水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)組成與設計

王文婷，翟國亮，郭二旺，蔡九茂，溫季

(1.焦作市抗旱防汛通訊站，河南 焦作 454150；2.水利部農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000； 3.焦作市水利勘測設計院，河南 焦作 454150)

0 引言

21世紀水資源變成一種寶貴的稀缺資源，水資源問題已不僅僅是資源問題，更是關系到國家經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展和長治久安的重大戰(zhàn)略問題。采用高效的智能化節(jié)水灌溉技術不但能夠有效緩解用水壓力，同時也是發(fā)展精細農(nóng)業(yè)和實現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的要求?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的智能化灌溉系統(tǒng)可實現(xiàn)灌溉的智能化管理。

1 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)概述

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化灌溉系統(tǒng)，涉及傳感器技術、自動控制技術、數(shù)據(jù)分析和處理技術、網(wǎng)絡和無線通信技術等關鍵技術，是一種應用潛力廣闊的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設備。該系統(tǒng)通過土壤墑情監(jiān)測站實時監(jiān)測土壤含水量數(shù)據(jù)，結合示范區(qū)的實際情況(如：灌溉面積、地理條件、種植作物種類的分布、灌溉管網(wǎng)的鋪設等)對傳感數(shù)據(jù)進行分析處理，依據(jù)傳感數(shù)據(jù)設置灌溉閾值，進而通過自動、定時或手動等不同方式實現(xiàn)水肥一體化智能灌溉。中心站管理員可通過電腦或智能移動終端設備，登錄系統(tǒng)監(jiān)控界面，實時監(jiān)測示范區(qū)內作物生長情況，并遠程控制灌溉設備(如固定式噴灌機等)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化灌溉系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)示范區(qū)的精準和智能灌溉，可以提高水資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，增加作物產(chǎn)量，降低作物成本，節(jié)省人力資源，優(yōu)化管理結構。

2 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)設計

2.1 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)總體設計目標

灌溉智能化系統(tǒng)實現(xiàn)對土壤含水量的實時采集，并以動態(tài)圖形的形式在管理界面上顯示。系統(tǒng)依據(jù)示范區(qū)內灌溉管道的布設情況及固定式噴灌機的安裝位置，預先設置相應的灌溉模式(包含自動模式、手動模式、定時模式等)，進而通過對實時采集的土壤含水量值和歷史數(shù)據(jù)的分析處理，實現(xiàn)智能化控制。系統(tǒng)能夠記錄各個區(qū)域每次灌溉的時間、灌溉的周期和土壤含水量的變化，有歷史曲線對比功能，并可向系統(tǒng)錄入各區(qū)域內作物的配肥情況、長勢、農(nóng)藥的噴灑情況以及作物產(chǎn)量等信息。系統(tǒng)可通過管理員系統(tǒng)分配使用權限，對不同的用戶開放不同的功能，包括數(shù)據(jù)查詢、遠程查看、參數(shù)設置、設備控制和產(chǎn)品信息錄入等功能。

2.2 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)架構

系統(tǒng)布設土壤墑情監(jiān)測站、遠程設備控制系統(tǒng)、智能網(wǎng)關和攝像頭等設備，實現(xiàn)對示范區(qū)內傳感數(shù)據(jù)的采集和灌溉設備控制功能；示范區(qū)現(xiàn)場通過2G/3G網(wǎng)絡和光纖實現(xiàn)與數(shù)據(jù)平臺的通信；數(shù)據(jù)平臺主要實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、閾值報警、歷史數(shù)據(jù)記錄、遠程控制、控制設備狀態(tài)顯示等功能；數(shù)據(jù)平臺進一步通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與遠程終端的數(shù)據(jù)傳輸；遠程終端實現(xiàn)用戶對示范區(qū)的遠程監(jiān)控。

依據(jù)灌溉設備以及灌溉管道的布設和區(qū)域的劃分，布設核心控制器節(jié)點，通過ZigBee網(wǎng)絡形成一個小型的局域網(wǎng)，通過GPRS實現(xiàn)設備定位，然后再通過嵌入式智能網(wǎng)關連接到2G/3G網(wǎng)絡的基站，進而將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌?；攝像頭視頻通過光纖傳輸至服務器；服務器通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與遠程終端的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)組成

2.3.1 作物生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

作物生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要為土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)(土壤含水量監(jiān)測系統(tǒng))。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)示范區(qū)的面積、地形及種植作物的種類，配備數(shù)量不等的土壤水分傳感器，以采集示范區(qū)內土壤含水量，將采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，并通過嵌入式智能網(wǎng)關發(fā)送到服務器。示范區(qū)用戶根據(jù)種植作物的實際需求，以采集到的土壤墑情(土壤含水量)參數(shù)為依據(jù)實現(xiàn)智能化灌溉。通過無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，在滿足網(wǎng)絡通信距離的范圍內，用戶可根據(jù)需要調整采集器的位置。

2.3.2 遠程設備控制系統(tǒng)

遠程設備控制系統(tǒng)實現(xiàn)對固定式噴灌機以及水肥一體化基礎設施的遠程控制。預先設置噴灌機開閉的閾值，根據(jù)實時采集到的土壤含水量數(shù)據(jù)，生成自動控制指令，實現(xiàn)自動化灌溉功能。也可通過手動或者定時等不同的模式實現(xiàn)噴灌機的遠程控制。此外，系統(tǒng)能夠實時檢測噴灌機的開閉狀態(tài)。

2.3.3 視頻監(jiān)測系統(tǒng)

視頻監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對示范區(qū)關鍵部位的可視化監(jiān)測，根據(jù)示范區(qū)的布局安置高清攝像頭，一般安裝在作物的種植區(qū)內和固定式噴灌機的附近，視頻數(shù)據(jù)通過光纖傳輸至監(jiān)控界面，園區(qū)管理者可通過實時的視頻，查看作物生長狀態(tài)及灌溉效果。

2.3.4 通信系統(tǒng)

如果域范圍往往比較廣闊，地形復雜，有線通信難度較大。本系統(tǒng)擬采用ZigBee網(wǎng)絡實現(xiàn)示范區(qū)內的通信。ZigBee網(wǎng)絡可以自主實現(xiàn)自組網(wǎng)、多跳、就近識別等功能，該網(wǎng)絡的可靠性好，當現(xiàn)場的某個節(jié)點出現(xiàn)問題時，其余的節(jié)點會自動尋找其他的最優(yōu)路徑，不會影響系統(tǒng)的通信鏈路。

ZigBee通信模塊轉發(fā)的數(shù)據(jù)最終匯集于中心節(jié)點，進行數(shù)據(jù)的打包壓縮，然后通過嵌入式智能網(wǎng)關發(fā)送到服務器。

2.3.5 用戶管理系統(tǒng)

用戶可通過個人計算機和手持移動設備，通過Web瀏覽器登錄用戶管理系統(tǒng)。不同的用戶權限等級不同，高級管理員一般為示范區(qū)相關主要負責人，具有查看信息、對比歷史數(shù)據(jù)、配置系統(tǒng)參數(shù)、控制設備等權限；一般管理員為種植管理員，采購和銷售人員等，具有查看數(shù)據(jù)信息、控制設備、記錄作物配肥信息和出入庫管理等權限；訪問者為產(chǎn)品消費者和政府人員等，具有查看產(chǎn)品生長信息、園區(qū)作物生長狀況等權限。用戶管理系統(tǒng)安裝在園區(qū)的管理中心，具體設施包括用戶管理系統(tǒng)操作平臺和可供實時查看示范區(qū)作物生長情況。

2.4 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)功能

智能化灌溉系統(tǒng)中施肥機控制系統(tǒng)是實現(xiàn)水肥精準控制的核心組成部分。灌溉控制和施肥控制均通過施肥機進行控制，通過泵房內施肥機觸摸屏操控界面，就以控制田間電磁閥開閉、遠程控制水泵補水、控制施肥電磁閥啟動施肥程序、采集田間氣象和墑情信息。因此要重點進行施肥機軟件和硬件設計選型。集灌溉、施肥和數(shù)據(jù)采集于一體，田間灌溉和施肥控制都是通過施肥機觸摸屏設置，管網(wǎng)運行參數(shù)、肥液EC/PH值、田間閥門運行情況、氣象站和土壤信息能夠實時展示在軟件界面上，可以指導管理決策。同時，施肥機能夠對田間灌溉控制閥門進行控制，控制模式有手動和自動兩種，可以隨時手動啟動田間某個灌溉閥門，也可以在施肥機界面上設定好輪灌程序，使田間閥門按照輪灌程序自動灌溉和施肥。

2.5 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)特點

系統(tǒng)采用了擴展性的設計思路，在設計架構上注重考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。整個系統(tǒng)由多組網(wǎng)關及ZigBee自組織網(wǎng)絡單元組成，每個網(wǎng)關作為一個ZigBee局域網(wǎng)絡的網(wǎng)絡中心，該網(wǎng)絡中包含多個節(jié)點，每一個節(jié)點由土壤水分采集儀或遠程設備控制器組成，分別連接土壤水分傳感器和固定式噴灌機。并可根據(jù)用戶的需求，在保留原有系統(tǒng)結構的前提下，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的擴容。

2.6 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)設計

2.6.1 系統(tǒng)布局

由于本系統(tǒng)的通信子模塊采用具有結構靈活、自組網(wǎng)絡、就近識別等特點的ZigBee無線局域網(wǎng)絡，對于土壤濕度傳感器的控制器節(jié)點的布設相對靈活。根據(jù)園區(qū)種植作物種類的不同及各種作物對土壤含水量需求的不同，布設土壤濕度傳感器；根據(jù)園區(qū)內鋪設的灌溉管道、固定式噴灌機位置及作物的分時段、分區(qū)域供水需要安裝遠程控制器設備(每套遠程控制器設備包括核心控制器、無線通信模塊、若干個控制器擴展模組及其安裝配件)，每套控制器設備依據(jù)就近原則安裝在固定式噴灌機旁，實現(xiàn)示范區(qū)灌溉的遠程智能控制功能；此外，通過控制設備自動檢測固定式噴灌機開閉狀態(tài)信號及視頻信號，遠程查看實時掌握灌溉設備的開閉狀態(tài)。

在項目的實施中，根據(jù)示范區(qū)的具體情況(包括地理位置、地理環(huán)境、作物分布、區(qū)域劃分等)安裝墑情監(jiān)測站。遠程控制設備后期需要安裝在灌溉設備的控制柜旁，通過引線的方式實現(xiàn)對噴灌機包括水肥一體化基礎設施的遠程控制。

2.6.2 網(wǎng)絡布局

土壤墑情監(jiān)測設備和遠程控制器設備分別內置ZigBee模塊和GPRS模塊，都作為通信網(wǎng)絡的節(jié)點。嵌入式智能網(wǎng)關是一定區(qū)域內的ZigBee網(wǎng)絡的中心節(jié)點，共同組成一個小型的局域網(wǎng)絡，實現(xiàn)園區(qū)相應區(qū)域的網(wǎng)絡通信，并通過2G/3G網(wǎng)絡實現(xiàn)與服務器的數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)均采用無線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，包括ZigBee網(wǎng)絡傳輸及GPRS模塊定位。由于現(xiàn)場地勢平坦，無高大建筑物或其他東西遮擋，因此具備無線傳輸?shù)臈l件。