王 勇

(河北省机电一体化中试基地，河北 石家庄 050081)

基于无线技术的水肥一体化系统设计

王 勇

(河北省机电一体化中试基地，河北 石家庄 050081)

本文针对我国农业用水、施肥过程中资源浪费严重的情况，基于Zigbee和GPRS网络技术，设计了水肥一体化系统。控制系统采用上、下位机两级分布式的结构形式，上位机使用VB编写界面程序，下位机采用ARM嵌入式系统。系统经测试证明，各项功能均达到设计要求，具有高效、节水的作用。

水肥一体化系统；Zigbee网络； GPRS无线通信

0 引言

农业是用肥、用水大户，但在我国农田灌溉目前仍处于半自动化阶段，灌溉的时间依据个人经验确定，灌溉用水的利用率仅为40%[1]；农田使用化肥的总量和单位面积施肥量居世界前列，但化肥的利用率仅为30%。化肥生产消耗了大量能源，化肥中氮、磷及微量元素的流失不仅造成了资源的极大浪费，而且严重污染了环境。因此，提高水、肥利用效率是我国现代农业发展的必由之路。

本文设计的基于Zigbee和GPRS网络技术的水肥一体化系统，采用上、下位机两级分布式的结构形式，上位机使用VB编写界面程序，下位机采用ARM嵌入式系统，系统应用在农田灌溉中，获得了稳定、高效的运行效果。

1 系统整体结构

为实现对环境信息的采集和控制，系统具有数据采集、分析处理、存储管理、自动控制等功能，系统组成如图1所示:系统以ARM控制器为核心，控制器通过GPRS网络与上位机监控系统通信；无线传感网络采用星型结构的Zigbee网络；被控系统由自动灌溉和水肥灌溉液混合两部分组成[2]，灌溉控制由水泵、稳压阀、过滤器，各灌溉区的电磁阀构成；水肥灌溉液混合控制系统由混合罐、肥料罐、酸液罐，控制添加水肥灌溉液母液和酸液的电磁阀，施肥泵，电导率和酸度传感器等构成；灌溉系统工作时水泵打开，稳压阀保证管道中的水保持稳定的压力。在每个灌溉支路上都安装了电磁阀，传感器检测到土壤需要灌溉时，则启动系统，打开水泵，并启动注水电磁阀直接用于灌溉，通过湿度传感器的在线实时监测，确定灌溉时间。当监测需要水肥耦合灌溉，水肥耦合灌溉液混合控制系统启动后，来自主管道的部分灌溉水注入到混合罐中，同时打开肥料和酸液注入通道的电磁阀，使所需肥料和酸液注入到混合罐中。在水肥混合灌溉液混合中，标志水肥灌溉液浓度的指标是混合后水肥灌溉液的电导率(EC值)和酸碱度 (pH值)。所以水肥灌溉液混合控制的目标就是按系统营养浓度设定值，实时控制混合后水肥灌溉液的电导率((EC值)和酸碱度(pH值)。系统根据EC传感器和pH传感器采样值，由控制器控制肥料与酸液电磁阀的开闭，使混合后水肥灌溉液达到要求。

图1 系统总体结构图

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点设计

无线传感器节点采用CC2430作为处理器，CC2430是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，其在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用[3]。EC传感器采用具有自动温度补偿功能的DDB-303A型电导率仪；PH传感器采用具有温度补偿功能的868型酸度计；温湿度传感器采用SHT71数字型传感器。

2.2 控制板设计

控制器主要由MCU模块、Zigbee协调器、GPRS通信模块组成。其中MCU模块采用低功耗、低成本、性能好的ARM1176JZF-S作为微处理器，通过串口读取Zigbee无线传感网络采集的数据，并采用嵌入式SQLite数据库；当环境参数变化时，传感器将采集的数据发送到嵌入式服务器，服务器同步更新SQLite数据库，同时在上位机监控界面更新参数。GPRS通信模块采用华为GTM900C模块，模块支持GSM900/1800双频，提供电源接口、模拟音频接口、标准SIM卡接口和UART接口，支持语音业务、短消息业务、GPRS数据业务和电路型数据业务。

3 软件设计

3.1 控制系统程序设计

控制系统的软件采用结构化和模块化的设计方法，程序分为下位机程序和上位机程序两部分。下位机程序由初始化模块、数据采集程序模块、数据处理模块、显示程序模块、报警模块、继电器输出模块、串口通信模块、GPRS模块组成，系统软件各个模块的关系如图2所示。

图2 系统软件框图

3.2 上位机监控系统设计

在系统运行过程中，用户主要通过上位机界面对整个控制系统进行监控和管理。上位机通过GPRS网络同控制板建立连接，上位机控制系统使用VB 6.0开发应用程序，包括无线数据采集子程序、显示输出子程序、数据存储子程序、专家子程序、历史数据查询子程序、监控子程序。

上位机的专家子程序包括专家模型，采用Smith算法的改进型[4]，对有延时的数据变化进行预先估算，根据运算结果再进行补偿，当环境数据发生变化时可以准确地进行预估判断控制相应的设备，从而保持环境参数在预设范围内。

4 结论

在Zigbee和GPRS技术的基础上构建了农业远程测控系统的软硬件平台，上位机控制系统使用VB编写界面，采用改进的Smith算法建立了专家子系统，有效调节系统参数；下位机采用ARM嵌入式系统，实现信息的采集与处理。系统经测试证明，各项功能均达到设计要求，具有高效、节水的作用，避免了水肥资源的浪费。

[1] 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(312):204-206.

[2] 雷永富.水肥耦合灌溉控制系统的研究[D].华中农业大学,2006.

[3] 郭亮.基于嵌入式技术和无线传感技术的大棚温室参数监测系统[D].沈阳工业大学,2012.

[4] 盛平，郭洋洋，李萍萍.基于Zigbee和3G技术的设施农业智能测控系统[J].农业机械学报,2012,43(12):229-233.

Design for integration of water and fertilizer system based on wireless technology

WANG Yong

(HebeiMechatronicsIntermediatePilotProductionBase,ShijiazhuangHebei050081,China)

In view of the waste of resources in agricultural water and fertilization,the integration of water and fertilizer system based on Zigbee and GPRS network is designed.The stratification structure of the control system is master and slave computer.The upper computer uses VB procedure.The ARM embedded system is adopted as slave computer.Practical using shows that the functions of the system can achieve design requirements.The high-efficient system is valuable for water conservation.

Integration of water and fertilizer system;Zigbee network;GPRS radio technique

2015-05-20

河北省科技计划项目(No:14227003D)

王 勇(1975-),男，河北冀州人，高级工程师，主要从事自动化控制的研究与开发.

1001-9383(2015)03-0036-04

TP273

A