基于物聯網的果園水肥一體控制系統(tǒng)的開發(fā)與應用

陳維榕，王 虎，彭志良，李莉婕，趙澤英，李裕榮

（貴州省農業(yè)科技信息研究所，貴州貴陽550006）

基于物聯網的果園水肥一體控制系統(tǒng)的開發(fā)與應用

陳維榕，王 虎，彭志良，李莉婕，趙澤英＊，李裕榮

（貴州省農業(yè)科技信息研究所，貴州貴陽550006）

為提高果園灌溉用水及肥料利用率，降低水肥使用成本，基于無線傳感器網絡和Internet技術，研究水肥一體控制系統(tǒng)架構，開發(fā)出基于Webservice接口的控制軟件、桌面單機應用系統(tǒng)與手機APP應用系統(tǒng)，實現系統(tǒng)硬件與軟件的融合，用戶使用web瀏覽器、桌面客戶端與手機可進行果園的水肥一體管理，實現灌溉自動化?？刂葡到y(tǒng)在貴州10個果樹基地（172.07hm2）進行水肥一體化應用示范，能精確控制灌水量和施肥量，顯著提高水肥利用率，達到節(jié)水、節(jié)肥、省工、優(yōu)質、高效、增產和增收的效果，有利于實現果園果樹的標準化栽培。

水肥一體；物聯網；控制系統(tǒng)；Zigbee；WebService；App

貴州省大部分果園位于山地、丘陵，有些地方石漠化嚴重，且遠離水源，傳統(tǒng)的灌溉施肥操作非常困難。隨勞動力和化肥等生產資料價格上漲，水果種植成本逐年升高，比較效益下降。由于缺少合理的養(yǎng)分管理措施和相應的技術指導，水、肥過量投入或不足的現象十分普遍，這不僅對果樹的產量和品質造成不利影響，而且還會造成多余養(yǎng)分向深層淋溶進入地下水，或隨徑流進入地表水源，造成環(huán)境污染?！八室惑w化”灌溉施肥技術是將植物營養(yǎng)元素以適當的配方注入到滴灌水中，達到施肥與灌溉同步進行，其不僅是灌溉和施肥工作的結合，也是在農業(yè)生產上的技術集成。隨水肥一體化技術的發(fā)展，智能化控制系統(tǒng)逐漸得到應用，但目前我國應用的一些水肥一體灌溉系統(tǒng)運行載體比較單一，都是基于某一種硬件作為載體［1－3］，各自擁有一套采集和控制器、一套數據庫和一套數據接口，僅實現一對一的水肥一體化控制。由于貴州土地少而分散，導致田間控制和測量點分散，需要化零為整進行統(tǒng)一管控，現有的許多系統(tǒng)在貴州山區(qū)果園不適用。為實現貴州果品生產中省水、省肥、省工，提高果樹果實產質量及農戶的生產科學性和主動性，筆者等在研究果園水肥一體控制策略的同時，積極研究水肥一體控制系統(tǒng)的架構［4－6］，開發(fā)出基于物聯網的適用于貴州山區(qū)果園的水肥一體控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構

通過對已有的水肥一體控制系統(tǒng)［7－16］，按照數據信息流的流轉順序，將水肥一體控制系統(tǒng)架構設計成設備層、通信層、數據層、接口層和用戶層5個層次（圖1），各層獨立，以強化系統(tǒng)的模塊化，實現高內聚、低耦合。設備層匯集田間各種環(huán)境采集傳感器、采集與控制模塊，用于數據采集和控制。通信層為ZigBee、VPN、WiFi、GPRS、3G／4G等不同網絡融合組成，根據現場不同的網絡接入條件采用不同的實現方式，將設備層用物聯網與Internet網連接到控制中心，負責傳輸采集的數據和控制指令。數據層記錄系統(tǒng)中產生的所有數據，包括采集到的各種環(huán)境實時數據和控制系統(tǒng)運行中的動態(tài)數據，為接口層作數據支撐。接口層負責協(xié)調用戶應用系統(tǒng)、采集與存貯數據、控制決策支持、控制指令發(fā)送等，由Webservice接口軟件與服務器負責。用戶層為在不同硬件環(huán)境下的用戶應用軟件，通過不同載體對田間進行水肥一體化控制，實現一個中心多個應用系統(tǒng)，包括運行在PC上的桌面客戶端水肥一體化控制系統(tǒng)、運行于Android等智能移動設備的APP系統(tǒng)和WEB網站系統(tǒng)等。

圖1 果園水肥一體控制系統(tǒng)的架構Fig.1 The framework of the orchard water and fertilizer integration control system

2 控制接口軟件

控制接口軟件采用Webservice技術實現，可以實現環(huán)境數據的采集與查詢、系統(tǒng)控制管理與告警管理等功能。數據采集主要是對田間信息采集設備設定程序或下達指令，按要求實時采集土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照、蒸發(fā)、降雨量和風速等田間環(huán)境數據，接口軟件在收到這些數據后，通過解析將采集到的電流或電壓值轉化為可讀懂的數據存貯到數據庫中。數據查詢提供系統(tǒng)采集的數據、系統(tǒng)運行過程中的數據、歷史告警信息數據等面向客戶端的服務接口，用戶根據定制好的前端接口格式向服務發(fā)送請求，服務接口根據請求的內容從數據庫中提取數據信息，按格式返回給用戶。系統(tǒng)控制管理主要是對各個控制分區(qū)或設備進行灌溉與施肥控制，管理員通過應用系統(tǒng)軟件手動打開控制開關閥即可實時對一個或者多個控制點進行灌溉或施肥；或由管理員配置施肥或灌溉的控制區(qū)、時間段、施肥或者灌溉量等信息，系統(tǒng)會按時按量對設定控制點進行施肥或灌溉；或按照環(huán)境監(jiān)測數據，根據灌溉、施肥的相關管理模型進行計算，智能配置灌溉施肥計劃，按時按量進行自動化施肥或灌溉。告警管理是指根據農作物水肥管理模型，設置土壤溫濕度、空氣溫濕度和降雨量閥值，配置告警短信，當采集到的實時數據超過閥值，系統(tǒng)將給管理員發(fā)送告警短信，提醒管理員采取相應的處理措施。

3 桌面水肥一體化控制系統(tǒng)

采用Visual Studio 2010開發(fā)，系統(tǒng)采用C／S模式，通過Internet與Webservice進行數據調用與設備運行指令交互，操控物聯網設備運行。系統(tǒng)通過用戶名和密碼登錄后進入水肥控制系統(tǒng)首頁，總體上分為環(huán)境監(jiān)控、手動灌溉施肥、智能灌溉施肥和視頻監(jiān)控4個模塊。環(huán)境監(jiān)控主要從網絡數據庫中獲取實時管理分區(qū)的氣象與土壤環(huán)境信息，支持實時環(huán)境數據、歷史數據查詢和分析，具體操作時由管理區(qū)域地塊下拉列表觸發(fā)改變頁面中環(huán)境信息數據及曲線圖。手動灌溉施肥對于系統(tǒng)中的各類控制設備設置控制按鈕，操作按鈕開關后通過按鈕顏色的變更，表示一個控制動作的完成，頁面中同時顯示出當前管理分區(qū)的區(qū)域信息、視頻、環(huán)境數據和灌溉流量等。智能灌溉施肥包含分區(qū)灌溉施肥控制和自動灌溉施肥設置，在選擇分區(qū)后可分別選擇灌溉電磁閥和施肥電磁閥，進行灌溉和施肥的開啟與關閉；自動灌溉施肥設置可設定按時間、環(huán)境參數、流量進行灌溉與施肥；同時還顯示施肥和灌溉柱狀圖、視頻和當前環(huán)境數據等，新增加和歷史設置都保存在已保存列表中（圖2）。視頻監(jiān)控主要是對控制區(qū)域的視頻監(jiān)控，管理員可以實時查看監(jiān)控區(qū)域的視頻數據。

圖2 果園水肥一體控制桌面應用系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控（左）與智能灌溉施肥（右）界面Fig.2 The environment monitoring（left）and intelligence irrigation and fertilization interface（right）on the desktop of the orchard water and fertilizer integration control system

圖3 果園水肥一體控制Android APP系統(tǒng)界面Fig.3 The Android APP interface of the orchard water and fertilizer integration control system

4 APP水肥控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用eclipse工具開發(fā)，可在Android 2.2以上操作系統(tǒng)上運行，主要有環(huán)境監(jiān)測、設備控制、數據查詢、視頻監(jiān)控和設置等模塊功能。環(huán)境監(jiān)測中能選擇控制區(qū)查看土壤溫度、土壤濕度等環(huán)境數據；控制開關中有加壓水泵、施肥和控制區(qū)開關等的打開與開關功能，能夠手動控制對該區(qū)域進行灌溉或者施肥控制；同時也能設置是否由系統(tǒng)自動控制，如打開灌溉自動控制時，遠程控制服務器將按照自動化設置進行自動化灌溉。系統(tǒng)可以根據控制區(qū)查看具體時間段的數據，查看與調整實時監(jiān)控視頻，對施肥、灌溉進行分區(qū)的時間、流量和環(huán)境等自動控制參數配置（圖3）。

5 示范應用

以開發(fā)出的果園水肥一體控系統(tǒng)為基礎，與相關種植企業(yè)、農戶合作建立了10個果園水肥一體化應用示范基地（172.07hm2）。其中，南明區(qū)永樂鄉(xiāng)桃水肥一體化示范園2.07hm2，關嶺縣板貴鄉(xiāng)三家寨村火龍果水肥一體示范園18.67hm2、壩山村火龍果水肥一體示范園7.33hm2、田壩村綠色未來高效農業(yè)科技開發(fā)有限公司火龍果水肥一體示范園20hm2、斷橋鎮(zhèn)簡桃果蔬種植專業(yè)合作社火龍果水肥一體示范園2hm2，羅甸縣林場火龍果水肥一體示范園13.33hm2，麻江縣賢昌鄉(xiāng)花果源生態(tài)農業(yè)開發(fā)公司獼猴桃園水肥一體示范園33.33hm2，凱里市阿元種植場葡萄園水肥一體示范園2hm2、凱發(fā)種養(yǎng)殖專業(yè)合作社獼猴桃水肥一體示范園6.67hm2，普定縣后寨林場綠源苗業(yè)有限公司精品水果水肥一體示范園66.67hm2。

水肥一體控制系統(tǒng)可按果樹所缺的養(yǎng)分、水分定量定點精確施肥、灌溉，使土壤養(yǎng)分、水分協(xié)調，推動了水果生產的標準化，節(jié)水、節(jié)肥，減少勞動力的投入，從而增產增收。對關嶺縣板貴鄉(xiāng)火龍果水肥一體示范園的長期監(jiān)測與現場測產，系統(tǒng)示范園與傳統(tǒng)灌溉施肥相比節(jié)水65%左右、節(jié)肥50%，2014年示范區(qū)第4臺果平均每株結果11.9個、單果重0.206kg、優(yōu)質果率達85.6%，對照區(qū)平均每株結果8.8個、單果重0.1kg、優(yōu)果率為30%，示范區(qū)較對照增產178%、優(yōu)果率增加55.6百分點。

5 小結

1）基于不同載體的果園水肥一體化控制系統(tǒng)以傳感器作為數據采集源，電磁閥作為控制終端，通過數據交換與處理，對果樹生長環(huán)境中的土壤水分、空氣溫濕度、光照強度和水池水位等數據進行實時采集并分析入庫。同時，通過計算機或者移動設備對環(huán)境參數進行設置，并根據果樹生育周期內需水、需肥的技術要求，經過邏輯判斷可以實現手動或自動控制電磁閥執(zhí)行設備完成灌溉、施肥作業(yè)以及缺水缺肥的告警，實現物與物、物與人，所有物品與網絡連接，方便識別、管理和控制。APP系統(tǒng)能夠安裝在攜帶方便的智能移動設備上，隨時隨地遠程觀察到田間動態(tài)，并進行水肥控制。

2）果園水肥一體化控制系統(tǒng)實現了節(jié)水灌溉的自動控制，系統(tǒng)通過編輯灌溉程序，設置灌溉時長和開始時間，設置施肥量和施肥時間，設置滴灌開啟和停止?jié)穸?。當到達灌溉時間時，相應的灌區(qū)按照計算機指令自動輪灌，當運行完設定時長后田間所對應的灌區(qū)電磁閥即會關閉。在灌溉過程中，按照比例配好待用肥液，設定好施肥量和施肥時間，在灌溉時可以自由設定施肥時間和管道沖洗時間（防止滴灌系統(tǒng)化學堵塞）。只要計算機發(fā)出灌溉指令，系統(tǒng)會按設定程序注入事先配好的肥液，能夠精確控制灌水量和施肥量，顯著提高水肥利用率，有利于果園實現標準化栽培。

3）果園水肥一體化控制系統(tǒng)中的水肥管理模型還處理初級階段，在下一步研發(fā)中，將加強不同果樹的水肥模擬模型研究，使系統(tǒng)更加智能化，減少人工干預，更好實現節(jié)水、節(jié)肥和節(jié)約勞動力，以提高系統(tǒng)的使用效益。

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（責任編輯：馮 衛(wèi)）

Development and Application of the Orchard Water and Fertilizer Integration Control System Based on Internet Technology

CHEN Weirong，WANG Hu，PENG Zhiliang，LI Lijie，ZHAO Zheying＊，LI Yurong
（Guizhou Institute of Agricultural Science and Technology Information，Guiyang，Guizhou550006，China）

The water and fertilizer integration control system framework based on wireless senor network and Internet technology has the functions of Webservice ports control software and fusion between system hardware and software.The orchard water and fertilizer integration management and irrigation automation be realized by web browser，desktop clients and cellphones to improve utilization efficiency of irrigation and fertilizer and reduce use－cost of water and fertilizer.The control system can precisely control irrigation amount and fertilization amount and significantly increase the utilization efficiency of water and fertilizer at 10fruit bases（172.07hm2）in Guizhou，which indicates the control system with advantages of water－saving，fertilizer－saving，low labor cost and increase in production and income is beneficial to orchard’s standardization cultivation.

water and fertilizer integration；internet technology；control system；Zigbee；WebService；App

S126；S14l7.2

A

1001－3601（2016）08－0359－0140－04

2016－06－20；2016－07－26修回

貴州省農業(yè)科技攻關項目“果樹水肥一體化控制技術集成與應用”［黔科合NZ字（2012）3021］，“果蔬作物物聯網關鍵技術集成與示范”［黔科合NY字（2011）3097］；貴州省農業(yè)科學院項目“貴州主要經濟作物物聯網關鍵技術集成與示范應用”［黔農科院院專項（2011）030］，“貴州辣椒、火龍果數字化管理技術研究”［黔農科院自主創(chuàng)新科研專項字（2014）011］，“農業(yè)園區(qū)水肥精準控制管理技術研究與示范”

陳維榕（1987－），女，研究實習員，從事農業(yè)信息技術研究。E－mail：515239705＠qq.com

＊通訊作者：趙澤英（1975－），男，研究員，從事農業(yè)信息技術研究。E－mail：zeyingzhao＠126.com