水肥一体化智能灌溉系统组成与设计

王文婷，翟国亮，郭二旺，蔡九茂，温季

(1.焦作市抗旱防汛通讯站，河南 焦作 454150；2.水利部农田灌溉研究所，河南 新乡 453000； 3.焦作市水利勘测设计院，河南 焦作 454150)

0 引言

21世纪水资源变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题已不仅仅是资源问题，更是关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。采用高效的智能化节水灌溉技术不但能够有效缓解用水压力，同时也是发展精细农业和实现现代化农业的要求。基于物联网技术的智能化灌溉系统可实现灌溉的智能化管理。

1 水肥一体化智能灌溉系统概述

基于物联网的智能化灌溉系统，涉及传感器技术、自动控制技术、数据分析和处理技术、网络和无线通信技术等关键技术，是一种应用潜力广阔的现代农业设备。该系统通过土壤墒情监测站实时监测土壤含水量数据，结合示范区的实际情况(如：灌溉面积、地理条件、种植作物种类的分布、灌溉管网的铺设等)对传感数据进行分析处理，依据传感数据设置灌溉阈值，进而通过自动、定时或手动等不同方式实现水肥一体化智能灌溉。中心站管理员可通过电脑或智能移动终端设备，登录系统监控界面，实时监测示范区内作物生长情况，并远程控制灌溉设备(如固定式喷灌机等)。

基于物联网的智能化灌溉系统，能够实现示范区的精准和智能灌溉，可以提高水资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，增加作物产量，降低作物成本，节省人力资源，优化管理结构。

2 水肥一体化智能灌溉系统设计

2.1 水肥一体化智能灌溉系统总体设计目标

灌溉智能化系统实现对土壤含水量的实时采集，并以动态图形的形式在管理界面上显示。系统依据示范区内灌溉管道的布设情况及固定式喷灌机的安装位置，预先设置相应的灌溉模式(包含自动模式、手动模式、定时模式等)，进而通过对实时采集的土壤含水量值和历史数据的分析处理，实现智能化控制。系统能够记录各个区域每次灌溉的时间、灌溉的周期和土壤含水量的变化，有历史曲线对比功能，并可向系统录入各区域内作物的配肥情况、长势、农药的喷洒情况以及作物产量等信息。系统可通过管理员系统分配使用权限，对不同的用户开放不同的功能，包括数据查询、远程查看、参数设置、设备控制和产品信息录入等功能。

2.2 水肥一体化智能灌溉系统架构

系统布设土壤墒情监测站、远程设备控制系统、智能网关和摄像头等设备，实现对示范区内传感数据的采集和灌溉设备控制功能；示范区现场通过2G/3G网络和光纤实现与数据平台的通信；数据平台主要实现环境数据采集、阈值报警、历史数据记录、远程控制、控制设备状态显示等功能；数据平台进一步通过互联网实现与远程终端的数据传输；远程终端实现用户对示范区的远程监控。

依据灌溉设备以及灌溉管道的布设和区域的划分，布设核心控制器节点，通过ZigBee网络形成一个小型的局域网，通过GPRS实现设备定位，然后再通过嵌入式智能网关连接到2G/3G网络的基站，进而将数据传输到服务器；摄像头视频通过光纤传输至服务器；服务器通过互联网实现与远程终端的数据传输。

2.3 水肥一体化智能灌溉系统组成

2.3.1 作物生长环境监测系统

作物生长环境监测系统主要为土壤墒情监测系统(土壤含水量监测系统)。土壤墒情监测系统是根据示范区的面积、地形及种植作物的种类，配备数量不等的土壤水分传感器，以采集示范区内土壤含水量，将采集到的数据进行分析处理，并通过嵌入式智能网关发送到服务器。示范区用户根据种植作物的实际需求，以采集到的土壤墒情(土壤含水量)参数为依据实现智能化灌溉。通过无线网络传输数据，在满足网络通信距离的范围内，用户可根据需要调整采集器的位置。

2.3.2 远程设备控制系统

远程设备控制系统实现对固定式喷灌机以及水肥一体化基础设施的远程控制。预先设置喷灌机开闭的阈值，根据实时采集到的土壤含水量数据，生成自动控制指令，实现自动化灌溉功能。也可通过手动或者定时等不同的模式实现喷灌机的远程控制。此外，系统能够实时检测喷灌机的开闭状态。

2.3.3 视频监测系统

视频监测系统实现对示范区关键部位的可视化监测，根据示范区的布局安置高清摄像头，一般安装在作物的种植区内和固定式喷灌机的附近，视频数据通过光纤传输至监控界面，园区管理者可通过实时的视频，查看作物生长状态及灌溉效果。

2.3.4 通信系统

如果域范围往往比较广阔，地形复杂，有线通信难度较大。本系统拟采用ZigBee网络实现示范区内的通信。ZigBee网络可以自主实现自组网、多跳、就近识别等功能，该网络的可靠性好，当现场的某个节点出现问题时，其余的节点会自动寻找其他的最优路径，不会影响系统的通信链路。

ZigBee通信模块转发的数据最终汇集于中心节点，进行数据的打包压缩，然后通过嵌入式智能网关发送到服务器。

2.3.5 用户管理系统

用户可通过个人计算机和手持移动设备，通过Web浏览器登录用户管理系统。不同的用户权限等级不同，高级管理员一般为示范区相关主要负责人，具有查看信息、对比历史数据、配置系统参数、控制设备等权限；一般管理员为种植管理员，采购和销售人员等，具有查看数据信息、控制设备、记录作物配肥信息和出入库管理等权限；访问者为产品消费者和政府人员等，具有查看产品生长信息、园区作物生长状况等权限。用户管理系统安装在园区的管理中心，具体设施包括用户管理系统操作平台和可供实时查看示范区作物生长情况。

2.4 水肥一体化智能灌溉系统功能

智能化灌溉系统中施肥机控制系统是实现水肥精准控制的核心组成部分。灌溉控制和施肥控制均通过施肥机进行控制，通过泵房内施肥机触摸屏操控界面，就以控制田间电磁阀开闭、远程控制水泵补水、控制施肥电磁阀启动施肥程序、采集田间气象和墒情信息。因此要重点进行施肥机软件和硬件设计选型。集灌溉、施肥和数据采集于一体，田间灌溉和施肥控制都是通过施肥机触摸屏设置，管网运行参数、肥液EC/PH值、田间阀门运行情况、气象站和土壤信息能够实时展示在软件界面上，可以指导管理决策。同时，施肥机能够对田间灌溉控制阀门进行控制，控制模式有手动和自动两种，可以随时手动启动田间某个灌溉阀门，也可以在施肥机界面上设定好轮灌程序，使田间阀门按照轮灌程序自动灌溉和施肥。

2.5 水肥一体化智能灌溉系统特点

系统采用了扩展性的设计思路，在设计架构上注重考虑系统的稳定性和可靠性。整个系统由多组网关及ZigBee自组织网络单元组成，每个网关作为一个ZigBee局域网络的网络中心，该网络中包含多个节点，每一个节点由土壤水分采集仪或远程设备控制器组成，分别连接土壤水分传感器和固定式喷灌机。并可根据用户的需求，在保留原有系统结构的前提下，实现对整个系统的扩容。

2.6 水肥一体化智能灌溉系统设计

2.6.1 系统布局

由于本系统的通信子模块采用具有结构灵活、自组网络、就近识别等特点的ZigBee无线局域网络，对于土壤湿度传感器的控制器节点的布设相对灵活。根据园区种植作物种类的不同及各种作物对土壤含水量需求的不同，布设土壤湿度传感器；根据园区内铺设的灌溉管道、固定式喷灌机位置及作物的分时段、分区域供水需要安装远程控制器设备(每套远程控制器设备包括核心控制器、无线通信模块、若干个控制器扩展模组及其安装配件)，每套控制器设备依据就近原则安装在固定式喷灌机旁，实现示范区灌溉的远程智能控制功能；此外，通过控制设备自动检测固定式喷灌机开闭状态信号及视频信号，远程查看实时掌握灌溉设备的开闭状态。

在项目的实施中，根据示范区的具体情况(包括地理位置、地理环境、作物分布、区域划分等)安装墒情监测站。远程控制设备后期需要安装在灌溉设备的控制柜旁，通过引线的方式实现对喷灌机包括水肥一体化基础设施的远程控制。

2.6.2 网络布局

土壤墒情监测设备和远程控制器设备分别内置ZigBee模块和GPRS模块，都作为通信网络的节点。嵌入式智能网关是一定区域内的ZigBee网络的中心节点，共同组成一个小型的局域网络，实现园区相应区域的网络通信，并通过2G/3G网络实现与服务器的数据传输。

该系统均采用无线传输的通信方式，包括ZigBee网络传输及GPRS模块定位。由于现场地势平坦，无高大建筑物或其他东西遮挡，因此具备无线传输的条件。