张雪飞， 王建春*， 彭 凯， 李凤菊

(1.天津市农业科学院 信息研究所， 天津 300192； 2.河北工业大学 机械工程学院， 天津 300130)

近年来，设施农业物联网在信息化、智能化、精准化方面得到快速发展，利用多种无线传感技术、互联网技术开展粮食生产和农作物种植环境参数监控的研究与开发[1-4]得到相关研究者的关注。智能浇灌技术也在大田和温室大棚中得到推广应用[5-6]，主要采用多种无线通信方式，不同浇灌控制方式实现精准节水节肥控制[7]。设施温室智能节水灌溉技术是当今发达国家研究的热点领域，目前我国的水肥一体化自动控制系统主要依靠引进国外先进的技术和设备，设备成本高，与设施农业生产脱节，不能有效进行推广[8-15]。因此，笔者等进行了设施农业水肥一体化节水灌溉系统的研发，以实现设施温室的节水节肥和提高水肥资源利用率、降低农业污染，解放农业生产力的目的。

1 系统设计

1.1 控制系统结构

设施温室水肥浇灌系统目标是实现精确的智能水肥灌溉，即能根据土壤墒情和时间智能设定完成水肥的滴灌。因此，需要及时获取浇灌区域的环境参数数据和浇灌时的即时浇灌量值，才能初步实现定量浇灌。根据系统实现的目标，将系统结构分成4层(图1)。第1层(底层)为传感执行器层，主要由各种类型环境参数传感器如光照传感器、土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器等组成，灌溉执行器采用各种的阀门和用于控制浇灌量的流量计；第2层为数据采集控制层，该层利用单片机作为下位机采集各种传感器数据，给执行器发送开关控制指令，打开或关闭阀门；第3层为数据传输层，采用Zigbee网络技术，由协调器、路由和终端构建整个传感控制网络，该层利用无线传感网络将各种传感器数据传送到上位机，将上位机浇灌控制指令传送到控制执行器的下位机；第4层为顶层，是智能网关，用于数据的展示，浇灌控制的决策及浇灌控制信息。

1.2 系统硬件

1.2.1 环境数据采集器 环境数据采集器的核心是TI公司的CC2530，其本身是一种增强型8051单片机，具有强大的收发特性及组网功能。传感器均采用具有RS485接口的数字型传感器。温湿度传感器内部采用SHT11传感器，具有体积小、功耗低和精准度高的特点。土壤含水量传感器采用FC28，功耗低，量程0～100%。传感器均经过485接口与CC2530单片机连接，实现多传感器动态接入采集器,单个环境数据采集器最多可以支持接入247个传感器。每个传感器在接入采集器前需通过拨码开关或软件寄存器设置唯一的编号。每个Zigbee环境采集器设置唯一的地址，用于区别设施温室环境数据的来源。利用CC2530单片机通过串口与数字传感器通信，获取传感器数据。通过485总线连接多个传感器，构成环境数据采集器(图2)。

1.2.2 水肥一体化灌溉控制器 水肥一体化灌溉控制器(图3)由单片机、数字流量计、继电器和电磁阀、比例施肥器等组成(图3)，结构类似采集器。单片机采用CC2530，既作控制主机又作无线通信主机。

数字流量计通过485接口与单片机通信，用于计量水肥浇灌量，单片机通过通用IO口经过继电器控制电磁阀开启或者断开。一个水肥控制器可以同时驱动多个流量计和电磁阀，控制多组浇灌设备进行作业。一般1组浇灌设备包括1个水阀控制和1个肥阀控制。为了提高浇灌精准度，也可以采用1个浇灌控制器控制一组浇灌设备记性作业。

1.2.3 arm智能控制器 arm智能控制器(图4)主要包括arm核心开发板及Zigbee协调器(图4)。arm开发板采用友善之臂的Smart4418，具有高性能Cortex-A9核心板，采用三星S5PV4418作为主处理器。运行主频高达1.4GHz，带有600×1024的触摸液晶屏以及以太网口。Zigbee网络协调器采用TI公司的CC2530，方便进行自组网与zigbee其他终端和路由进行数据无线传输。协调器与arm控制器之间通过rs232串口进行通信，arm控制器通过协调器接收来自终端发来的传感器数据，并发送控制指令给终端。

图4 arm智能控制器结构

Fig.4 Structure of arm intelligent controller

1.3 软件设计

1.3.1 采集终端软件 由于CC2530单片机既有采集数据功能又有无线数据收发功能，因此需要定时进行数据采集，同时在连接入网后无线功能处于监听状态，随时接收来自协调器的指令。终端采集器可以挂载多个传感器，且传感器的地址不一定连续，因此在设备通电后，首先扫描挂接在终端上的传感器，并记录其地址码。扫描完所有地址后，即可获知所有在线传感器，再按照固定的频率，通过modbus协议轮询获取传感器的数据。将获取的环境数据进行暂存，采用覆盖方式保存传感器新上传的数据；终端不会主动发送数据给协调器，避免多个终端同时发送数据导致数据碰撞而发送失败；接收协调器发来的查询指令，将传感器数据发送给arm控制器，工作流程如图5所示。

1.3.2 浇灌控制软件 浇灌控制软件用于水肥控制终端上，接收arm智能控制器通过协调器发来的灌溉指令；该指令中可以包含水、肥浇灌量，根据灌溉量，开启电磁阀进行灌溉，并定时查询流量计，检测浇灌量是否达到指令设定浇灌值。若达到预定的灌溉值，则关闭终止灌溉，否则继续浇灌作业。软件控制流程如图6所示。

1.3.3 智能arm控制器软件 智能Arm控制器主要功能是负责收集监控区内的环境传感器数据，对数据进行存储、管理、分析决策并提供人机交互界面，发送控制指令给浇灌控制器，其功能模块和主要工作流程见图7。环境采集器的传感器和浇灌控制器数据均通过Zigbee网络及协调器与arm控制器进行传递，因此arm接收发送数据均通过串口中断实现。由于多个传感器终端节点自主发送给arm控制器传感器数据存在数据碰撞概率，当出现一定次数后，终端与协调器之间通信发生中断，导致某终端节点不再发送传感器数据，陷入假死状态。因此，采用arm控制器轮询方式查询各个环境采集器传感数据的方式。即第1次环境采集器或者灌溉控制器作为终端入网后，会主动给协调器发送一次终端的自定义地址，协调器转发arm控制器，arm控制器将记录该地址作为在线节点地址。之后arm将进行定时扫描所有记录的环境采集器地址，采用轮询方式给各个环境采集器发送查询指令，并接收这些环境采集器反馈的传感器数据；而浇灌控制器地址则保存用于发送浇灌指令。

arm控制器软件在基于LINUX系统的QT4.8.5版本软件开发平台制作完成，QT开发平台有很好的跨平台功能，在LINUX系统和window系统下代码可以转换编译；通过arm-linux-gcc交叉编译工具可以将qt代码编译成arm控制器能够识别的ARM机程序，下载到arm机上即可运行。开发的人机交互界面包括各个环境采集器节点、各个传感器数据显示、灌溉设置及数据查询等(图8)服务。

在交互界面设计中，由于整个传感控制网络可能部署不同数量的终端节点，且不同终端节点上挂载数量不定的传感器或者电磁阀，因此采用下拉方式作为人机交互；并且将各类传感器地址进行分段编号，目前采集器节点预留了9个传感器挂载端口，所以土壤温湿度传感器编号设置在1～3的范围，空气温湿度编号范围4～6，光照度编号范围7～9，如果需要挂载更多传感器，只需要修改相应的配置文件，增加挂载传感器数量即可。这种方式可以较为方便地增加并显示终端节点的编号及各个节点上各个类型传感器编号等。

1.3.4 数据库 整个系统每天会采集大量数据，因此需要部署数据库对数据进行有效的存储和管理。在arm机上移植Mysql数据库。数据库表中的字段囊括了需要记录的各种参数，主要有环境温湿度数据、土壤的温湿度、光照度和数据记录时间等。在arm系统下查询主要字段(图9a)，还需建立浇灌数据表，记录设定浇灌水量、肥量，实际浇灌水量、肥量、浇灌时间起始时间，结束时间等(图9b)。数据库建立后就可方便地进行数据存储。记录数据后可以随时查询历史数据(图10)，软件中设定最多查询1个月内的数据。

图10 数据库历史数据查询

1.3.5 滴灌策略 为了尽可能节水节肥，提高水肥的效能，采用少量多次灌溉的原则，充分利用土壤、环境传感器返回的数据作闭环反馈控制。在arm控制器中设置每天多次灌溉启动的时间，并增加电磁阀开启条件，只有当土壤含水量低于设定数值，环境湿度低于一定数值时，才会开启电磁阀进行水量浇灌。每次的浇灌量都控制在10 L以内。施肥同样采用此策略，少量多次为原则，减少肥量流失和环保压力。

2 系统测试

于2016年4月在北辰雨农合作社的试验大棚中进行系统测试。环境采集器节点放置在大棚中多个位置；水肥一体控制器布置在浇灌管道旁边，arm控制器挂在墙上(图11)，方便操作和观察结果。

先给arm控制器和协调器所在的控制箱通电，然后给各个采集器终端通电，依次加入协调器构建的传感网络，浇灌控制器加入后构建整个测量控制网络。根据试验中传感器上报的数据，可看出自研的环境传感器能正常上报空气温湿度、土壤温湿度的数据(图12)。arm智能决策模块集数据监测与智能灌溉集一体，通过监测数据与灌溉启动的阈值进行对比，精准开启灌溉，实现高效节水节肥。

图11 温室大棚设备装置

3 结论

设计的水肥一体化智能灌溉系统能够实时对温室小气候进行监控，通过arm智能决策控制器完成数据收集、灌溉决策控制、人机交互等功能。智能传感器终端实时扫描传感器的数据，提供给arm决策控制器传感器数据服务；智能控制终端接收arm决策控制器水肥浇灌指令，精准执行水肥浇灌量。经棚内试验测试，该系统可以定时定量及根据土壤湿度智能进行水肥滴灌。后续将进一步研究滴灌量与作物生长期之间的匹配关系，进一步提高水肥的效能。