基于互联网的水肥一体化精量控制系统

秦磊磊 王富军 胡树冉 赵庆柱

摘 要：针对传统农业水肥一体化落后问题，文中结合自主研发的农业信息测控平台，设计一种基于互联网的水肥一体化精量控制系统。该控制系统不仅支持远程/本地控制，数据采集、处理、转发、显示，执行功能，而且使用环境多样、支持“智农云宝”测控终端类型、支持远程/本地控制。试验表明，该控制系统可靠性高、控制响应速度快，可应用于果园，大棚，大田等多种领域。

关键词：水肥一体化系统;互联网;ARM;PLC;农业信息;精量控制

0 引 言

水肥一体化技术也称为灌溉技术，是将灌溉和施肥融为一体的农业新技术，是精确施肥与精确灌溉相结合的产物。它是借助压力系统或者地形自然落差，根据土壤养分含量和作物种类的需肥规律与特点，将可溶性固体活液体肥料配置成的肥液，与灌溉水一起，通过可控管道系统均匀，准确的输送到作物根本土壤，浸润作物根系发育生长区域，使主根根系土壤始终保持疏松和适宜的含水量。

我国是一个水资源匮乏的国家，水资源总量占世界第6位，人均淡水资源占有量位为世界第109位，而且在地区分布上极为不均匀。与此同时，我国雨水的季节性分布不均，大部分地区年内夏秋季节连续4个月降水量占全年的70%以上。农业用水效率低不仅制约着现代农业的发展，也限制着经济社会的发展。

随着农业物联网技术的发展，信息化与农业生产的融合，推动了水肥一体化技术的发展，为水肥一体化技术的发展提供了前所未有的机遇。远程精准控制水肥机是现代化水肥一体化技术的典型应用案例，在普通水肥机的基础上，将互联网加技术应用到水肥一体化技术中，通过安装大量传感器节点构成监测网络，实现了对空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度、光照强度、土壤水分等环境因子的自动监测与控制，根据各种参数，引入大数据判断分析和自动控制算法，对水肥机实现远程自动和手动精准控制，同时，还可以在触摸屏进行本地控制。

目前，国内的水肥一体化技术有以下几个缺点。一个是技术含量较低，通常采用的水肥一体化技术就是手动按钮或者开关直接控制电机，对于水肥的流量时间全凭借人工判断，没有显示部件，人工判断全凭经验。针对该情况，本文引入了工业级触摸屏技术和流量传感器，可以在触摸屏上对所有电机统一操作，水肥机运行时间，流量一眼就可以知道。与此同时，该系统还可以对田地间不同区域进行单独管理，每个区域浇水，施肥多长时间，均有记录。做到水肥一体化技术的数据化，操作的人性化。另一方面，国内同行的水肥一体机设计，普遍还停留在单机操作水平，没有和物联网，互联网技术挂钩。操作人员要进行操作，还是要走到水肥机跟前，一步步操作，无法实现远程操作。本系统引入了远程操作，在电脑客户端，手机客户端均可以实现水肥机的远程操作。还可以根据需要，查询浇灌流量，浇灌时间。与此同时，在云平台，还可以通过数据采集节点得到的数据，经过大数据分析判断，进行模式识别，进行自动的水肥操作。

因此，本文基于互联网的水肥一体化精准控制设备填补了目前国内水肥一体化技术的空白，是对物联网技术和互联网加技术在农业上的一种新的尝试。该系统解决了传统农业的浇灌，施肥系统效率比较低，占用人工多，成本高，而且浇水，施肥大量平均经验，数据的归纳整理不够科学，导致农产品生产效益低、水资源浪费严重等问题，实现了不靠经验靠数据，不靠人工靠机器的转变。

1 水肥一体化系统总体设计

本文设计的水肥一体化系统拓扑结构如图1所示。

该系统是一种基于互联网的远程精准控制水肥一体化系统，主要包括主控制器、网关、触摸屏模块，本地控制设备，数据采集节点和远程控制节点等。

主控制器包括西门子PLC SMART200 SR20以及配套的模拟量输入和输出模块AM03，主要负责数据的采集，比如流量的计算、液位的计算与自动控制、时间的计算、电机的控制和电磁阀的控制。接收并解析来自网关、触摸屏传来的数据信息，并通过数据信息对本地控制设备进行直接控制，对远程控制节点进行远程控制。

水肥一体化网关节点（下文简称网关节点）作为该测控系统的重要一环，直接影响着系统的稳定。本文所描述的网关节点具有以下特点：网关节点可通过RS 485通信线获取传感器节点的数据，并可自动识别传感器节点的数据类型，对果园的温湿度、光照、二氧化碳等参数进行采集和手机客户端，网页端的显示;网关节点还可以对远程控制节点进行控制，打开或关闭电磁阀，从而对施肥和灌溉进行通断操作。同时还可以对各个地块的浇水施肥进行流量统计。网关节点还负责RS 485协议和互联网协议间的转换，将互联网平台通过网线发下来的命令通过单片机转换成RS 485串口数据提供给主控制器，也将主控制器的串口数据通过单片机转换成TCP/IP协议发给互联网平台。

本系統触摸屏选用北京昆仑通态的液晶屏，型号TPC7062Ti。本地控制设备包括水泵，变频器，搅拌电机。数据采集节点包括：空气温度、湿度采集节点，CO2浓度采集节点、光照强度采集节点、土壤温度采集节点和土壤含水量采集节点。远程控制节点包括远程采控器，一个流量计和电磁阀。远程采控器可以用RS 485接收网关和触摸屏广播的数据，根据地址和功能码的不同，不同的模块进行接收后，相应模块对电磁阀进行开关控制。采空器还可以用流量计采集流量信息，将流量采集后进行上传。

2 硬件设计

2.1 网关

网关是一个PCB主板，该主板由主控CPU模块、RS 485数据采集传输模块、以太网远程通信模块、电源供电模块四部分组成。主控CPU采用ARM Cortex-M3 CPU 32位内核的STM32F103处理器，RS 485数据采集模块实现通过RS 485总线传输采集指令、接收采集数据;以太网通信模块实现将采集的数据通过网络上传至平台;电源模块为各个模块供电，以满足系统对电源的需求。

2.2 触摸屏

触摸屏采用北京昆仑通态的液晶屏，型号TPC7062TI。TPC7062TI是一套以先进的Cortex-A8 CPU为核心（主频600 MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。该产品采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480），四线电阻式触摸屏（分辨率4096×4096）。同时还预装了MCGS嵌入式组态软件（运行版），具备强大的图像显示和数据处理功能。同时，该触摸屏拥有3路RS 485 UART通信模块。

2.3 电源模块

网关内部使用多种电压类型，核心板供电使用5 V供电，7寸触摸屏使用24 V模拟电压，传感器采用12 V供电。为适应网关硬件电路的需求，采用LM2576降压开关型集成稳压电路，可输出5～40 V电压，输出电压可调，能够满足系统对电源的需求。

2.4 主控制器

主控制器采用西门子Smart200，PLC全名可编程逻辑控制器，基本指令处理时间可达到0.15 μs，支持3路高速脉冲输入和3路高速脉冲输出，有一个网口和一个串口，支持Modbus TCP协议和西门子PPI协议，Modbus RTU协议。可扩展多路数字量输入/输出，模拟量输入/输出模块。支持0～10 V电压输出，4～20 mA电流输出等信号输出。

2.5 数据采集节点

数据采集节点主要包括各种传感器和配套的供电模块。传感器采用威海精讯畅通提供的温湿度，光照传感器，土壤水分传感器等。传感器采用标准Modbus RTU通信，具有量程大，测量精确等特点。

2.6 远程控制节点

远程控制节点采用STM32处理器芯片，采用中江红电磁阀进行通断控制，拥有流量统计，远程操作的功能。

3 水肥一体化系统软件设计

水肥一体化程序设计，包括触摸屏程序设计、PLC程序设计、网关程序设计和终端控制节点程序设计等。

3.1 人机交互界面开发

为了便于本地查看数据，以及本地进行控制，查看本地传感器数据，对各个采集节点和控制节点的数量、设置上传频率与设备属性进行配置，开发了触摸屏人机交互界面程序。人机交互界面程序采用昆仑通态MCGS编程软件进行开发并在开机后自动运行，界面如图2所示。

3.2 主控制器PLC程序

PLC通过轮询方式获取每个传感器节点的数据。获取数据时，网关首先按照协议将每一个要寻址的节点地址组包，然后将数据包通过UART1发送给STM32星状网的中心节点进行寻址，被寻址的节点按原路径回馈当前数据信息。控制节点采用UART进行控制，对水泵，搅拌电机，变频器，进行继电器控制，对终端控制节点通过RS 485通信进行控制。

3.3 网关程序

网关程序采集的数据按照传感器节点上报通信协议解包。对数据的处理包括：解析包中参数的个数及类型，并组成显示包更新到人机交互界面的显示界面中;存储传感器节点上传的最新数据，供上报服务器使用。根据服务器的各种控制指令，进行远程控制。

3.4 远程控制节点程序

远程控制节点采用STM32处理器芯片，软件使用C语言进行编写，包括流量的采集，RS 485控制通信协议的接受和返回。

4 水肥一体化实地测试

项目在济南市章丘区润源众禾农场进行了测试，测试效果可以有效实现水肥的控制，能够实现精确配比，精准施肥。本文设计的水肥一体化系统实物如图3所示。

5 结 语

本文采用STM32处理器，PLC实现了农业水肥一体化的设计。在章丘润源众禾的使用表明，该系统可实现水肥一体化数据采集，且性能稳定、控制响应速度快。今后将结合服务器通过分析网关节点提供的数据制定的控制策略对现场水肥灌溉进行控制，将更有利于提高农业生产的智能化程度。

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