基于Zigbee 的农业水肥一体化调节系统的构建研究

曾明海

（福建林业职业技术学院，福建 南平 353000）

随着城市化的扩张，耕地面积与农耕劳动力在日益缩减，而对农副产品的需求却在逐年增加，供需矛盾日益凸显。传统农业多采用大水漫灌、人工施肥的方法进行种植，既难以保证作物的水含量稳定、肥料施布均匀，也存在着烧根和污染水源的隐患。因此，大力推广水肥一体化技术，节约水肥与人力资源，对促进作物增产意义重大。

目前，国外部分地区的水肥一体化技术已趋近成熟，在以色列等干燥少雨的内陆国家，通过构建完整的水肥控制系统改善了种植条件，果蔬产量逐年攀升。而国内的水肥一体化技术还在发展阶段，主要的不足体现在水肥耦合时，对水肥比例的把控仍是以经验为主，灌溉过程人为干预度高，无法因时、因地调整水肥灌溉策略，获得最优产值回报。基于此，本研究构建了一套基于Zigbee 无线通讯技术的智能水肥一体化调节系统，通过EC 传感器、气象站等设备自动收集田间或果园的有效信息，并将信号接入无线传感网络，经过控制器运算后自动调节施肥比例与水肥供给量，操作简单、运行稳定。

1 水肥一体系统的构建

农业水肥一体化调节系统由水源组件（水泵、过滤器）、混肥装置（三组肥料调制储存罐、文丘里吸肥器、相关电磁阀）、施肥装置（压力补偿泵、多分支管道、控制阀）、Zigbee 无线网络及控制单元5 个部分组成，结构如图1 所示。

水源组件为系统提供压力稳定、无杂质的纯净清水，保证田间滴灌系统不被堵塞；混肥装置依据作物生长需求自动调制水肥溶液：三组存储罐分别存储不同类别的肥料溶液，系统能够依据传感检测结果添加清水稀释并搅拌液罐内的液体，保证液肥浓度稳定，之后依据作物需求自动混合配比溶液，使配肥比例得到有效控制；施肥装置设置了压力泵，以弥补液体经过文丘里施肥器所产生的压力损失，使液肥能够均匀地输送到各滴灌管道的终端；Zigbee 无线网络动态观测液肥pH、EC 参数值、土壤温湿度、CO2含量、当地气候环境等数据信息，并对电磁阀、水泵等设备具有远程控制功能，实现了系统从传感到控制再到执行的无线连接；控制器采用模糊控制的控制策略，选取EC 值与EC 误差值为输入变量，进行二维模糊控制，使系统具有更快的相应速度和更强的鲁棒性。

该水肥一体化调节系统相较传统的施肥装置, 除去了复杂的肥水配比人工环节,可由移动终端监控工作状态，并通过传感器和信息网络自动获取环境状态，实时调整施肥方案，提高肥水利用率，在增产节能的同时降低了人工成本。

2 控制过程设计

为实现系统的稳定运行，本设计采用三菱FX3U- 48MT型PLC 作为主控制器，并通过GPRS 解调器扩展无线通讯模块连接入网，水源组件、混肥装置设备与PLC 直接相连，田垄间的各类传感器则通过ZigBee 网关和上位机建立联系，采用MCGS 触摸屏实现设置与监控。电路结构如图2 所示。

通电后闭合总开关，此时水肥系统所有闸门均关闭，系统进入待机状态。

自动模式下，传感器主动获取土壤温湿度、CO2浓度等信息，并结合当天气候情况查表获取所需液肥EC、PH 经验值，以及灌溉水量。之后将EC 经验值作为控制模型输入信号，通过模糊控制器进行调控，调控结果EC0 同pH 目标值与灌溉水需求量一并发送回PLC，并在组态界面进行显示和记录。若田间各参数目标值pH0、RH0 与当前时值偏差大于阈值，灌溉系统启动。

灌溉时先打开总阀，后启动水泵。经过滤器过滤后的清水润湿土地，管路实时参数EC（t）、pH（t）数值更新，电导率瞬时值大于EC0，吸肥阀门保持关闭，反之则供肥系统开始运作。通过触摸屏设定作物的生长环节（发芽期、幼苗期、开花坐果期、结果期、绿熟期、转色期、成熟期），PLC 可对1～3 种不同肥料存储罐的供肥电磁阀进行脉冲控制，改变周期阀芯通断的时间占比即可配制出不同养分结构的液肥，之后通过文丘里吸肥器将液肥与清水混合稀释（吸肥流量经由比例电磁阀控制），经升压泵补压后输送到各滴管管道，直至各检测参数达到目标值，水肥灌溉过程结束。组态画面如图3（a）所示。

手动模式下，各传感器参数值可见，熟练的操作人员可以通过触摸屏控制系统各环节的执行元件，进行水肥灌溉，控制界面设置加密保护。组态画面如图3（b）所示。

另外，由于储液罐内的液肥随着时间的推移会存在水分蒸发、浓度上升的问题，影响水肥质量，本设计在液罐上添加清水补偿装置，保证液肥浓度稳定，排除系统干扰。

3 控制技术

3.1 ZigBee 通讯

组网通讯方式可以分为有线通信和无线通讯2 种，基于水肥系统的应用场所多为露天田垄或室内大棚，不稳定的温湿度状态和扬尘不利于电气设备的正常运行，且大面积铺设电缆会提高成本、增大损耗等因素的考虑，本设计选用ZigBee通信技术来实现传感器同控制器间的数据传送。

此种通讯方式工作频段为2.4 GHz 和868/928 MHz，采用IEEE802.15.4 协议标准,以无线电波为载体通过点对点的传输方式将信息从一个网络节点传送到另一个节点,在短距离范围内通信效率非常高。一个Zigbee 网络从理论上可以拓展出65 000 个节点，考虑到传输速度等因素的限制，实际工作环境下大致可以对接1 000 个节点，经过外接放大器放大发射功率后,通讯距离远达10 km，完全符合一个种植园区的通讯要求。系统组网时要先对作业范围进行区域划分，每0.067 hm2田地设置一组传感器（检测土壤信息：pH、RH、EC），每两亩地立一个气象站（检测大气信息：T、RH、P、风速、雨量），各自为一个独立的Zigbee 节点，设置节点控制器,分布于各个区域中。

Zigbee 节点控制器采用AT89C51 型单片机做微处理器，PTR2000 型无线收发芯片做数传芯片，通信速度最高可达20 kbit/s。PTR2000 的1 号和5 号管脚为电源脚，2 号管脚CS接低电平选择工作频道1（433.92 MHz），3 号为数据输出功能脚，4 号为数据输入功能脚，6 号脚为节能控制端，7 号脚引脚为收发控制端。若6 号管脚置1，芯片处于正常工作状态；置0，则芯片处于待机微功耗状态。7 号脚接高电平芯片对外发射数据；接低电平，则向内接收数据。PIR2000 与51 单片机接线如图4 所示，通过单片机编程设计可实现对无线收发芯片PTR2000 的控制。

3.2 模糊控制器

PID 控制是近年来较为常用的闭环控制方案，可消除稳态误差，响应速度快。但农业水肥一体系统的配肥过程具有大滞后、大惯性、数学模型不确定的特点，相较之下采用基于操作经验、控制策略使用自然语言表述的模糊控制器，性能要好得多。它不需要精确的数学模型，而是总结人为的控制经验，能够仿照人工控制的行为方式，鲁棒性强。因此本设计选取水肥电导率（EC（t）值）的误差E（t）和电导率变化率C（t）（C（t）=[E（t）－Ek-1（t）］/t）作输入变量，吸肥阀的开口度K（t）作输出变量构建模糊控制器，实现混肥环节的精准控制。

控制器定义EC/C 的论域和语言值如下：

EC/C= {- 6,- 5,- 4,- 3,- 2,- 1,0,1,2,3,4,5,6}；EC/C= {NH,NM,NL,O,PL,PM,PH }.

其中NH 为负高，NM 为负中，NL 为负低，O 为零，PL 为正低，PM为正中，PH 为正高。

K 的论域和语言值如下：

K={- 8,- 7,- 6,- 5,- 4,- 3,- 2,- 1,0,1,2,3,4,5,6,7,8}；K={NH,NM,NL,NO,O,PO,PL,PM,PH }.

其中：NH 为关闭吸肥阀，NM 为吸肥阀开度12.5%，NL为吸肥阀开度25%，NO 为吸肥阀开度37.5%，O 为吸肥阀开度50%，PO 为吸肥阀开度62.5%，PL 为吸肥阀开度75%，PM为吸肥阀开度87.5%，PH 为吸肥阀开度100%。

由二维输入（EC 取7 个值，E 取7 个值）得到49 条模糊控制规则：

if(EC is NH) and(C is NH) then(K is PH);

if(EC is NM) and(C is NM) then(K is PM);…

if(EC is PH) and(C is PH) then(K is NH)。

依据系统环节特点，确定使用传递函数为带延迟一阶惯性环节的动态模型对进行混肥控制，调节过程数学模型如下：

式中：VH（t）为水肥流速；t 为混肥时间；t0为时滞时间；BH为流入液肥原液的质量浓度；B（t + t0）为流出水肥的质量浓度；Qs（t）为流入清水流量；Q（t）为流入为流出水肥的流量。通过实验仿真，将采用此模糊控制器的控制系统与采用普通PID 控制器进行控制的系统相较，模糊控制下EC 值的超调量小，控制过程更为稳定，响应速度快。

4 试验结果

系统在番茄种植基地进行实验，与常规大水漫灌的施肥方式相较，采用水肥一体化技术进行栽培的田地，用肥量少，且对番茄株高、茎粗、叶长、叶宽、叶绿素相对含量等生长发育指标产生了不同程度的积极影响。例如在结果期，仅有株高一项指标低于采用传统农作方式的同期植株，而叶长、叶宽、茎粗、叶绿素SPAD 值等4 项生长指标均表现高于普通田地，其中茎粗和叶绿素SPAD 值2 项指标的优化最为明显。另外，统计氮、磷、钾等农肥的使用剂量与灌溉用水量，发现试验区的用肥量只有普通田区的68%，用水量也减少了21.7%。以上2 点说明和平均人工作业水平相较，通过水肥一体技术来控水控肥，作业及时、控量准确，能够在一定程度上促进番茄植株的生长发育，达到省水节肥、解放劳动力的目标。

5 结束语

为适应全球复杂的气候变化，解决生产效率低下和高素质劳动力严重缺乏等问题，本项目研发了一种基于Zigbee 无线通讯技术的水肥一体化调节系统，配备了三组供肥装置，既可施单一品种肥料，也可将植物生长所需的钾、氮、磷等养料分通道存放，自动配比成复合型养料后，再以水肥形式进行浇灌。系统内置智能调节器，通过传感器监测土壤与大气信息，结合数据库查表与模糊控制技术，只需简单的面板交互，就可实现分气候、分植物生长阶段的多层次水肥供给。同时，无线通讯技术的应用降低了电气设备在高温高湿度环境下的故障概率，降低了维护成本，提高了系统鲁棒性，能够适应大多数传统农业区的农作需求。