基于物联网的智能水肥一体化温室农业管理系统

蔡绍博 徐欢 夏志波 蔡同建

1.长江大学园艺园林学院；2.武汉市春晓曲农业科技有限公司；3.上海株山农业科技有限公司；4.武汉华夏理工学院信息工程学院；5.武汉建春科技有限公司

基于物联网技术的水肥一体化温室农业管理系统是利用传感器监测温室土壤的EC/PH的数值并通过ZigBee网络传输到中间网关节点，进而使用GPRS网络将数据发送到远程服务器，用户与服务器之间的终端设备互动进行实时监测分析，并通过指令控制电磁阀的开关来控制水、肥的调配与供给。

1 智能管理系统的关键技术

土壤参数的检测用EC值传感器采集土壤电导率，是测定土壤水溶性盐的指标，土壤水溶性盐是判定土壤中盐类离子是否限制作物生长的因素，同时用PH值传感器采集土壤的酸碱度数值。因此终端节点采用搭载业界标准的增强型8051 CPU的CC2530单片机，适应2.4-GHz IEEE 802.15.4的RF收发器，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，并且集成了基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的ZigBee通信模块，可以确保短距离通信的有效性和可靠性。ZigBee网关节点再通过GPRS DTU无线传输模块，内嵌TCP/IP协议栈，利用GSM移动通信网络的短信息和GPRS业务为用户搭建了一个超远距离的数据传输平台，将数据发送到远程服务器上，进行水肥一体化的管理[1]。

2 智能管理系统的架构设计

整个系统的构成包括三层:底层智能终端、中层网络通信以及上层服务器，具备以下功能:（1）定时检测功能:由于土壤的参数变化不会很剧烈，通过软件设计，定时获取土壤的EC/PH值。（2）自动控制功能:在单片机程序中设置一个触发函数，根据农作物的生长EC/PH值设置一个参数阈值，对传感器获取到的土壤参数值与设置的阈值进行比较，当超过范围时，进行水，肥的补给灌溉。（3）远程控制功能:远程服务器通过无线网络发送AT指令给终端节点，能够系统的控制灌溉器开关，如图1所示。

图1 水肥一体化管理系统整体设计Fig.1 Overall design of integrated water and fertilizer management system

底层智能终端硬件设计采用CC2530单片机作为智能终端的核心。CC2530单片机的工作电压在2V～3.6V之间，可以干电池或者是纽扣电池实现电源的供给，无需单独进行电源线的布局。EC值传感器和PH值传感器将检测到的土壤参数通过CC2530单片机的SPI（Serial Peripheral Interface）接口发送到CC2530的MCU进行数据的处理打包，然后通过ZigBee网络将数据进行发送。再将水、肥一体灌溉设备的电磁阀开关通过外设接口SPI连接到单片机进行智能控制。通过软件设计实现智能控制，根据传感器的检测原理，将传感器测得的电信号变化通过AD转换，再通过公式进行计算，得到准确的土壤参数，再根据农作物的生长标准，设置一个参数阈值，当检测的参数与设置的参数阈值存在偏差时，单片机控制系统将会自动打开电磁阀实现水、肥的自动灌溉，如图2所示。

图2 智能终端结点Fig.2 Smart terminal

中间网络层的设计采用ZigBee网络的短距离无线传输以及GPRS网络的长距离传输。在检测节点与网关节点之间采用ZigBee网络通信，ZigBee网络通信采用Zstack协议栈，协议栈规定了ZigBee网络至少包括一个终端节点和协调器节点，Zstack协议栈网络具有能够自组网的特点，ZigBee协调器创建网络，终端节点加入网络实现无线通信。本系统采用ZigBee广播方式通信，多个ZigBee终端节点将获取到的土壤参数进行数据帧的打包，通过广播的方式发送到ZigBee协调器，一个ZigBee协调器广播播接收接收多个终端数据，实现一对多。ZigBee协调器模块的CC2530单片机网关通过串口和GPRS DTU收发器CH-D3G2Q2连接，将ZigBee协调器获取到的数据通过串口发送到GPRS DTU通信模块，利用GPRS网络实现远距离通信，将土壤参数发送到远程服务器，如图3所示。

图3 网关节点设计Fig.3 Gateway node design

远程服务器通过GPRS网络接收来自网关节点数据，然后将获取到的数据存储在SQL Sever数据库系统中。将存储的数据通过柱状图或是折线图进行显示分析，分析一段时间内的数据变化，判断土壤的环境参数变化趋势。再通过GPRS网络向网关节点发送AT指令，网关节点与终端节点通过ZigBee网络进行交互，实现对终端节点的远程控制。

3 智能管理系统实验分析

进行实验测试时，为了方便测试，按照1∶100的比例还原了该系统所需的温室系统环境，在100平方的温室土壤下布置10个无线终端节点，平均一个终端节点检测一个平方的土壤参数，每个终端节点都与水、肥灌溉系统的电磁阀连接，能够让单片机实现水、肥灌溉的控制，终端节点每30s获取一次土壤的EC/PH值。当改变土壤环境时，如喷洒碱度或酸度过高的溶液，传感器将检测到的异常值发送到单片机的微控制器，超过了设置的阈值，系统能够自动进行水、肥的配比，进行土壤参数的调节。然后将获取到的值通过ZigBee无线网络广播发送到ZigBee协调器，对于10个终端节点需要设置一个协调器网关即可，利用Zstack协议栈的广播发送与接收，实现多对一通信。网关将获取的参数发送到远程服务器，即上位机系统，上位机进行数据的分析，然后手动发送AT指令给终端，实现远程控制[2]。

实验结果显示，10个终端节点只需要设置一个协调器网关就足够利用Zstack协议栈的广播发送与接收信息，完全能够实现一对多通信。因此当这个系统运用到实际应用中，可以同比例设置终端检测节点。比如当这个系统运用到实际应用中，在10000平方的温室中，设置1000个终端检测节点，虽然ZigBee网络理论值可以达到65536个设备，但是防止出现数据的丢失，采用20个终端节点汇聚到一个协调器的方式，设置50个协调器网关进行数据的远程发送。并且对于水的灌溉采用定时定量的方式，每3个小时进行一次洒水，一次5分钟，肥的补给则通过系统的自动控制和远程服务器的手动补给。

4 结语

水肥一体化管理是智能农业发展的重要环节，温室农业对土壤的EC/PH值差异要求精确到几平到十几平内。因此本文系统的创新点就在于采用一对多的方式，一个网关节点对应对多个终端节点，利用传感器技术以及无线网络的技术，让温室实现了水肥一体化自动管理。且该系统经过测试，结构简单、容错率高，兼纳自动与手动两种控制方式，经过应用改造亦可作其他农业用途，具有广阔的应用空间。