑞，等.武清区设施黄瓜灌溉施肥技术应用效果分析[J].天津农业科学，2013，19（7）：22-24.

［7］李铮，王晋民，王海景.蔬菜日光温室问题调查与水肥一体化技术探讨[J].土壤，2006，38（2）：223-227.

［8］李明悦，朱静华，廉晓娟，等.灌溉施肥条件下设施蔬菜施肥效应研究[J].天津农业科学，2013，19（8）：25-27.

［9］程瑞，王双喜.温室环境智能监控系统研究与应用[J].山西农业科学，2014，42（2）：203-205.

［10］吕雄杰，陆文龙，王艳，等.基于物联网技术的日光温室黄瓜智能灌溉控制系统研究[J].天津农业科学，2014，20（9）：34-37.

［11］邓晓栋，张文清，翁绍捷.基于Zigbee的水肥一体化智能灌溉系统设计[J].湖北农业科学，2015，54（3）：690-692，696.

［12］蔡长青，侯首印，张帧，等.温室智能灌溉水肥一体化监控系统[J].江苏农业科学，2017，45（10）：164-166.

［13］廖建尚.基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法[J].农业工程学报，2016，32（11）：233-243.

［14］张小伟.基于物联网技术的农业大棚监控系统研究[D].西安：陕西科技大学，2014.

［15］李合青，来智勇，张鑫.基于ZigBee的温室智能灌溉执行子系统的设计与实现[J].农机化研究，2014，36（1）：95-98.

［16］颜波，石平.基于物联网的水产养殖智能化监控系统[J].农业机械学报，2014，45（1）：259-265.

［17］韩慧，谢楠，巩秀钢，等.基于ARM和Qt的蔬菜大棚监控系统[J].山东理工大学学报（自然科学版），2015，29（3）：53-55.

［18］胡衡，梁岚珍.基于Zigbee和ARM的温室大棚多点温度采集系统的设计[J].江苏农业科学，2014，42（7）：414-419.

［19］叶美松，肖世德，张志峰，等.基于Zigbee技术的温室大棚系统的设计[J].自动化与仪表，2017，32（2）：41-44.

［20］周建民，尹洪妍，徐冬冬.基于Zigbee技术的温室环境监测系统[J].仪表技术与传感器，2011（9）：50-52.

Design and Test of Intelligent Irrigation Control System for Water and Fertilizer Integration of Facilities Vegetables

ZHANGXuefei1，PENGKai2，WANGJianchun1，SONGZhiwen1，WANGYan3，LIANGXinshu3，QIANChunyang1，LIPeng4

（1.Institute ofInformation，Tianjin Academy ofAgriculturalSciences，Tianjin 300192，China；2.SchoolofMechanicalEngineering，HebeiUniversity ofTechnology，Tianjin 300130，China；3.Tianjin Institute ofAgriculturalResources and Environment，Tianjin 300192，China；4.Tianjin Ewebtd Network Teachnology Co.，Ltd.，Tianjin 300100，China）

An intelligentirrigation controlsystem for incorporating integration ofwater and fertilize was designed.The system could obtain precise regulation ofenvironmentalparameters through the environmentalsensors.The irrigation strategy of"soilmoisture limit＋micro-irrigation"and combined with the environmental parameters ofgreenhouse vegetable during the whole growth period,can drive Venturi Fertiliser effective irrigation facilities complete the refined vegetable farming.The result shows that the system can monitor the environmentalparameters ofthe vegetable atpresetintervals and can intelligently initiate or stop irrigation in the range ofsoilhumidity.It proves thatthis irrigation controlsystem is efficientthan otherauto irrigation system.

integrated management of waterand fertilizer;wireless sensor networks;environment control;facility vegetable；irrigation strategy

S126；TP23

：A

：1002-2481（2017）09-1534-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.09.33

2017-05-16

天津市科技支撑计划资助项目（14ZCZDNC00005）；天津市农业科学院院长基金项目（16005）；天津市农业科技成果转化和推广项目（201601220）；天津市科技计划项目（17YFZCNC00280）；中央引导地方科技发展专项资金项目（16ZYYFNC0010）；天津市蔬菜现代农业产业技术体系（ITTVRS2017018）；天津市国际合作项目（14RCGFNC00101）

张雪飞（1982-），女，河北唐山人，助理研究员，硕士，主要从事农业信息技术应用研究工作。王建春为通信作者。