李志然 潘鹤立 尚春雨 潘东明

摘 要：为了提高农田灌溉和施肥效率，优化生产流程和改善土壤生态环境，开发了基于物联网智慧农业的作物水肥一体化系统，在对系统建设的物联网原理和总体构架进行阐述分析的基础上将系统应用划分为农田环境监测系统和水肥一体化系统两大模块。农田环境监测系统以无线传感器网络为基础，采用一体化采集节点设计，可以实现农田水肥环境等数据监测，为灌溉和施肥控制提供数据支撑;水肥一体化系统在系统首部、管网和控制系统等工程建设的基础上采用组态软件开发，通过原理流程设定可以实现农田智能灌溉施肥控制和数据分析查询等功能。

关键词：水肥一体化系统;物联网;环境监测;智能控制

DOI：10.13651/j.cnki.fjnykj.2019.03.015

Abstract：In order to improve the efficiency of irrigation and fertilization in farmland， optimize production process and improve soil ecological environment， the integrated system for crop water and fertilizer was developed basing on the intelligent agricultural technology of internet of things. On the basis of analyzing the principle of the Internet of things and overall framework of the system construction， the application of the system was divided into two modules：the farmland environmental monitoring system and the integrated system of water and fertilizer.The farmland environmental monitoring system could monitor the data of water and fertilizer environment in farmland that based on the wireless sensor network， and adopted integrated acquisition node design which could provide data support for the control of irrigation and fertilization.The integrated system for water and fertilizer was developed with configuration software basing on the construction of the first part of the system，the pipe network system and the control system，， and it could realize the intelligent control of irrigation and fertilization， data analysis and query in farmland through the setting of the principle flow.

Key words：Integrated system for water and fertilizer; Internet of things; Environmental monitor; Intelligent control

智慧农业是近些年来农业技术发展中的一个重要方向，从20世纪中期信息技术开始应用于农业至今，数据处理、自动控制以及网络技术应用已渗透到农业生产各个方面。2016年党的《“十三五”全国农业农村信息化发展规划》、《国家信息化发展战略纲要》等政策纲领性文件明确指出“信息化是农业现代化的制高点”，加快农业、农村信息化的发展，培育和建设智慧农业、互联网农业等新兴产业[1]。当前，以物联网为代表的数字信息技术已成为智慧农业发展和质量提升的关键环节。

福建省是一个多山的省份，素有“八山一水一分田”的称谓，因此大部分农田的建设都位于丘陵地区，平地资源相对缺乏，水源条件也分布不均，传统的灌溉施肥技术在实际农田管理中具有较大的限制。近些年来，随着农村年轻劳动力的流逝，化肥等生产资料的价格上涨等社会环境因素，使得劳动成本不断上涨，农田经济效益不断下降。由于农户在农田的管理过程中缺乏科学指导，导致水肥农药的过度使用，不仅加大了成本投入，更容易造成土壤的酸化和板结问题，而且多余的养分肥料和农药等会渗入地下水系统，使水体富营养化，造成生态环境的破坏，影响作物的生长发育和产量品质的下降。因此研究高效的灌溉施肥技术是当前解决农田水肥问题的关键。在提高农田产量质量的同时，合理規划水肥的使用量，保护生态环境，逐步转向农田的绿色发展，基于物联网的农田水肥一体化技术成为首选目标。

水肥一体化技术是农业现代化进程中发展起来的一项新的农业技术，主要是指在农业生产中把灌溉和施肥融为一体，借助压力系统或自然落差通过管道系统，准确均匀地将配置好的水肥输送至农田的根部区域的智能灌溉技术[2]。通过将物联网技术与水肥一体化技术优势结合，利用现代信息技术对农田环境进行智能监测控制，实现信息的收集和数字化处理，有效提高农田水肥灌溉的智能决策效率，实现农田的高效管理和作物的优质、绿色生产。

1 系统总体设计

基于物联网智慧农业的农田水肥一体化自动系统主要由农田环境监测系统和水肥一体化系统两部分组成，以云技术应用为服务平台，以农业物联网架构为基础而设计开发的现代智能农业系统，在设计理念和应用效果上呈现“可视化、智能化和一体化”的特点，具有气象监测、趋势分析、水肥智能控制和预报预警等多种功能。

物联网技术由三层架构组成，分别为：感知层、网络层以及应用层[3]。这三层结构构成了物联网的应用基础，既相互独立又相互联系实现物联网的应用。物联网三层结构示意图如图1所示。

感知层位于体系结构的底层，是物联网的基础部分，由各类传感器构成用于感知纪录外部环境的客观信息，如空气温湿度、土壤温度、土壤含水量和降雨量等，是农田环境监测系统的基础和核心构架;网络层位于中间层，也称为传输层，是感知层和服务层的连接纽带，主要功能是通过各种无线、有线网络把感知层传递的电磁信号（电压信号和电磁波信号等）传送到应用层;应用层是物联网技术的显示层和服务界面，是信息采集传输的终端，它可以把传输层传递过来的电信号进行数据转化分析，以直观的图表或曲线的形式呈现给用户，用户可以通过应用层发送相关指令给各控制器进而实现农田水肥灌溉的智能控制和管理。水肥一体化系统构架示意图如图2所示。

2 农田环境信息监测系统设计

农田环境信息监测系统由环境采集专用传感器、网关、Zig Bee、4G/5G 无线网络、传统有线网络及相关附件构成，其中传感器平均分布安装于农田种植区域。前端的传感器数据采集设备承担着信息和数据收集功能，而网关、数据传输系统网络负责把大量无线传感器节点收集到的温湿度、土壤含水量信息进行电信号TCP/IP格式化转化，通过ZigBee & LORA、4G/5G 无线网络和传统有线网络，将数据输送到云服务器，进行数据处理与分析。农田管理人员可以登录智慧农业云平台进行信息查看，进行实时环境调控，可为园区水肥灌溉智能控制、环境调控以及决策分析等园区智能化、数字化管理提供强有力的信息支持。

2.1 一体化无线采集节点的设计

一体化无线采集节点的设计，是按照模块化设计原则，将多种传感器处理模块和射频模块集成一体，根据农田的实际监测需求自由选择传感器的种类，具有可调整性和扩展性等优势[4]。一体化无线采集节点硬件结构示意图如图3所示。

系统的一体化无线采集节点传感器模块设计中主要选择了空气温湿度、光照强度、CO2浓度、土壤温度和土壤湿度传感器等采集环境参数。各传感器名称及规格参数如表1所示。其中土壤温度和土壤含水量传感器用于灌溉控制的数据采集，而空气温湿度、光照强度和CO2浓度传感器则用于农田环境的监测，更好地辅助管理人员进行管理决策。

本系统在一体化无线采集节点的设计中射频模块根据ZigBee无线技术网络通信协议和低功耗、延时短、网络容量大、多频段的特点选择了适配性强的CC2530芯片。CC2530芯片支持2.4 GHz 频段、IEEE802.15 Zigbee 协议并且自带有RF收发器，且具有极高的接收灵敏度、抗干扰能力和低功耗的特点[5]，非常适合农田需要超低耗的监测环境。

2.2 物联网网关的设计

物联网网关即Zigbee网络的汇聚节点，它的主要功能是将感知层中各无线传感器采集到的环境信息转换成TCP/IP格式电信号经过宽带网络和广域网传输至本地水肥一体化监控服务平台和云端服务器存儲，采用以云存储为核心的在线分布存储系统进行数据存储。通过采用访问控制、身份认证以及ssl加密技术对数据进行保护，确保数据安全可靠，保证用户随时随地可接入云端访问，实现现场级和云端的远程传输及存储，同时能提供基于WEB端和移动端的数据访问及管理服务。

3 农田水肥一体化系统设计

3.1 水肥一体化系统综合设计

基于物联网水肥一体化系统的设计内容共分为管道、施肥和智能控制器系统等基础设施以及智能管理软件集成系统两大部分。

管道、施肥和智能控制器系统等基础设施包括系统首部建设、给水管网建设和灌溉分区阀门控制设备建设三大部分，具体为系统首部泵站、过滤系统配置，田间灌溉给水管网走向，检查井位置，给水设备（如蝶阀、空气阀、泄水阀）等安装位置，控制电缆铺设走向，控制设备（如灌溉电磁阀、解码器、田间控制站、防雷击保护器）等安装位置，中控设备及气象站等设备的布置。田间电力线缆采用地埋形式，利用灌溉管路敷设所需的沟渠开展敷设工作。

系统首部作为系统动力源，由农田附近水库或地下水中抽调输送至田间的蓄水池中，为各种植区域提供灌溉用水;给水管网包含系统首部与各蓄水池间的水源输送管路以及蓄水池与各灌溉区域间相互连接的输水管网;灌溉分区依据耗水量与管路最大输水量间损耗关系，由灌溉支管、灌溉喷头等设施构成，形成合理灌溉分区布局。系统建成后，以环境采集信息为基础，以控制器作为控制终端，依据作物的水肥需求模型开展自动化、智能化灌溉施肥决策。水肥一体化技术结构示意图如图4所示。

针对规农业水肥一体化生产的需求，建立实用、操作简单的水肥灌溉管理体系。水肥软件集成管理平台以软硬件有机结合开发而成，布设于田间数据管理中心服务器，通过该系统可实现远程自动化水肥灌溉控制，在远程控制界面对自动灌溉控制装备进行系统配置、时间等参数设置，具有灌溉控制、轮灌组设置、异常报警、操作日志等功能，实现了用水管理和灌溉控制管理，提高田间综合管理水平。

3.2 水肥一体化灌溉控制原理

水肥灌溉系统由软件系统、系统首部、分路控制器、数据采集终端和电磁阀控制终端组成，通过与管网系统有机结合，可实现智能化监测、控制灌溉中的供水时间及供水量。

在进行水肥灌溉时由均匀部署在田间的土壤温湿度传感器采集终端的信息收集和反馈作为灌溉控制的基础，根据作物最佳生长条件的土壤含水量，设定下限值和上限值，通过传感器的采集传输至云平台经过数据处理后在系统显示界面以颜色的深浅表示含水量的多少，直观地展示给用户。当灌溉分区的土壤含水量达到设定的下限值时，传感器把检测到的信息发送到管理平台，管理平台发送指令到电磁阀，实现电磁阀的自动开启，并控制水泵、施肥泵等设备进行灌溉工作;当检测到土壤含水量经过预设灌水定额灌溉后到达设定的上限值时，自动关闭电磁阀，相关设备也停止运行[6]。同时在灌溉过程中可根据不同时间段设定不同分区的电磁阀工作顺序，实现轮罐组的协调划分，也可以根据田间环境实际状况实现手动灌溉施肥工作。水肥自动灌溉示意图如图5所示。

在水肥自动灌溉系统程序设计时要根据不同作物或果树的种类确定最佳的土壤含水量范围，假设某一作物的最佳土壤含水量范围为15%～20%，含水量变量为X，土壤传感器标号为I，灌溉时间为D，水肥自动灌溉程序设计流程图如图6所示。当然用户也可以通过云平台界面随时观察农田含水量信息，进入灌溉施肥界面，手动设定灌溉时间参数和施肥时间参数进行灌溉施肥控制。

3.3 系统首部设计

系统首部是灌溉系统中的起点，通常作为灌溉管理中心，动力系统、过滤系统和施肥系统等设备在首部运行。

（1）灌溉首部增压装置：根据灌溉系统设计流量和扬程选择合适的管道离心泵，同时配置变频柜，对水泵采用恒压控制。

（2）过滤系统：在灌溉系统中，进入系统的水必须经过过滤器进行净化处理。水源为地下水或山泉水，统一汇入蓄水池，然后增压进入管网。灌溉系统首部过滤器系统设计采用叠片式过滤器组（手动清洗）。同时建议地下水井泵安装处安装过滤系统，分为两级过滤，第一级为离心分离器，第二级为网式自动反冲洗过滤器。

（3）施肥系统：考虑所施肥料为可溶性液态肥，设计采用比例施肥泵，它是一种靠水力驱动的施肥装置，能够按照设定的比例将肥料均匀的添加到水中，不受系统压力和流量影响，实现施肥浓度控制。

（4）量控仪表与保护装置：为保证灌溉系统正常运行，在首部枢纽需安装各种控制，量测，保护装置。量测控制设备包括压力表，空气阀，蝶阀等。

3.4 给水管网建设

给水管网系统通过蓄水池与管路将整个种植区域连接，构成给水管网。给水管网分别由水源中转蓄水池、增压水泵、过滤设备、水肥设备、管网工程及相关管线配件组成，各蓄水池依据农田地形高低适当选择建设大、中、小三型蓄水池，将首部水源与各灌溉区域融为一体。

蓄水池可以安装1套浮力补水装置，结合首部水泵与各分区离心水泵提供动力，实现自动补水功能，构成各种植区域的水源调度工作;同时在蓄水池处各配备1套碟片过滤设备与1套比例施肥泵，用于液体肥料的水肥一体化工作与管路内杂质过滤，比例施肥泵利用水流吸力，按比例将混肥桶内肥液或药液吸入灌溉管路，肥药随灌溉水按预设计量均匀滴入田间;蓄水池处建设1台智能控制器作为灌溉工作启闭指令控制终端，控制器可依据上位机软件命令或本地人工指令开展灌溉操作，大幅减少人工劳动强度，起到节本增效目的，同时于各蓄水池处配套安装1套超声波流量计，用于监测各蓄水池灌溉用水量。

管网工程由主管、支管、毛管及相关管线附件构成，将灌溉用水源源不断的输送至目标灌溉区域。相关附件主要包括闸阀、球阀和喷头等。

3.5 灌溉分区控制设备建设

阀门控制器是电磁阀控制的上端，用于接收云平台系统指令控制电磁阀开启和关闭的控制设备，一个阀门控制器可以控制多个电磁阀工作。电磁阀是水肥一体化系统的控制终端，实现肥水灌溉。阀门控制器系统示意图如图7所示。

灌溉分区的规划主要依据农田地形和管路给水量而划分合适的分区。每个灌溉分区安装1套电磁阀用于灌溉指令执行机构，各电磁阀与阀门控制器间采用双绞线连接，同时在分区进水阀门、电磁阀及泄水阀门位置各配套安装1套阀门井，用于阀门手动控制及检修。

3.6 水肥一体化软件系统建设

水肥调控软件布设于园区数据中心服务器，提供网页版和APP版两种类型的服务。软件系统集成了农田环境智能监测和水肥灌溉控制两大模块，一方面，服务器通过各类型传感器获取农田土壤温湿度、降雨量等信息，从而反映各灌溉区域当前的灌溉状态;另一方面，通过智能控制器进行灌溉控制。此两种功能的结合，实现了园区环境监测、用水调度、灌溉控制三方面的有机结合。系统将依据获取的量化传感器数据，比对作物生理生态模型和相关数据公式，對灌溉相关设备下达灌溉指令，实现用量有据、轮灌有序、区别配给的决策模式，实现了设施农业用水的智能管理。当园区管理人员计划执行补肥措施时，操作人员将配比好的水溶性肥料放置于施肥罐中并开启注肥装置，肥液将依据灌溉计划，定时定量的随灌溉用水，一同均匀施于目标区域内。水肥药调控软件可以实现种植区域水肥环境监测、用水量监测、电磁阀及水泵手动、定时、智能灌溉控制、数据分析、数据查询、操作记录查询等功能。水肥一体化软件控制模型结构示意图如图8所示。水肥一体化软件（手机端）示意图如图9所示。

4 讨论

基于物联网智慧农业的水肥一体化系统，采用计算机自动化技术、无线传感网络技术和云平台服务技术等，通过均匀部署在农田各分区的智能无线网络传感器设备作为数据采集源，电磁阀作为控制终端。无线网络传感器在收集到农田的土壤含水量和降雨量等环境信息后，通过数据交换与数字化处理后通过ZigBee & LORA、4G/5G无线网络、网关、有线网络与广域网的有效连接，传输到智慧农业云平台，根据作物发育周期需水量、需肥特点和灌溉模型信息使用云计算对数据加工处理，依据处理结果通过控制系统对终端电磁阀进行调控，合理实现水肥定点定量灌溉，可以提高水肥利用率，改善土壤环境，降低劳动成本，推动农田的标准化生产，实现农田经济效益和生态效益的同步增收。

物联网智慧农业水肥一体化系统在作物的实际生产中虽然优势明显，但也要认识到系统的不足之处，主要有以下两点：

（1）基于物联网水肥一体化技术的运营成本投入较高，一般用户难以支撑前期的建设投入和后期的养护管理。

（2）水肥一体化系统中传感器采集设备的精度不够高，对水肥灌溉的应用效果有一定影响，而高精度传感器价格高，成本投入大，因此需要加大传感器研究力度，开发出适应农业生产的高精度低成本传感器。

近年来，随着现代网络技术、信息技术和现代制造工艺技术的发展，NBIoT（Narrow Band Internet of Things）窄带物联网新技术逐渐兴起，应加快实现NBIoT新技术[7]在水肥一体化智慧农业中的研究建设，实现传感器和控制器的联动，使水肥一体化技术能适应更复杂的农田环境，降低成本投入，促进水肥一体化智慧农业的快速发展。

参考文献：

[1]刘月姣.农业部编制印发《“十三五”全国农业农村信息化发展规划》[J].农产品市场周刊，2016（35）：4-4.

[2]闫彩萍.日光温室水肥一体化技术[J].现代农业，2009（11）：25-26.

[3]张婷.无线传感网络中的无线传输系统研究[J].电子技术与软件工程，2013（24）：20.

[4]潘鹤立，景林，钟凤林，等.基于Zig Bee和3G/4G技术的分布式农田远程环境监控系统的建设[J].福建农林大学学报，2014，43（6）：661-667.

[5]赵湘宁.基于无线传感器网络的精准农业控制系统构建[J].福建农业学报，2011，26（4）：671-675.

[6]蒋庆丽，杨洪涛.信息化系统在农田水利项目中的应用[J].河南水利与南水北调，2016（6）：72-73.

[7]童桦.窄带物联网（NBIOT）商业应用探索[J].信息通信，2017（3）：261-262.

（责任编辑：柯文辉）