基于互聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化精量控制系統(tǒng)

秦磊磊 王富軍 胡樹(shù)冉 趙慶柱

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)水肥一體化落后問(wèn)題，文中結(jié)合自主研發(fā)的農(nóng)業(yè)信息測(cè)控平臺(tái)，設(shè)計(jì)一種基于互聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化精量控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)不僅支持遠(yuǎn)程/本地控制，數(shù)據(jù)采集、處理、轉(zhuǎn)發(fā)、顯示，執(zhí)行功能，而且使用環(huán)境多樣、支持“智農(nóng)云寶”測(cè)控終端類型、支持遠(yuǎn)程/本地控制。試驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)可靠性高、控制響應(yīng)速度快，可應(yīng)用于果園，大棚，大田等多種領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：水肥一體化系統(tǒng);互聯(lián)網(wǎng);ARM;PLC;農(nóng)業(yè)信息;精量控制

0 引 言

水肥一體化技術(shù)也稱為灌溉技術(shù)，是將灌溉和施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，是精確施肥與精確灌溉相結(jié)合的產(chǎn)物。它是借助壓力系統(tǒng)或者地形自然落差，根據(jù)土壤養(yǎng)分含量和作物種類的需肥規(guī)律與特點(diǎn)，將可溶性固體活液體肥料配置成的肥液，與灌溉水一起，通過(guò)可控管道系統(tǒng)均勻，準(zhǔn)確的輸送到作物根本土壤，浸潤(rùn)作物根系發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域，使主根根系土壤始終保持疏松和適宜的含水量。

我國(guó)是一個(gè)水資源匱乏的國(guó)家，水資源總量占世界第6位，人均淡水資源占有量位為世界第109位，而且在地區(qū)分布上極為不均勻。與此同時(shí)，我國(guó)雨水的季節(jié)性分布不均，大部分地區(qū)年內(nèi)夏秋季節(jié)連續(xù)4個(gè)月降水量占全年的70%以上。農(nóng)業(yè)用水效率低不僅制約著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，也限制著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，信息化與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的融合，推動(dòng)了水肥一體化技術(shù)的發(fā)展，為水肥一體化技術(shù)的發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇。遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制水肥機(jī)是現(xiàn)代化水肥一體化技術(shù)的典型應(yīng)用案例，在普通水肥機(jī)的基礎(chǔ)上，將互聯(lián)網(wǎng)加技術(shù)應(yīng)用到水肥一體化技術(shù)中，通過(guò)安裝大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、土壤水分等環(huán)境因子的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制，根據(jù)各種參數(shù)，引入大數(shù)據(jù)判斷分析和自動(dòng)控制算法，對(duì)水肥機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)和手動(dòng)精準(zhǔn)控制，同時(shí)，還可以在觸摸屏進(jìn)行本地控制。

目前，國(guó)內(nèi)的水肥一體化技術(shù)有以下幾個(gè)缺點(diǎn)。一個(gè)是技術(shù)含量較低，通常采用的水肥一體化技術(shù)就是手動(dòng)按鈕或者開(kāi)關(guān)直接控制電機(jī)，對(duì)于水肥的流量時(shí)間全憑借人工判斷，沒(méi)有顯示部件，人工判斷全憑經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)該情況，本文引入了工業(yè)級(jí)觸摸屏技術(shù)和流量傳感器，可以在觸摸屏上對(duì)所有電機(jī)統(tǒng)一操作，水肥機(jī)運(yùn)行時(shí)間，流量一眼就可以知道。與此同時(shí)，該系統(tǒng)還可以對(duì)田地間不同區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)管理，每個(gè)區(qū)域澆水，施肥多長(zhǎng)時(shí)間，均有記錄。做到水肥一體化技術(shù)的數(shù)據(jù)化，操作的人性化。另一方面，國(guó)內(nèi)同行的水肥一體機(jī)設(shè)計(jì)，普遍還停留在單機(jī)操作水平，沒(méi)有和物聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)掛鉤。操作人員要進(jìn)行操作，還是要走到水肥機(jī)跟前，一步步操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。本系統(tǒng)引入了遠(yuǎn)程操作，在電腦客戶端，手機(jī)客戶端均可以實(shí)現(xiàn)水肥機(jī)的遠(yuǎn)程操作。還可以根據(jù)需要，查詢澆灌流量，澆灌時(shí)間。與此同時(shí)，在云平臺(tái)，還可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析判斷，進(jìn)行模式識(shí)別，進(jìn)行自動(dòng)的水肥操作。

因此，本文基于互聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化精準(zhǔn)控制設(shè)備填補(bǔ)了目前國(guó)內(nèi)水肥一體化技術(shù)的空白，是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)加技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的一種新的嘗試。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的澆灌，施肥系統(tǒng)效率比較低，占用人工多，成本高，而且澆水，施肥大量平均經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)的歸納整理不夠科學(xué)，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)效益低、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了不靠經(jīng)驗(yàn)靠數(shù)據(jù)，不靠人工靠機(jī)器的轉(zhuǎn)變。

1 水肥一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的水肥一體化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制水肥一體化系統(tǒng)，主要包括主控制器、網(wǎng)關(guān)、觸摸屏模塊，本地控制設(shè)備，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)等。

主控制器包括西門子PLC SMART200 SR20以及配套的模擬量輸入和輸出模塊AM03，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，比如流量的計(jì)算、液位的計(jì)算與自動(dòng)控制、時(shí)間的計(jì)算、電機(jī)的控制和電磁閥的控制。接收并解析來(lái)自網(wǎng)關(guān)、觸摸屏傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)信息對(duì)本地控制設(shè)備進(jìn)行直接控制，對(duì)遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

水肥一體化網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（下文簡(jiǎn)稱網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）作為該測(cè)控系統(tǒng)的重要一環(huán)，直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定。本文所描述的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有以下特點(diǎn)：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可通過(guò)RS 485通信線獲取傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并可自動(dòng)識(shí)別傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)類型，對(duì)果園的溫濕度、光照、二氧化碳等參數(shù)進(jìn)行采集和手機(jī)客戶端，網(wǎng)頁(yè)端的顯示;網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還可以對(duì)遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，打開(kāi)或關(guān)閉電磁閥，從而對(duì)施肥和灌溉進(jìn)行通斷操作。同時(shí)還可以對(duì)各個(gè)地塊的澆水施肥進(jìn)行流量統(tǒng)計(jì)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)RS 485協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，將互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)線發(fā)下來(lái)的命令通過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)換成RS 485串口數(shù)據(jù)提供給主控制器，也將主控制器的串口數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議發(fā)給互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

本系統(tǒng)觸摸屏選用北京昆侖通態(tài)的液晶屏，型號(hào)TPC7062Ti。本地控制設(shè)備包括水泵，變頻器，攪拌電機(jī)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)包括：空氣溫度、濕度采集節(jié)點(diǎn)，CO2濃度采集節(jié)點(diǎn)、光照強(qiáng)度采集節(jié)點(diǎn)、土壤溫度采集節(jié)點(diǎn)和土壤含水量采集節(jié)點(diǎn)。遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)包括遠(yuǎn)程采控器，一個(gè)流量計(jì)和電磁閥。遠(yuǎn)程采控器可以用RS 485接收網(wǎng)關(guān)和觸摸屏廣播的數(shù)據(jù)，根據(jù)地址和功能碼的不同，不同的模塊進(jìn)行接收后，相應(yīng)模塊對(duì)電磁閥進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。采空器還可以用流量計(jì)采集流量信息，將流量采集后進(jìn)行上傳。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是一個(gè)PCB主板，該主板由主控CPU模塊、RS 485數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、以太網(wǎng)遠(yuǎn)程通信模塊、電源供電模塊四部分組成。主控CPU采用ARM Cortex-M3 CPU 32位內(nèi)核的STM32F103處理器，RS 485數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)通過(guò)RS 485總線傳輸采集指令、接收采集數(shù)據(jù);以太網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至平臺(tái);電源模塊為各個(gè)模塊供電，以滿足系統(tǒng)對(duì)電源的需求。

2.2 觸摸屏

觸摸屏采用北京昆侖通態(tài)的液晶屏，型號(hào)TPC7062TI。TPC7062TI是一套以先進(jìn)的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產(chǎn)品采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096）。同時(shí)還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運(yùn)行版），具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。同時(shí)，該觸摸屏擁有3路RS 485 UART通信模塊。

2.3 電源模塊

網(wǎng)關(guān)內(nèi)部使用多種電壓類型，核心板供電使用5 V供電，7寸觸摸屏使用24 V模擬電壓，傳感器采用12 V供電。為適應(yīng)網(wǎng)關(guān)硬件電路的需求，采用LM2576降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，可輸出5～40 V電壓，輸出電壓可調(diào)，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)電源的需求。

2.4 主控制器

主控制器采用西門子Smart200，PLC全名可編程邏輯控制器，基本指令處理時(shí)間可達(dá)到0.15 μs，支持3路高速脈沖輸入和3路高速脈沖輸出，有一個(gè)網(wǎng)口和一個(gè)串口，支持Modbus TCP協(xié)議和西門子PPI協(xié)議，Modbus RTU協(xié)議?？蓴U(kuò)展多路數(shù)字量輸入/輸出，模擬量輸入/輸出模塊。支持0～10 V電壓輸出，4～20 mA電流輸出等信號(hào)輸出。

2.5 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要包括各種傳感器和配套的供電模塊。傳感器采用威海精訊暢通提供的溫濕度，光照傳感器，土壤水分傳感器等。傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU通信，具有量程大，測(cè)量精確等特點(diǎn)。

2.6 遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)

遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)采用STM32處理器芯片，采用中江紅電磁閥進(jìn)行通斷控制，擁有流量統(tǒng)計(jì)，遠(yuǎn)程操作的功能。

3 水肥一體化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水肥一體化程序設(shè)計(jì)，包括觸摸屏程序設(shè)計(jì)、PLC程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)和終端控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)等。

3.1 人機(jī)交互界面開(kāi)發(fā)

為了便于本地查看數(shù)據(jù)，以及本地進(jìn)行控制，查看本地傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、設(shè)置上傳頻率與設(shè)備屬性進(jìn)行配置，開(kāi)發(fā)了觸摸屏人機(jī)交互界面程序。人機(jī)交互界面程序采用昆侖通態(tài)MCGS編程軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)并在開(kāi)機(jī)后自動(dòng)運(yùn)行，界面如圖2所示。

3.2 主控制器PLC程序

PLC通過(guò)輪詢方式獲取每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。獲取數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)關(guān)首先按照協(xié)議將每一個(gè)要尋址的節(jié)點(diǎn)地址組包，然后將數(shù)據(jù)包通過(guò)UART1發(fā)送給STM32星狀網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行尋址，被尋址的節(jié)點(diǎn)按原路徑回饋當(dāng)前數(shù)據(jù)信息?？刂乒?jié)點(diǎn)采用UART進(jìn)行控制，對(duì)水泵，攪拌電機(jī)，變頻器，進(jìn)行繼電器控制，對(duì)終端控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS 485通信進(jìn)行控制。

3.3 網(wǎng)關(guān)程序

網(wǎng)關(guān)程序采集的數(shù)據(jù)按照傳感器節(jié)點(diǎn)上報(bào)通信協(xié)議解包。對(duì)數(shù)據(jù)的處理包括：解析包中參數(shù)的個(gè)數(shù)及類型，并組成顯示包更新到人機(jī)交互界面的顯示界面中;存儲(chǔ)傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的最新數(shù)據(jù)，供上報(bào)服務(wù)器使用。根據(jù)服務(wù)器的各種控制指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3.4 遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)程序

遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)采用STM32處理器芯片，軟件使用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，包括流量的采集，RS 485控制通信協(xié)議的接受和返回。

4 水肥一體化實(shí)地測(cè)試

項(xiàng)目在濟(jì)南市章丘區(qū)潤(rùn)源眾禾農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試效果可以有效實(shí)現(xiàn)水肥的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)精確配比，精準(zhǔn)施肥。本文設(shè)計(jì)的水肥一體化系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用STM32處理器，PLC實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)水肥一體化的設(shè)計(jì)。在章丘潤(rùn)源眾禾的使用表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水肥一體化數(shù)據(jù)采集，且性能穩(wěn)定、控制響應(yīng)速度快。今后將結(jié)合服務(wù)器通過(guò)分析網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)提供的數(shù)據(jù)制定的控制策略對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水肥灌溉進(jìn)行控制，將更有利于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化程度。

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