基于物联网的果园药水肥一体化控制系统设计与实现

熊钦 肖丽萍 蔡金平 董伟 张鸿 陶中岩

摘要：针对山地丘陵果园生产作业中，病虫害防治和灌溉工作量大，人工成本上升，同时我国当前施肥模式粗犷、水肥浪费量大、肥液浓度不好控制等问题，结合物联网技术和互联网技术设计一种基于物联网的果园药水肥一体化控制系统。该套系统以基于CC2530的ZigBee节点为基础，结合MCU单片机及各类传感器，通过ZigBee网络实现远程监测和控制执行模块执行各种功能，同时采用模糊控制对水泵进行精准控制，实现对果树的精准施药、施肥和灌溉，并进行试验验证。结果显示，ZigBee网络的丢包率与距离没有明显关系，与上位机软件发包频率有一定关系；系统能够实现远程监测与自动控制，实时显示空气和土壤湿度、EC值和pH值等监测数据；混合药池的EC值经过系统调节690 s左右，达到设定值1.5 ms/cm，土壤EC值经过系统调节810 s左右，达到设定值1.2 ms/cm附近；同时系统根据不同的土壤EC值与混合药池EC值执行不同的灌溉方案与混肥、施肥方案，精准控制灌溉施肥，有较好的稳定性。

关键词：山地果园；药水肥一体化；ZigBee；控制系统

中图分类号：S224： TP273

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 03-0073-09

Abstract： In view of the large workload of pest control and irrigation and the increase of labor cost in the production of mountainous and hilly orchards， at the same time， the current fertilization mode in China is rough， the waste of water and fertilizer is large， and the concentration of fertilizer solution is not easy to control. Combined with Internet of Things technology and Internet technology， an integrated control system of orchard medicine， water and fertilizer based on Internet of Things is designed. The system is based on ZigBee node based on CC2530， combined with MCU and various sensors. Remote monitoring and control are realized through ZigBee network， and the execution module performs various functions. At the same time， fuzzy control is used to accurately control the water pump to realize precise fertilization and irrigation. Through experimental verification， the packet loss rate of ZigBee network has no obvious relationship with the distance， and has a certain relationship with the contracting frequency of host computer software. The system can realize remote monitoring and automatic control， and display the monitoring data such as air and soil humidity， conductivity value and pH value in real time. The conductivity value of the mixing tank is adjusted by the system for about 690 s to reach the set value of 1.5 ms/cm. The soil conductivity value is adjusted by the system for about 810 s to reach the set value of 1.2 ms/cm. At the same time， the system implements different irrigation schemes， fertilizer mixing and fertilization schemes according to different soil conductivity values and mixed medicine pool conductivity values， accurately controls irrigation and fertilization， and has good stability.

Keywords： mountain orchard; integration of liquid medicine; water and fertilizer; ZigBee; control system

0引言

我國是水果生产及消费大国，随着人们对水果需求量的增加，水果的种植面积及产量也逐年上升［1］。伴随着中国城镇化步伐的加快，越来越多农村劳动力向城市转移，不可避免地造成了农业生产人工成本上升［2］。在果园作业过程（如土壤耕整、树体管理、果品收获、病虫害防治和灌溉等）中，病虫害防治和灌溉占总工作量的40%左右［3］。山地丘陵地区果园因地形限制造成机械化程度较低，且我国60%以上的果园分布在以山地丘陵为主的省份［4］。因此，实现山地丘陵果园药水肥一体化，对不同土壤环境自主做出不同灌溉施肥方案，对于节省成本，提高药水肥的利用率，促进我国山地丘陵果园产业发展具有重要意义。

随着科技的发展，物联网在农业领域的应用也越来越广泛［5］。目前国内外现有的水肥一体化设备与农业物联网技术结合，基本均可实现基于果园实时水肥信息的自动灌溉和施肥。张宝峰等［6］采用物联网架构，设计基于物联网的水肥一体化系统，控制水肥溶液浓度EC值状态良好，在温室中实测时工作状态良好。师志刚等对水肥一体化智能灌溉系统进行设计和效益分析，在应用时节水效果显著，具有良好的应用前景。同时，也有学者研究将灌溉、施肥和施药技术相结合，杨荆等［7］设计基于专家决策系统的移动式果园水肥药一体化决策和控制系统，控制系统以PLC为核心，以Modbus通讯协议的传感器来检测系统运行参数。

果树生长受环境、气候等因素影响，因而果园药水肥一体化控制系统的设计应满足可靠性、可修改性、可拓展性、实用性和经济性［89］。本文将物联网技术与互联网技术相结合，设计一种山地果园药水肥一体化控制系统，并制作样机进行试验，测试系统的数据采集能力、通讯稳定性以及对土壤、药箱EC值的调节能力。

1系统整体结构

该系统总体结构如图1所示，主要由基于ZigBee的物联网系统［1011］、首部系统、管路系统和监控系统组成。基于ZigBee的物联网系统包括控制模块、ZigBee路由模块、执行模块、继电器模块、传感器模块等，每个模块均由CC2530作为网络通信节点，共同组成ZigBee网络。首部系统受执行模块控制，负责将已混合好的液体从混合箱输送到管路系统中。管路系统有主管、喷雾支路和喷灌支路，每条支路前端均有一个受继电器模块控制的电磁阀控制对应支路的开启与关闭；喷灌支路布置在地面，给土壤提供药水肥；喷雾支路从树冠中穿过，且在附近引出一条有4个喷头的支管，为树冠提供药水肥。监控系统包括客户端和云服务器端，客户端可以通过串口连接控制模块通信。

传感器模块采集土壤湿度、空气温湿度、光照强度、土壤EC值和pH值等田间信息后，通过ZigBee网络传送给控制模块后输送给用户端，实时显示果园中环境参数。该系统工作模式有手动和自动两种，采取手动模式，可以选择需要开启的喷灌支路及工作参数，发送给控制模块处理这些信息；同时发送相应的指令给特定的继电器模块以开启或关闭相应支路。采取自动模式时，需要预先设置果树的适宜生长环境参数范围，如土壤湿度或土壤EC值、pH值等，传感器模块每隔一段时间将所采集的数据发送给控制模块进行分析，判断环境数据是否在预先设定的区间范围内，若否，则开启电磁阀进行灌溉，直到环境参数达到适宜范围后停止。

2系统关键部分设计

2.1物联网控制系统设计

2.1.1物联网控制系统

物联网控制系统主要由控制模块、ZigBee路由模块、执行模块、继电器模块和传感器模块组成。以CC2530芯片搭建网状ZigBee网络，其协调器节点、路由器节点和终端节点与不同硬件连接，形成物联网控制系统中各模块。在实际消息收发过程中，参与通信的两个节点之间输入簇和输出簇要一一对应。为了简化系统，本套系统输入簇和输出簇均有6类，详细的功能如表1所示。

ZigBee网络中有多种通信方式，向特定节点发送信息为点播通信，向一组设备发送信息为组播通信，向所有设备发送消息为广播通信。本系统三种通信方式均可采用。每个模块均规定一个设备号，若该模块在ZigBee网络中地址发生改变，其会将自身设备号及16位ZigBee网络短地址以ADDR输出簇发送给控制模块的协调器节点，然后控制模块使用16位无符号整形数组addtable形式按照编号保存短地址，实现点播通信时根据设备号与相应模块通信。组播通信时，模块分成了4个组，所有继电器模块编入1组，传感器模块编入2组，执行模块编入3组，ZigBee路由模块编入4组，将控制模块编入所有组中，控制模块可以根据所需要求，分别与不同组的其他模块进行通讯。

控制模块是物联网控制系统的核心，由串口单元和协调器节点组成。用來组建ZigBee网络、处理客户端发来的指令、控制其他模块工作，或整理其他模块采集的信息后发送给客户端。控制模块与客户端的通信通过串口单元直接连接实现，控制其他模块时，通过客户端向基于CC2530的协调器节点发送如表2所示的指令，每条指令1～7字节不等，主要由功能字、设备号、子设备和参数组成。子设备表示相应模块上控制的设备编号，0x16代表控制该模块下所有设备。

执行模块是终端节点使用USART串口连接TTL转RS485单元，使用RS485总线主从结构连接多个从机，从机包括水压变送器、变频器和水位变送器，通过控制从机从而实现对主管水压的控制。RS485主从结构基于Modbus通信协议通信［1213］，Modbus数据帧主要包括从机地址、功能码、数据、CRC校验码4部分，如表3所示。在本系统中Modbus协议从机地址0x01、0x02和0x03分别对应水压变送器、变频器和水位变送器。采用型号为1.5G1-220V小型通用变频器，实现单相进三相出。压力变送器型号为CYYZ11-X-14-RS-17-44-B-G，5 V直流供电，RS485通讯接口，量程0～2.5 MPa。

继电器模块通过电磁阀控制支路的开启与闭合，每套继电器模块能控制4条支路，客户端连接设备端，使用设备调试方式，手动控制每条支路的开启与关闭。继电器型号为FL-3FF-S-Z-5V，直流5 V；电磁阀为直流12 V常闭型，压力范围为0～1 MPa。传感器模块用来监测果园土壤湿度、空气温湿度和光照等环境数据，并将这些数据经过控制模块发送给客户端，用户根据这些数据对果园进行作业。传感器模块是由终端节点和多种传感器，如空气温湿度传感器DHT11、土壤湿度传感器和光照传感器GY-30组成。

由于控制系统模块大部分时间处于空闲状态，低功耗方案对于节约能源、延长各模块使用时间具有非常重要的意义。该系统ZigBee路由模块、传感器模块和继电器模块有PM0和PM2两种工作模式，控制模块和执行模块只有PM0工作模式。控制模块在正常开机时，每隔3 s广播输出簇为HEART的心跳包，ZigBee路由模块、传感器模块和继电器模块只有在一直接收到输入簇为HEART的心跳包时，才能维持在PM0工作模式，否则当12 s未接收到消息时，便进入PM2模式，并将附属设备的电源断开；在进入PM2模式后，会隔一段时间进入PM0模式检查控制模块是否开机。

2.1.2系统对土壤环境的调节

系统通过传感器模块监测土壤环境，并将所测数据发送给控制模块处理，数据发送给继电器模块和执行模块，继电器模块收到命令后便会打开指定的电磁阀，以实现施肥、施药和灌溉功能。

系统对土壤EC值、土壤pH值和土壤湿度的调节方法相同。以控制土壤EC值为例，自动控制开启时，土壤EC传感器每分钟测一组数据，每组10个数据，测试值发送给控制模块；控制模块计算每组数据的平均值，得到EC平均值ECg，并将ECg上传到上位机；上位机将数据显示并保存；查阅相关资料可知，适宜果树生长的EC值在0.5～1.5 ms/cm之间［7， 14］，控制模块设定果树生长初始EC值为EC0，取1.2 ms/cm。然后，控制模块将计算初始值EC0与平均值ECg的差值，得到ΔEC=EC0-ECg；设置传感器模块对土壤EC值的测量范围为［0，3］，则ΔEC值范围为［-1.8，1.2］；将ΔEC范围分成8个小区间，即［-1.8，-1］、［-1，-0.5］、［-0.5，-0.1］、［-0.1，0］、［0，0.1］、［0.1，0.5］、［0.5，1］、［1，1.2］，每个区间代表不同控制命令，如表4所示。最后，执行模块根据ΔEC值区间，发送不同指令给首部系统与管路系统，控制电磁阀的开闭时间，从而调节土壤EC值。若一次调节未达到适合EC值，系统则重复上述操作，直到土壤环境达到适合范围。

2.2首部系统与管路系统设计

首部系统与管路系统通过ZigBee网络控制电磁阀的开闭以实现灌溉、施肥和施药功能，系统如图2所示。

该首部系统与管路系统主要由水池、水泵、变频器、电磁阀、水压变送器、水位变送器、EC传感器、pH传感器和各个药液罐等组成。其中变频器、水位变送器、压力变送器是通过RS485总线与执行模块连接，电磁阀与继电器模块相连接，通过继电器模块控制其开关。

过滤器过滤水池、药池的杂质和未溶解的肥料，以防止施肥时肥液实际浓度过高。系统工作时水泵将水抽入混合药池，达到一定水位时停止。混合药池pH传感器与EC值传感器时刻监测混合药池中混合液的EC值与pH值，并将数据发送给控制模块，对比分析；若EC值与pH值未达到初始值，控制模块则给继电器模块发送信息，打开相应电磁阀，同时施肥泵开始工作，通过文丘里施肥器的负压，把肥料、酸液、碱液和药液吸入到混合液罐里。EC传感器与pH传感器继续测量混合液的EC值与pH值，反复执行，直到混合液EC值与pH值达到设定值，施肥泵与肥液、酸碱液处的电磁阀关闭。

同时传感器模块监测果园土壤环境，将所测数据发送给控制模块，进行分析；若土壤湿度、EC值、pH值未达到设定值，则发送信息给继电器模块，此时若混合液符合灌溉要求，继电器模块开启对应管路的电磁阀，对未达到要求的区域进行灌溉、施肥，以达到最适合果树生长的环境。

2.2.1模糊控制分析

混合药池EC值的调节采用模糊控制原理［1516］，其过程如图3所示。将真实的输入值模糊化处理为模糊集，在模糊规则的定义下推理出模糊输出值，最后将模糊输出反模糊处理为真实的输出值。

模糊控制各参数取值范围如表5所示。输入值通过模糊化处理得到控制变量E（k）和EC（k），两个变量通过模糊推理得到输出值u，再通过反模糊处理换算成为电磁阀的开启时间U，以达到对混合药池电导率的控制。

为达到较为精确地控制效果，参考同类型设计［19］，设置模糊变量区域：NB（负大），NM（负中），NS（负小），NZ（负零），Z（零），PZ（正零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）。偏差e，偏差變化率ec和电磁阀开启时间U模糊语言值和量化论域等级的选取如表6所示。

2.3监控系统设计

监控系统包括客户端和云服务器端，监控整套系统的运行。客户端通过VB.NET编程语言编写，与云服务器端和设备端基于MQTT3.1.1协议［20］进行通信。客户端由登录页面、首页、运行监测、工作控制、数据管理、连接模式和设备调试组成。客户端向控制模块发送的指令有工作开始指令、工作暂停指令、工作继续指令、工作停止指令、主管修正压力改变指令、作业强度改变指令和调试设备指令。控制模块向客户端发送设备运行数据和环境数据，客户端将这些数据实时显示并储存起来，方便查询历史数据。指令和数据以MQTT协议的发布报文发送，监控系统工作流程如图6所示，设备端时刻采集环境数据（包括土壤湿度、土壤与药箱EC值等）并分析，将采集到的数据通过串口发送给客户端，客户端收到数据后会将其显示在客户端界面，并将数据发送给服务器端，服务器端会将数据存储起来，以供使用，同时客户端会分析接收到的数据，对不同的数据做出不同的控制决策指令，并将指令发送给设备端，以控制设备端对环境的调节。监控系统的客户端界面如图7所示。

3系统样机试验

3.1传感器模块功能试验

准备好传感器模块、控制模块和上位机等部件，对模块进行功能调试，直到模块能够正常通信，在樱花园布置1套传感器模块，时刻监测樱花园的环境，并通过ZigBee网络将数据发送至控制模块，并上传至上位机软件显示出来。试验时间是2021年6月30日12点50分至22点30分，传感器模块可采集空气温湿度、土壤湿度和光照强度，将测试数据实时显示并存储起来，环境参数变化曲线图如图8所示。

2021年6月30日当天，在14：00之前天气晴朗，15：00之后逐渐转为阴天，并在18：00左右开始下雨。从图8可见，在15：00之前，空气温湿度变化并不明显，土壤水分也随阳光蒸发，土壤湿度逐渐下降，由于云层的移动，光照强度大小波动比较明显。15：00之后，阴云密布，空气温度下降，空气湿度逐渐上升，光照强度也逐渐减小。在18：00左右，开始下雨，空气温度下降，空气湿度上升，土壤湿度则开始上升，此时也基本没有光线，光照强度也约为0。19：00过后，雨停，空气温度达到测试时间段的最低约为27 ℃，空气湿度达到测试时间段的最高值约为95%，土壤湿度和光照强度基本没有产生较大变化。

3.2物联网通讯试验

将控制模块通过串口与上位机进行连接，当控制模块与传感器模块能够正常通讯后，将传感器模块远离控制模块不同的距离进行通讯试验。

串口给控制模块发送以“0xFF开头的9字节测试数据包”；控制模块接收到该数据包时，以输出簇CESHI向传感器模块发送该数据包；传感器模块接收后以同样输出簇返回该数据给控制模块；控制模块将接收到的返回数据以串口通讯方式返回给上位机软件（图9）；上位机软件对接收到的该帧数据进行分析，判定是否出现错包情况。ZigBee节点使用信道11（2.4 GHz）、发射功率-17 dBm和接收灵敏度-91 dBm通信，传感器模块使用9 V干电池作为电源，每组测试时发送1 000个数据包，每个数据包发送间隔为100 ms、200 ms和300 ms，在试验过程中，未发现出现错包情况，结果如图10所示。

可见，ZigBee网络的丢包率与距离没有明显关系，但与上位机软件发包频率有一定关系。在发包间隔为300 ms时，出现丢包概率非常低，在发包间隔变短的情况下，丢包率增加，丢包率上升的情况可能跟ZigBee节点的数据处理延迟有关。在试验过程中，发现ZigBee网络中两节点通信距离可以达到130 m，但距离过大容易出现掉线情况。

3.3混合药箱EC值自动调节试验

在江西農业大学工学院进行混合药箱EC值自动调节试验。肥液箱中存有EC值为5 ms/cm 的肥液，试验通过传感器模块的液体EC传感器时刻测量混合药箱的EC值，并将数据发送给控制模块，控制模块通过分析数据，发送不同的指令给继电器模块，控制继电器的开闭，以控制水泵的开启和关闭，从而调节混合药箱的EC值。

液体EC传感器模块每隔5 s会将测得的液体EC值数据通过ZigBee网络发送给控制模块，控制模块再通过串口将液体EC值数据发送至电脑上位机程序，进行实时显示并存储起来。与此同时，EC传感器模块以30 s为一个周期，将测得的混合药箱的EC值与设定的初始值作对比分析，根据不同的分析结果发送不同的信息给控制模块。控制模块会根据收到的不同信息发送不同的指令给继电器模块，控制继电器模块的开闭时间，从而控制水泵的开启时间，肥液箱中的肥液被水泵抽入到混合药箱，以调节混合药箱的溶液EC值。试验结果如图11所示。可见，混合药箱的EC值随时间逐渐上升，在690 s左右时达到设定值1.5 ms/cm，并稳定下来，控制较为平稳。

3.4土壤EC值自动调节试验

在江西农业大学工学院樱花园进行土壤EC值自动调节试验。将土壤EC传感器的钢针横向插入土壤，再进行覆土。土壤EC传感器模块每隔3 s会测量一次当前土壤的EC值，并通过ZigBee网络将数据发送给控制模块，控制模块收到数据后会通过串口将数据上传至上位机，上位机程序将数据实时显示并存储起来。与此同时，每隔60 s，土壤EC传感器模块会将收集到的一组10个数据进行求和，并求出平均值，再将平均值与初始设定的EC值作差，根据差的大小，发送不同的信息给控制模块，控制模块根据所接收到的不同信息，发送不同的指令给继电器模块，以控制水泵的开闭时间，完成土壤EC值的自动调节。

由于施肥时土壤EC值会快速上升，停止施肥一段时间后，肥液会渗入土壤中，导致土壤EC值快速下降，因而需取土壤EC值趋于稳定时数据，这里每隔90 s 取一次数据，如图12所示为土壤EC值随时间变化情况，樱花园的初始土壤EC值为0.292 ms/cm，随着时间逐渐上升，在810 s左右到达1.1 ms/cm后趋于平稳。

4结论

1） 本文采用物联网技术和互联网技术研制了一套果园药水肥一体化控制系统。系统主要由监控系统、物联网控制系统和管路系统组成。监控系统包括客户端和云服务器端，通过MQTT协议与其他模块进行数据传输，以实时检测果园环境，并作控制决策；物联网控制系统主要由控制模块和执行模块组成，系统通过CC2530芯片构建ZigBee网络，实现模块之间的远程通讯，果园环境数据与决策指令的远程传输都基于ZigBee网络实现；管路系统主要负责控制不同管路的开闭，在工作时通过ZigBee网络接收决策指令并执行，实现灌溉和施肥功能。

2） 在物联网通讯试验中，ZigBee网络两节点的丢包率跟发包间隔有一定的关系，当发包间隔大于300 ms，发生丢包的概率很小。在测试时，两节点之间的通信距离在100 m内连接非常稳定，最远可以达到130 m。

3） 在混合药箱EC值自动调节试验中，混合药箱EC值能够进行自动调节，在690 s附近达到设定值1.5 ms/cm，控制较为平稳，而在土壤EC值自动调节试验中，土壤EC值在施肥时与刚停止施肥时变化很快，在810 s附近达到设定值并稳定，控制较为平稳。

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