基于物联网的水肥一体化系统设计与试验*

张宝峰，陈枭，朱均超，康军，潘威，赵岩

(1.天津理工大学电气电子工程学院，天津市，300384; 2.天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津市，300384；3.天津一米田地科技有限公司，天津市，371200)

0 引言

水肥一体化是指液体肥料通过压力管道注入到相应的灌溉水管中，喷洒至农作物或滴入农作物根部区域。随着智能技术的发展，具有智能化灌溉施肥的现代设施农业已经成为必然趋势，农作物生长过程中，肥液的浓度以及酸碱度起到关键作用，同时，农作物的生长环境因素对灌溉施肥有一定的指导作用。快速、准确、方便地获取到农作物环境及肥液参数，并且精准控制施肥灌溉量，对生产力的提高有着重要的意义[1-4]。

国外研究水肥一体化技术起步较早，现代设施农业智能化水平较高，比如以色列Netafim灌溉施肥系列产品，可以实时采集土壤和配肥过程中的EC和pH值，并且将数据实时传送至服务器，远程监测作物生长环境信息。Goap等提出了智能算法，根据检测的土壤和环境温湿度、紫外线辐射值以及天气预报参数使系统实现自动灌溉作业[3]。而国内研究起步较晚，石建飞等设计以PLC为控制器，采集水稻生长环境信息，通过触摸屏或上位机进行参数设置手动或自动完成灌溉施肥。赵进等[4]设计基于物联网和无线组网技术，实时采集环境及土壤墒情信息，并将数据发送至控制终端和网络服务器，经过分析决策控制精准施肥。

本文设计了一种基于物联网的水肥一体化系统，它不仅具有环境和施肥灌溉参数实时检测，显示和报警的功能，而且通过水肥一体化执行模块闭环反馈控制水泵和阀门实现精准灌溉施肥，此外，通过数据传输单元将数据传输至监控平台进行显示和数据库存储，便于工作人员查看历史数据并且分析，从而远程监控系统工作[5]。

1 系统总体架构

系统采用物联网架构，包括三个部分：采集控制层，负责各个参数的采集以及执行模块的控制；网络传输层，负责数据上传；终端应用层，负责为用户提供监控平台[6]。系统的总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

采集控制层包括两部分，一是以STM32单片机为核心的嵌入式处理器和采集空气温湿度、土壤温度水分、CO2浓度和光照强度的传感器构成的环境信息采集模块；二是以西门子S7-200 SMART PLC为核心控制器和采集肥液EC、pH传感器，管道压力和流量的传感器以及控制施肥灌溉量的水泵、电动球阀等执行器构成的水肥一体化执行模块[7]。

网络传输层核心是采用GPRS方式通信的远程数据传输模块DTU(Data Transfer Unit)，通过串口接收采集控制层的数据，并按照确定的通信协议传输到应用层。

终端应用层采用Java EE平台开发服务器程序，以My SQL为数据中心，将接收到的监测数据持久化到数据中心，基于Bootstrap框架开发的系统界面，以Java语言开发的功能模块，支持授权用户通过电脑浏览器登陆系统，进行相应操作。该层提供实时数据监测、历史数据查看、传感器信息管理、用户账号信息管理、远程监控等服务[8]。

2 系统硬件设计

2.1 环境信息采集模块设计

环境信息采集模块主要由STM32主控芯片、传感器、电源电路、485电路组成。根据温室内对植物生长影响显著的因子分析，采集主要的环境因子有6个参数，分别是空气温湿度、土壤温度水分、二氧化碳浓度和光照度；单片机通过485接口和串行接口，采集传感器数据，数据经过单片机分析处理后，通过RS-485总线传输至西门子PLC中。

考虑到性价比，模块中使用的传感器为国产传感器，其中空气温湿度传感器输出信号为数字信号，土壤温度水分、二氧化碳浓度、光照度传感器的输出信号为485信号，采用标准ModBus-RTU通信协议[9]。传感器的参数如表1所示。

表1 环境信息采集模块传感器参数

485通信电路的芯片是ADM2483，用于传感器与STM32单片机通信，以及单片机与PLC数据通信。485通信电路采用由于传感器的输出信号为485信号，电路原理图如图2所示，模块共设置了4组485电路，其中3路用于采集传感器数据，1路用于单片机和PLC通信。按照功能需求绘制并加工印制电路板如图3所示。

图2 RS-485通信电路图

图3 环境信息采集模块电路板图和实物连接图

2.2 水肥一体化执行模块设计

水肥一体化执行模块由西门子S7-200SMART、传感器、执行器、HMI触摸屏组成。模块结构图如图4所示。该模块采用压力传感器和流量计检测模块管路中实时压力和流量，采用EC传感器和pH传感器检测模块工作时水肥混合液的电导率和酸碱度；采用西门子S7-200SMART采集传感器数据、接收环境信息采集模块数据，控制执行器工作状态，以及与HMI触摸屏通信；执行器包括水泵、变频器、电动调节球阀；HMI触摸屏可以查看模块的工作状态、实时数据，以及可以手动操作模块，改变执行器工作状态，最后，执行模块将数据打包后通过RS-485总线发送给DTU模块，DTU模块通过GPRS通信方式将数据上传至网络服务器中，并且在数据库中进行存储[10]。

图4 水肥一体化执行模块结构图

该模块利用文丘里管的特性设计了3通道吸肥的水肥一体机如图5所示，它主要由混肥管路与施肥管路2部分组成：混肥管路中，2路是吸肥通道，母液分为A、B两种；1路为酸液通道。文丘里管的吸肥量随着进出口压力差的增大而增大，通过压力传感器检测压力，通过流量计检测进口和吸肥口流量，PLC通过控制变频器改变水泵转速从而改变进口压力，通过调节电动球阀的开度改变进口和吸肥口流量[11]。

图5 水肥一体化执行模块简图

根据灌溉施肥的需求，传感器检测水肥混合液的EC值和pH值，EC值的正常范围在0.4～4 mS/cm之间。pH正常范围为5.4～7之间。本模块选用DDM-202在线电导率传感器和PHG-206在线pH传感器。传感器选型参数如表2所示。

表2 水肥一体化执行模块传感器参数

执行器包括电动球阀、水泵以及文丘里吸肥器。水泵采用管道泵，额定扬程45 m，额定流量4 m3/h，额定功率1.5 kW。吸肥器采用市面上的进出口外径为32 mm，吸肥量在230～530 L/h的文丘里吸肥器。电动球阀采用UPVC材质，额定电压为直流24 V，输入信号为4～20 mA，工作压力在0.01～0.6 MPa，进出口直径为32 mm[12]。

HMI触摸屏通过以太网与PLC通信，为用户提供水肥一体化参数设置界面和系统动态监控界面，用户能够通过触摸屏设定工作参数，监控执行器的工作状态以及传感器的数据信息[13]。人机交互界面如图6所示。

图6 人机交互界面

3 系统软件设计

3.1 环境信息采集模块软件设计

该程序包括模块初始化，环境数据采集，串口通信、中断等子程序。模块初始化之后，单片机通过RS-485端口依次采集环境温湿度、土壤温度水分、CO2浓度和光照度，数据通过ModBus协议与PLC通信，按照10 s的上传间隔传输。程序流程图如图7所示。

图7 环境信息采集模块流程图

3.2 水肥一体化执行模块软件设计

该程序包括数据转换、DTU通信、中断等子程序。当模块上电后，通过触摸屏设定好灌溉施肥的时间和流量，到达预定时间时，模块开始工作，启动水泵和打开电动球阀，传感器实时检测管道中的EC值和pH值，当到达预设浓度时，执行器通过传统PID调节电动球阀的开度，直到工作时间或者流量到达预设值为止。模块工作时，按照20 s的时间间隔将工作数据以及单片机数据通过DTU传输至监控平台。程序流程图如图8所示。

图8 水肥一体化执行模块流程图

3.3 数据库设计

数据库设计包括数据库概念结构设计和逻辑结构设计两部分，概念结构设计是确定系统的实体，包含的属性以及实体之间的联系，采用E-R实体-联系模型表示；逻辑结构设计是将概念模型映射到具体的数据库中[14]。比如环境数据表如表3所示。

表3 环境数据表

3.4 监控平台设计

监控平台采用B/S即浏览器/服务器模式设计，该模式分为三层结构，分别是表示层、应用层和数据存储层[15]。表示层是通过浏览器展示实时数据、设备状态和传感器信息等，应用层是用户通过表示层发送的HTTP请求类型执行相应的逻辑操作；数据存储层是将数据持久化存储，并且将数据处理结果返回到应用层。监控平台界面如图9所示。

图9 监控平台界面

4 系统测试

该系统在寿光市节能型日光温室中实施运行，现场安装运行如图10所示，系统根据用户的需求，可以进行现场控制和远程控制，现场控制用户可以通过触摸屏进行参数设置，设定施肥浓度和酸碱度，远程控制是用户通过网页或者手机端平台界面完成，可以实现数据监测，历史数据查询，远程设备控制等如图11所示。

图10 现场安装实物图

图11 远程控制端界面

系统测试过程中，用户现场使用触摸屏完成参数预设工作，操作灵活方便，系统工作时，数据采集快速且准确，DTU通信正常，数据按照指定周期20 s上传至网络服务器，网络服务器接收数据正常，数据库保存完整数据，并且监控平台界面简洁易看，提供多种形式的数据显示和查询，操作简单[16]。系统根据实时数据分析，准确发送控制指令，执行器快速响应，完成用户所设定的施肥灌溉需求。表4选自监控平台的历史数据，选取8点至17点每隔1 h的连续9 h的环境的数据，经过数据分析，传感器工作稳定，符合环境变化规律，并且采用手持式数字环境温湿度计作为标准温湿度计采集同一时间数据，采集的值作为标准值与系统测试值对比，传感器采集数据准确，在允许的误差范围内。以空气温湿度为例如表5所示。

表4 环境参数的数据

表5 传感器值与标准值的对比

根据历史数据，将混合液的EC值数据做成趋势曲线，如图12所示，通过曲线看出，在140 s左右，施肥浓度达到设定浓度，在100 s附近出现最大值，最大超调量约为6.8%；进入稳态后，水肥溶液浓度EC值出现一定的波动，这是因为电动球阀在调节过程中存在惯性导致的[17]，在波动允许范围内，最大绝对误差为0.5 mS/cm。

图12 施肥过程EC值变化曲线

系统于寿光日光温室实地测试至今未发生异常，工作状态良好，触摸屏界面和远程操作界面操作简单，传感器能够按照周期准确采集数据，数据经过控制器分析处理后，自动快速准确地控制执行器完成灌溉施肥工作，DTU与云服务器通信正常，数据库完整保存数据，方便用户查询历史数据。

5 结论

1)基于物联网的水肥一体化系统，采用以数据为核心的物联网架构，通过多种传感器采集温室环境数据，通过GPRS通信方式实现数据的远距离传输，通过网络服务器和数据库实现数据的处理和存储，实现了传感器、通信和计算机、智能控制等多技术融合，提高了系统的集成度。

2)系统以传感器采集的空气温湿度、土壤温度水分、混合液EC值和pH值作为反馈量输入，以水肥一体化执行模块的水泵和电动球阀作为执行元件，实时精准调节配肥电导率和酸碱度，提高配比精度，水肥配比浓度最大绝对误差为0.5 mS/cm，符合系统设计要求。

3)系统具有人机触摸屏控制显示以及监控平台远程监控等功能，通过触摸屏预设灌溉施肥方案决策或者监控平台远程操作，方便用户控制管理，减少作物种植的人力投入和成本，在现代设施农业中具有一定的实用性。