基于物联网的果园水肥一体控制系统的开发与应用

陈维榕，王 虎，彭志良，李莉婕，赵泽英，李裕荣

（贵州省农业科技信息研究所，贵州贵阳550006）

基于物联网的果园水肥一体控制系统的开发与应用

陈维榕，王 虎，彭志良，李莉婕，赵泽英＊，李裕荣

（贵州省农业科技信息研究所，贵州贵阳550006）

为提高果园灌溉用水及肥料利用率，降低水肥使用成本，基于无线传感器网络和Internet技术，研究水肥一体控制系统架构，开发出基于Webservice接口的控制软件、桌面单机应用系统与手机APP应用系统，实现系统硬件与软件的融合，用户使用web浏览器、桌面客户端与手机可进行果园的水肥一体管理，实现灌溉自动化。控制系统在贵州10个果树基地（172.07hm2）进行水肥一体化应用示范，能精确控制灌水量和施肥量，显著提高水肥利用率，达到节水、节肥、省工、优质、高效、增产和增收的效果，有利于实现果园果树的标准化栽培。

水肥一体；物联网；控制系统；Zigbee；WebService；App

贵州省大部分果园位于山地、丘陵，有些地方石漠化严重，且远离水源，传统的灌溉施肥操作非常困难。随劳动力和化肥等生产资料价格上涨，水果种植成本逐年升高，比较效益下降。由于缺少合理的养分管理措施和相应的技术指导，水、肥过量投入或不足的现象十分普遍，这不仅对果树的产量和品质造成不利影响，而且还会造成多余养分向深层淋溶进入地下水，或随径流进入地表水源，造成环境污染。“水肥一体化”灌溉施肥技术是将植物营养元素以适当的配方注入到滴灌水中，达到施肥与灌溉同步进行，其不仅是灌溉和施肥工作的结合，也是在农业生产上的技术集成。随水肥一体化技术的发展，智能化控制系统逐渐得到应用，但目前我国应用的一些水肥一体灌溉系统运行载体比较单一，都是基于某一种硬件作为载体［1－3］，各自拥有一套采集和控制器、一套数据库和一套数据接口，仅实现一对一的水肥一体化控制。由于贵州土地少而分散，导致田间控制和测量点分散，需要化零为整进行统一管控，现有的许多系统在贵州山区果园不适用。为实现贵州果品生产中省水、省肥、省工，提高果树果实产质量及农户的生产科学性和主动性，笔者等在研究果园水肥一体控制策略的同时，积极研究水肥一体控制系统的架构［4－6］，开发出基于物联网的适用于贵州山区果园的水肥一体控制系统。

1 系统架构

通过对已有的水肥一体控制系统［7－16］，按照数据信息流的流转顺序，将水肥一体控制系统架构设计成设备层、通信层、数据层、接口层和用户层5个层次（图1），各层独立，以强化系统的模块化，实现高内聚、低耦合。设备层汇集田间各种环境采集传感器、采集与控制模块，用于数据采集和控制。通信层为ZigBee、VPN、WiFi、GPRS、3G／4G等不同网络融合组成，根据现场不同的网络接入条件采用不同的实现方式，将设备层用物联网与Internet网连接到控制中心，负责传输采集的数据和控制指令。数据层记录系统中产生的所有数据，包括采集到的各种环境实时数据和控制系统运行中的动态数据，为接口层作数据支撑。接口层负责协调用户应用系统、采集与存贮数据、控制决策支持、控制指令发送等，由Webservice接口软件与服务器负责。用户层为在不同硬件环境下的用户应用软件，通过不同载体对田间进行水肥一体化控制，实现一个中心多个应用系统，包括运行在PC上的桌面客户端水肥一体化控制系统、运行于Android等智能移动设备的APP系统和WEB网站系统等。

图1 果园水肥一体控制系统的架构Fig.1 The framework of the orchard water and fertilizer integration control system

2 控制接口软件

控制接口软件采用Webservice技术实现，可以实现环境数据的采集与查询、系统控制管理与告警管理等功能。数据采集主要是对田间信息采集设备设定程序或下达指令，按要求实时采集土壤温湿度、空气温湿度、光照、蒸发、降雨量和风速等田间环境数据，接口软件在收到这些数据后，通过解析将采集到的电流或电压值转化为可读懂的数据存贮到数据库中。数据查询提供系统采集的数据、系统运行过程中的数据、历史告警信息数据等面向客户端的服务接口，用户根据定制好的前端接口格式向服务发送请求，服务接口根据请求的内容从数据库中提取数据信息，按格式返回给用户。系统控制管理主要是对各个控制分区或设备进行灌溉与施肥控制，管理员通过应用系统软件手动打开控制开关阀即可实时对一个或者多个控制点进行灌溉或施肥；或由管理员配置施肥或灌溉的控制区、时间段、施肥或者灌溉量等信息，系统会按时按量对设定控制点进行施肥或灌溉；或按照环境监测数据，根据灌溉、施肥的相关管理模型进行计算，智能配置灌溉施肥计划，按时按量进行自动化施肥或灌溉。告警管理是指根据农作物水肥管理模型，设置土壤温湿度、空气温湿度和降雨量阀值，配置告警短信，当采集到的实时数据超过阀值，系统将给管理员发送告警短信，提醒管理员采取相应的处理措施。

3 桌面水肥一体化控制系统

采用Visual Studio 2010开发，系统采用C／S模式，通过Internet与Webservice进行数据调用与设备运行指令交互，操控物联网设备运行。系统通过用户名和密码登录后进入水肥控制系统首页，总体上分为环境监控、手动灌溉施肥、智能灌溉施肥和视频监控4个模块。环境监控主要从网络数据库中获取实时管理分区的气象与土壤环境信息，支持实时环境数据、历史数据查询和分析，具体操作时由管理区域地块下拉列表触发改变页面中环境信息数据及曲线图。手动灌溉施肥对于系统中的各类控制设备设置控制按钮，操作按钮开关后通过按钮颜色的变更，表示一个控制动作的完成，页面中同时显示出当前管理分区的区域信息、视频、环境数据和灌溉流量等。智能灌溉施肥包含分区灌溉施肥控制和自动灌溉施肥设置，在选择分区后可分别选择灌溉电磁阀和施肥电磁阀，进行灌溉和施肥的开启与关闭；自动灌溉施肥设置可设定按时间、环境参数、流量进行灌溉与施肥；同时还显示施肥和灌溉柱状图、视频和当前环境数据等，新增加和历史设置都保存在已保存列表中（图2）。视频监控主要是对控制区域的视频监控，管理员可以实时查看监控区域的视频数据。

图2 果园水肥一体控制桌面应用系统环境监控（左）与智能灌溉施肥（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

图3 果园水肥一体控制Android APP系统界面Fig.3 The Android APP interface of the orchard water and fertilizer integration control system

4 APP水肥控制系统

该系统采用eclipse工具开发，可在Android 2.2以上操作系统上运行，主要有环境监测、设备控制、数据查询、视频监控和设置等模块功能。环境监测中能选择控制区查看土壤温度、土壤湿度等环境数据；控制开关中有加压水泵、施肥和控制区开关等的打开与开关功能，能够手动控制对该区域进行灌溉或者施肥控制；同时也能设置是否由系统自动控制，如打开灌溉自动控制时，远程控制服务器将按照自动化设置进行自动化灌溉。系统可以根据控制区查看具体时间段的数据，查看与调整实时监控视频，对施肥、灌溉进行分区的时间、流量和环境等自动控制参数配置（图3）。

5 示范应用

以开发出的果园水肥一体控系统为基础，与相关种植企业、农户合作建立了10个果园水肥一体化应用示范基地（172.07hm2）。其中，南明区永乐乡桃水肥一体化示范园2.07hm2，关岭县板贵乡三家寨村火龙果水肥一体示范园18.67hm2、坝山村火龙果水肥一体示范园7.33hm2、田坝村绿色未来高效农业科技开发有限公司火龙果水肥一体示范园20hm2、断桥镇简桃果蔬种植专业合作社火龙果水肥一体示范园2hm2，罗甸县林场火龙果水肥一体示范园13.33hm2，麻江县贤昌乡花果源生态农业开发公司猕猴桃园水肥一体示范园33.33hm2，凯里市阿元种植场葡萄园水肥一体示范园2hm2、凯发种养殖专业合作社猕猴桃水肥一体示范园6.67hm2，普定县后寨林场绿源苗业有限公司精品水果水肥一体示范园66.67hm2。

水肥一体控制系统可按果树所缺的养分、水分定量定点精确施肥、灌溉，使土壤养分、水分协调，推动了水果生产的标准化，节水、节肥，减少劳动力的投入，从而增产增收。对关岭县板贵乡火龙果水肥一体示范园的长期监测与现场测产，系统示范园与传统灌溉施肥相比节水65%左右、节肥50%，2014年示范区第4台果平均每株结果11.9个、单果重0.206kg、优质果率达85.6%，对照区平均每株结果8.8个、单果重0.1kg、优果率为30%，示范区较对照增产178%、优果率增加55.6百分点。

5 小结

1）基于不同载体的果园水肥一体化控制系统以传感器作为数据采集源，电磁阀作为控制终端，通过数据交换与处理，对果树生长环境中的土壤水分、空气温湿度、光照强度和水池水位等数据进行实时采集并分析入库。同时，通过计算机或者移动设备对环境参数进行设置，并根据果树生育周期内需水、需肥的技术要求，经过逻辑判断可以实现手动或自动控制电磁阀执行设备完成灌溉、施肥作业以及缺水缺肥的告警，实现物与物、物与人，所有物品与网络连接，方便识别、管理和控制。APP系统能够安装在携带方便的智能移动设备上，随时随地远程观察到田间动态，并进行水肥控制。

2）果园水肥一体化控制系统实现了节水灌溉的自动控制，系统通过编辑灌溉程序，设置灌溉时长和开始时间，设置施肥量和施肥时间，设置滴灌开启和停止湿度。当到达灌溉时间时，相应的灌区按照计算机指令自动轮灌，当运行完设定时长后田间所对应的灌区电磁阀即会关闭。在灌溉过程中，按照比例配好待用肥液，设定好施肥量和施肥时间，在灌溉时可以自由设定施肥时间和管道冲洗时间（防止滴灌系统化学堵塞）。只要计算机发出灌溉指令，系统会按设定程序注入事先配好的肥液，能够精确控制灌水量和施肥量，显著提高水肥利用率，有利于果园实现标准化栽培。

3）果园水肥一体化控制系统中的水肥管理模型还处理初级阶段，在下一步研发中，将加强不同果树的水肥模拟模型研究，使系统更加智能化，减少人工干预，更好实现节水、节肥和节约劳动力，以提高系统的使用效益。

［1］薛慧霞，高 林，王 璐，等.基于智能手机的果园灌溉无线自动孔子系统研究［J］.湖南农业科学，2010 （19）：138－141.

［2］屈晓渊，张 峰.基于物联网的节水灌溉自控系统研究［J］.电子设计工程，2011（16）：13－15.

［3］郭 强，汤 璐，郭 佳，等.基于STM32的智能水肥一体化控制系统的设计［J］.工业控制计算机，2015 （4）：38－42.

［4］李加念，洪添胜，冯瑞钰，等.柑橘园水肥一体化滴灌自动控制装备的研制［J］.农业工程学报，201228 （10）：91－96.

［5］刘志杰，郭云峰，郑育锁，等.天津市设施农业应用水肥一体化技术的思考［J］.天津农林科技，2012（1）：35－36.

［6］陈爱军，覃炳树，易显荣，等.桂林市葡萄简便水肥一体化应用及主要配套技术［J］.广西园艺，2015，26 （2）：24－25.

［7］谢家兴，余国雄，王卫星，等.基于无线传感网的荔枝园智能节水灌溉双向通信和控制系统［J］.农业工程学报，2015（S2）：124－130.

［8］蒋 毅，赵燕东，陈峻崎，等.精准灌溉自动控制系统的应用研究［J］.湖南农业科学，2009（5）：136－138，142.

［9］王 建，李 杰.自动灌溉控制系统的控制模型及应用［J］.科技广场，2016（3）：86－89.

［10］杨林林，王成志，张海文.节水灌溉自动化远程控制系统的研究与应用［J］.信息系统工程，2016（6）：20.

［11］江 挺，胡培金，赵燕东.基于ZigBee无线传感器网络的灌溉控制系统设计［J］.节水灌溉，2011（2）：58－61.

［12］王新忠，顾开新，刘 飞.基于无线传感器网络的丘陵果园灌溉控制系统［J］.排灌机械工程学报，2011（4）：364－368.

［13］韩安太，何 勇，陈志强，等.基于无线传感器网络的茶园分布式灌溉控制系统［J］.农业机械学报，2011 （9）：173－180.

［14］高 军，丰光银，黄彩梅.基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统［J］.现代电子技术，2010（1）：204－206.

［15］韦宏阳，张洪平.水肥一体化技术与自动控制灌溉系统技术推广与应用［J］.广西水利水电，2015（1）：90－91.

［16］王永涛，雷 薇，张和喜，等.精确灌溉控制系统的应用研究［J］.水利信息化，2015（3）：30－36.

（责任编辑：冯 卫）

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

贵州省农业科技攻关项目“果树水肥一体化控制技术集成与应用”［黔科合NZ字（2012）3021］，“果蔬作物物联网关键技术集成与示范”［黔科合NY字（2011）3097］；贵州省农业科学院项目“贵州主要经济作物物联网关键技术集成与示范应用”［黔农科院院专项（2011）030］，“贵州辣椒、火龙果数字化管理技术研究”［黔农科院自主创新科研专项字（2014）011］，“农业园区水肥精准控制管理技术研究与示范”

陈维榕（1987－），女，研究实习员，从事农业信息技术研究。E－mail：515239705＠qq.com

＊通讯作者：赵泽英（1975－），男，研究员，从事农业信息技术研究。E－mail：zeyingzhao＠126.com