基于物联网的水肥一体化智能灌溉系统的设计与研究

摘 要：随着水肥一体化智能灌溉系统的发展，以本校园区与广西天峨县龙滩珍珠李种植基地作为研究实验基地，对水肥一体化智能灌溉系统进行设计研究及效益分析。智能灌溉系统主要包括大数据平台、气象环境监测系统、土壤灌溉控制系统、智能施肥控制系统、远程土壤墒情监控系统以及灌溉管道监测、流量监测、远程作物生长监测系统六大部分。通过效益分析结果表明，基于物联网的水肥一体化智能灌溉系统应用效果显示，其省工节水增收效果显著。

关键词：物联网 水肥一体化 智能灌溉系统 效益分析

中图分类号：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

我国作为一个农业大国，在农业耕种上，水资源的使用存在很大的浪费，通过查阅参考文献，我国的淡水资源也比较短缺。但目前大家用水的思想观念还没有转变，总是觉得水用不完，没有节约意识，这就使淡水资源更加不足[1]。例如：现在的农业种植，不管是大棚还是露天的种植，都是大水漫灌，水资源的浪费非常严重。当前，在传统的农业种植中，化肥资源的使用，也有很多不合理的地方，也存在比较严重的浪费现象。此外，化肥的过度使用也会使土壤的结构发生一定的变化，使种植的农作物的产量、品质都会降低，影响种植效益。在这样的背景下，课题组通过实地走访调查广西农业职业技术大学八桂田园现代农业展示园（以下简称本校园区）以及广西天峨县龙滩珍珠李种植基地，在水肥一体化的应用上存在的不足，在现有的基础上进行提升改进，提出了基于物联网的水肥一体化智能灌溉系统的设计研究[2]。水肥一体化智能灌溉系统的建设使用，非常有发展前景，不仅提升了农产品的品质，提升了产量，还解决了劳动力短缺等问题。本项目在本校园区实验基地的研究中，通过数据统计分析，取得了一定的成效。因此，本课题的研究，为实现农业种植绿色可持续发展奠定了一定的基础。

1 水肥一体化智能灌溉系统设计研究

根据广西天峨县龙滩珍珠李种植基地与本校园区农作物种植情况基本相似，结合研究实际，本研究主要以本校园区作为研究基地。本校园区正在使用的灌溉系统，其在变量施肥技术的使用相对较少，与现代的自动施肥灌溉系统有一定的差距。例如：没有将现有的农地进行科学的划分管理，没有进行相应的数据监测，只有简单的灌溉系统。在本项目的研究中，在总体的设计上有很大的变化，例如将农地的土壤进行相应的划分，设计出不同的区域，在数据的监测应用上，本项目通过大数据对前几年的果品产量、品质、土壤中的EC与pH值以及一些病虫害等进行综合分析，做出科学合理的施肥决策[3]。因此，在研究的过程中，课题组成员通过技术监测，达到合理施肥、灌溉、数据管理，在提升产量与节约成本的同时，也保护好耕地的使用，确保土壤中的养分，以及EC与pH值保持科学合理。

1.1系统组成模块设计

在现有的灌溉基础上，通过对当前较为常见的规模经营农业种植园区，并结合本校园区实际情况，对现有的灌溉系统进行设计研究，加以改善，并进行应用实施[4]。该系统主要包括六大部分：（1）大数据平台，主要进行数据的收集分析，控制管理等；（2）气象环境监测系统，用于对实验基地的气象与当前的环境进行数据采集，主要体现在实验基地雨量、温度、湿度等参数信息；（3）土壤灌溉控制系统，主要进行对农地进行的湿度进行控制灌溉；（4）智能施肥控制系统，其体现在水肥的灌溉，监测水肥的配置是否科学合理，灌溉用量的多少等；（5）土壤墒情监控系统，主要对土壤中的EC与pH值进行监测，根据相关数据，做出合理的施肥；（6）农作物生长监测系统，该系统的作用，用于对不同时期农作物生长的情况进行监测，并根据当时的情况做出合理的水肥灌溉[5]。在系统的组成设计中，总的理念是，对智能施肥系统与能效监测系统进行调节，同时也可通过主机客户端或手机客户端访问大数据平台，对灌溉控制系统进行参数调试，保证系统安全可靠运行，促进农作物增产提质。

1.2水肥智能化模块设计

该模块主要分为控制管理与灌溉实施，其包括智能施肥控制系统，土壤灌溉监控管理系统，灌溉监测等几部分。在设施的过程中，通过控制管理平台将设施设备与水源及农作物进行统一的连接，进行灌溉管理，在农作物的上方进行喷洒管道布置。其中控制部分的设计主要通过ZigBee进行无线传输，元器件采用单片机cc3235等相关的器件等组成[6]。在水的灌溉系统上进行水肥连接，做到水肥的合理配置与施肥。

在实施的过程中，水肥一体化智能灌溉是根据监测到的情况进行自动化或人工来进行操作，其种植户根据农作物在某一生长时期，通过数据平台对灌溉系统设置进行灌溉、施肥，也可以对其进行数据监测做到自动灌溉或施肥。在水肥灌溉过程中，针对管道易堵塞的情况进行了分析，其主要情况为：一是肥料中存在较大的不溶物引起的堵塞；二是肥料与水发生相关的反应，对管道进行堵塞；三是水肥配置不当使得肥料产生相关的沉淀物对管道进行堵塞。在灌溉施肥过程中，如果管道进行了堵塞，就会引起水肥灌溉不均匀，导致灌溉系统运行性能下降，严重时甚至造成整个系统崩溃。因此，在针对这3种情况，课题组提出了相应的解决方案。一是在管道的设计上，通过对管道孔的间距设计出相对大一点的圆孔，使其颗粒物通过大孔排出；二是针对灌溉的水压适当加压，有利于颗粒物的排出；三是提前进行配置观察，看肥料在水中是否产生相关的沉淀物与漂浮物，并采取相应的措施进行处理。通过这些方案，可以很好地解决水肥灌溉中管道易堵塞的问题。

1.3远程监控模块设计

该模块主要由气象环境监测系统，远程土壤墒情监控系统，远程作物生长监测系统组成。农作物在生长的过程中，所处的环境与土壤施肥过程中产生的墒情会不同，所需要的水肥也会不同。因此，如何进行水肥灌溉，就需要进行监控或走进农地进行相应的分析，从而进行更合理的水肥配置，达到预期效果。

天气的变化，也会对种植的农作物产生较大的影响。因此，在种植地通过气象环境监测系统，进行雨量、温度、湿度的采集，通过大数据平台进行分析，使其主要采用内置的历史数据进行比对，并结合彭曼公式分析得出参考农作物需水量、生长系数以及实际需水量等作为参考依据，制定合理的水肥灌溉，确保农作物的科学合理生长。在灌溉系统中，土壤墒情监控系统非常重要，其起到了对土壤变化的监测[7]。再通过对土壤的闭环监控，配制一定EC值、pH值的水肥，进行合理的水肥灌溉。在灌溉的过程中对土壤含水量、施肥情况进行自动评估测算，并进行灌溉水的上、下限值设定，达到合理的动态平衡灌溉。远程作物生长监测系统，主要是通过农作物的生长情况的图片采集存储，再通过比对其目前的生长趋势变化，及时调整施肥方案，施肥的科学合理，能尽最大可能地减少病虫害对农作物的危害。

2 系统硬件设计

根据园区实验基地的规模及实施情况，其主要采用ZigBee无线通信模块，以及cc3235单片机作为控制器件模块。其主要采用的是响应速度快，通信频率稳定，可靠性高等优势。

2.1 ZigBee通信模块应用

ZigBee通信技术已相对比较成熟，应用广泛。是一项新型的无线通信技术。 本研究设计，主要基于ZigBee无线通信技术的相关优点，如能达到相互协调的功能，传输效率高，通信速度快，其适用于短距离的通信，其技术遵循专业的无线标准[8]。

2.2 单片机控制模块

在系统控制器方面，本系统的设计研究主要采用cc3235单片机作为主要控制器件。采用cc2535单片机作为控制器，不仅可以很好地与ZigBee协议进行结合，还可以对监测模块的各种传感器进行控制，及数据的采集传输。在设计中，主要应用cc3235单片机控制器，具有很强的接收灵敏度和抗干扰能力，能以非常低的成本，就能建立起一个非常强大的网络平台。因此，它可以适应一些低功耗的系统管理平台。

3 程序控制设计

程序控制系统的设计，在单片机的控制设计方面，大多数采用c语言进行程序设计。但本研究主要采用Python语言进行对cc3235单片机的控制，其主要利用Python语言强大的第三方库，其开发功能强大，且简单易用。在程序的设计中主要运用Python对c3235单片机和ZigBee模块进行程序设计对接，由于Python语言的灵活性，在设计应用中能以简易的方式编译处理编译多级别的储存器。Python语言提供了许多的内核处理功能，在跨平台的数据处理上有独特的优势。本系统的设计主要采用python与cc3235单片机通信接口进行物理连接。

4 应用案例分析

4.1项目应用情况分析

该物联网水肥一体化智能灌溉系统，在原有的灌溉系统基础上，于2023年在本校园区种植基地妮娜皇后葡萄的种植上进行了试验，该示范基地的面积为0.53 hm²。实验基地所处的位置属湿润的亚热带季风气候，阳光充足，雨量充沛集中。在实验的过程中，主要对种植中的3个大棚进行实施。在相对比较合理的地方布置好相关的监控系统，对相应的数据进行采集，确保数据的收集合理可靠有效，并把数据传输到数据控制中心进行分析处理。

4.2效益统计分析

项目投资实施分析测算，该物联网水肥一体化智能灌溉系统工程总投资为12.8万元，覆盖的面积为0.53 hm²，其每亩的平均投资为1.6万元，其正常使用年限为8年。折算到每年的投资成本为2000元。

通过统计，在种植实验基地中平均每亩采收葡萄1400kg，比非实验区增收160kg，增产12.90％，其品质也得到了一定的提升。该品种的葡萄市价每斤卖30元，每亩增收9600元，每亩节省人工费1 200元。其在节工节肥节水等方面也比较有成效，统计分析得出，通过水肥一体化智能灌溉系统每0.067 hm²可多得12 320元的收入，其每亩每年的投资成本为2 000元，其最终统计可以得出，每亩可多得收入10 320元。通过数据统计分析可以得出，水肥一体化智能灌溉系统的实施具有明显的增效优势，虽然初次投入资金比较大，但按总体成本分年度分面积来算，还是值得投入。

5 结语

从上述的效益统计分析中，可以得到基于物联网的水肥一体化智能灌溉系统的设计，有效地节约了用水用肥的成本。本设计不仅可以有效缓解浪费水资源的问题，还可以使养分水分得到充分利用，提高经济效益。当然在便捷的同时，水肥一体化的推广还有待加强，这个也是课题组在今后需要探索的一个方向。

参考文献

[1] 张守艳，宗峰.基于物联网技术的水肥一体化智能灌溉系统设计[J].电子测试，2022 （19）：30-32，11.

[2] 王文婷，翟国亮，郭二旺，等.水肥一体化智能灌溉系统组成与设计[J].河南水利与南水北调，2021（5）：83-84.

[3] 师志刚，刘群昌，白美健，等.基于物联网的水肥一体化智能灌溉系统设计及效益分析[J].水资源与水工程学报，2017，28（3）：221-227.

[4] 刘佳琪.农田水肥一体化智能灌溉控制系统研究与设计[D].郑州：华北水利水电大学， 2021.

[5] 钟峰，唐东成.基于ZigBee的水肥一体化智能灌溉系统设计[J].南方农机，2020，51 （22）：176-177.

[6] 余霭雯，黄志伟，刘中博，等.一种多功能传感水肥一体智能灌溉装置的研发[J].南方金属，2023（6）：62-64.

[7] 杨宝成.新时期水肥一体化智能灌溉技术分析[J].河北农机，2023（14）：105-107.

[8] 窦文豪.基于Stacking集成学习的枣树智能灌溉系统开发[D].阿拉尔：塔里木大学， 2023.