张守艳，宗峰

（1.山东英才学院工学院，山东济南，250104；2.济南幼儿师范高等专科学校，山东济南，250307）

0 引言

自古以来，我国就是一个以农业为主的大国。农业是我国最具主导地位的基础产业,并且水资源与农业的关系是密不可分的。我国本来就是一个水资源短缺的国家,另外还有在生活用水，农业用水上存在一些浪费，使得水资源更加短缺,像现在农业生产灌溉基本都是大水漫灌。导致农业生产资源的缺乏,使农业的绿色可持续发展成为了不可实现的概念。传统型农业，在生产上已经造成水资源，肥资源等的严重浪费，使本来不富裕的资源更少。水肥资源的严重浪费的已经对新时代的绿色可持续发展构成威胁。在新时代当中，号召农业领域的工作者，与政府合作，发展水肥一体化农业，增加了水肥资源的利用率、减轻了国家对水肥资源紧缺的负担、增强对生态环境的保护，将原有的传统农业转化为现代的新型农业。基于物联网技术的水肥一体化智能灌溉系统，该系统不仅能够节约水资源,减少化肥施用量,降低生产成本,还能提升果品质量,增加果农收益,同时减轻环境污染。并且可改善原有的传统灌溉方式，节约水资源，解决劳动力短缺，土壤板结等问题。在多年的实验田实验，水肥一体化，无论在解决水肥资源严重短缺的问题，还是在突发旱灾的严重情况下，农作物可以正常的生产甚至增产，在产量上完全不亚于正常的传统灌溉方式。在一定程度上调节了水肥资源的平衡并解决了农业环境污染问题，大大的提高了粮食生产能力，对国家粮食安全有了重要保证，为实现绿色可持续发展奠定了一定的基础。

1 国内外研究现状和发展动态

20世纪60年代初随着塑料工业的发展，以色列开始发展滴灌。60年代末开始应用水肥一体化技术。目前，以色列在果园、温室、大田、绿化等方面已全面应用此项技术，应用面积占灌溉面积的67 9%，居世界之首。从世界范围看，水肥一体化技术广 泛应用于干早缺水以及经济发达的国家[1]。经济水平的不断提高，我国科技业正在迅速的发展，另外我国现代化农业也正在迅速稳步地推进，我国农业的发展不论是从种植到收获的现代化、还是农业生产的机械化、现代化农业程度都越来越高。传统的种植方式逐渐被现代种植方式所取代，是农业生产更加智能化。无论从水资源还是从劳动力来说，水肥一体化具有很多好处并且具有较好的发展前景。据了解,我国水资源总量的80%是用于农业用水,并且农业用水的十分之九由于农业灌溉，而且2051年中国老龄人口达到最大值，但是2030年是中国老龄化最严峻的时期。水肥一体化在一定程度上解决其两大问题。

2 研究内容

本设计主要包括智能监测模块、智能控制系统模块、信息汇总以及信息传输三部分。

（1）智能监测：智能监测这一部分主要是通过气象环境监测系统对温度、湿度、集雨量进行检测、使用远程监控对作物进行实时监控、能效监测系统每月使用的电能来更好的计算电能使用率使益最大化。

（2）智能控制系统：这部分包括智能施肥系统和智能灌溉系统，该部分是将传感器采集到的信息反馈到信息中心，然后通过信息中心以信号的形式发送给控制系统最终通过ZigBee传输到终端，用户根据反馈到的信息对农作物进行施肥和灌溉。

（3）信息汇总以及信息传输：信息的传输主要采用ZigBee无线通信技术可以大大的提高了信息传输速率，该系统采用ZigBee无线通信技术主要是用于传感器采集的信息与信息平台之间的传输、控制器与信息中心的传输、最终都汇总到信息中心, 然后有信息中心发送到终端。

3 系统整体设计

整个系统包括监测、智能施肥灌溉两个系统，监测系统包括远程压力、流量监测，农田气象环境监测，远程视频监控监测，能效检测。智能施肥灌溉包括土壤湿度、PH、EC值等监测和自动施肥灌溉。系统结构如图1所示。

图1 系统总体架构及组成

3.1 水肥一体机模块设计

该模块分为控制和灌溉两部分，通过控制器将水肥一体机，水源，农作物三个模块进行一体化管理。该模块主要是对整体结构的设计，是系统更合理。其中控制部分由cc2530单片机、ZigBee无线传输、电磁阀门、以及土壤湿度，空气温湿度，液位检测传感器组成。水肥一体化部分由水泵、电磁阀门、过滤器、混肥池、搅拌器、文丘里吸肥器以及农田灌溉管道网。如水肥一体机结构图2所示。

图2 水肥一体机模块结构图

水肥一体自动化灌溉是根据具有控制功能的语言设计，就是用户根据作物的在某一生长时期作物的水肥需求设置灌溉施肥量，对其进行语言设计达到自动灌溉的效果，也可以人为进行干预，由于农作物各个时期生长所需水肥不同，还有在节水节肥灌溉的情况下判断农作物是否存在“吃不饱，喝不够”的情况下。当信息中心对控制器发送控制指令，该控制指令将通过ZigBee无线传输模块发送给cc2530单片机，当单片机接收到信息时，单片机对灌溉区以及混肥池的电磁阀门和其他硬件进行控制，实现水肥一体化灌溉，从而达到预期效果。水肥一体机自动化灌溉是否开启是根据最初在控制器中设定好的该种农作物对水肥在某一时期对各种水肥的最适值，当系统中反馈来的信息与最初设定好的最适值不符时，电磁阀门就会由控制器进行控制，对农作物实现自动灌溉。人为干预就是根据区域环境数据监测采集设备采集的土壤空气温湿度、光照度光强度、CO2浓度等各种自然环境数据，当下田间土壤温度湿度数据，参考依据《微灌工程技术规范》、灌溉预报技术以及作物不同发育期的需肥量等标准，在“节水减肥”条件下，综合判断出作物是否受旱，并分析出作物合理的需水需肥量以及作物最佳灌溉时间[2]。水肥一体机中采用多个液态肥池、一个混肥池和灌溉管道网，来保证农作物的正常生长。当施肥机工作时，系统会根据提前设定的标准，控制对应肥池的电磁阀门进行混肥，通过文丘里吸肥器灌溉管道对农作物进行灌溉，实现农作物的施肥灌溉。水肥一体机施肥系统结构如图2所示。

3.2 监测模块设计

主要由空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、水位监测传感器等多种功能不同的传感器进行信息采集，通过控制器对多种传感器进行控制，并利用ZigBee传输技术将采集的信息通过WIFI网关传到服务器，直接反馈到app。该模块重点在于信息的采集，由于农田环境，为保证成本和正常工作，应选择一些具备低能耗，具有较强的抗腐蚀性和抗干扰能力以及抗损耗能力、稳定性犹质等特性的传感器，也为了长期稳定的数据采集。通过对农作物生态环境，土壤取样，农作物适应的环境进行分析，选取了几项监测成分，其中有空气与土壤中的温湿度、土壤EC和PH。

4 硬件设计

4.1 ZigBee模块

ZigBee是一项新型的无线通信技术，适用于传输范围短数据传输速率低的一系列电子元器件设备之间[3]。

ZigBee无线通信技术遵循专业的无线标准，能够在数百、数千个微小传感器之间进行通信，并达成相互协调通信。ZigBee无线通信技术可以用于本地信息通信和自动化等，可以不用计算机和计算机之间的电缆等，也能实现无线组网，它既可以相互通信，也可以接入因特网。其又是主要表现在（1）低功耗：工作周期短、功耗较低；（2）成本低：模块价格低廉，并且ZigBee是免费使用的；（3）可靠：ZigBee技术使用了一种避免碰撞预防机制，有效地避免了竞争冲突，同时保留了需要固定宽带的专用时间。（4）节点通信设置较容易；（5）网络容量大：ZigBee可以采用星形、网状、树状结构组网，可以根据任意节点组成更大的网络结构。其可以有64000个可连接的节点。一片区域内可以同时存在100多个zigbee网络并且每一个可以容纳200多个从设备和1个主设备。

4.2 控制器

为了实现对采集信息的传感器进行控制，正常高效进行工作，还有系统ZigBee的选用。采用cc2530单片机作为控制器，不仅可以更好地与ZigBee协议进行合作，还可以控制监测模块的各种传感器以及电磁阀门，可以实现对环境监测部分的信息进行采集从而达到控制器的作用。还与ZigBee模块协作将信息传到云端。采用cc2530单片机有以下原因：（1）它具有很强的接收灵敏度和抗干扰能力；（2）它可以以非常低的成本价格建立起一个非常强大的网络节点；（3）cc2530充分联合了具有优良性能的RF收发器、 CPU、闪存、8-KB RAM以及其他更多的功能；（4）cc2530单片机有很多运行模式，所以它可以适应一些非常低功耗的系统。在运行模式转换时时间很短，更好的验证的该单片机的低功耗优点。并且其可以在ZigBee上很好的应用。

5 软件设计

对于该系统中的软件设计主要是在cc2530单片机，本设计利用C语言对cc2530单片机和ZigBee模块进行编程，使用C语言对该单片机进行编程，原因是C语言广泛用于底层开发，能以简易的方式编译处理低级储存器。C语言是仅仅产生少量的机器语言以及不需要任何运行环境支持便能运行的高效率程序设计语言。另外，C语言虽然提供了许多低级的处理功能，但仍然保持着跨平台的特性，以一个标准规格写出C语言程序。实现对检测模块的多种传感器以及对电磁阀门进行控制，然后通过ZigBee无线通信技术将信息传输到物联网云端而且C语言有汇编语言和高级语言的优点，跟其它编程语言相比有很多的好处。当用户从用户端得到信息后，通过与农作物生长的最适环境进行对比然后通过用户端直接对编程好的控制器进行控制。

6 结论

本设计可以有效缓解浪费水资源的问题对农作物智能化施肥灌溉还可以减少田间的病虫害，使养分水分得到更好的利用，还提高经济效益。滴灌的工程投资（包括动力设备、施肥池和管路等）约每亩1000元，可以连续使用5、6年，每年节省肥料和农药至少为600元，增产幅度达三分之一以上。水肥一体化技术不仅可以减少水分向下渗，而且还能提高水分利用率。在没有大棚膜的土地，滴灌与大水满贯相比，节水率达一半以上。在水肥一体化技术条件下，所需的肥液可以被直接输送到作物根系最集中部位，充分保证了根系对养分的快速吸收。在产量相近或相同的情况下，水肥一体化技术与传统施肥技术相比节省化肥一半左右。省时省力。传统的沟灌施肥费工费时，非常麻烦，而使用水肥一体化技术只需打开阀门，合上电闸，即可实现自动灌溉。与传统施肥相比，可节省用于灌溉和施肥的人工成本一大部分。而且还在一定程度上节约了人力和物力，尤其是肥料和农业用水。传统灌溉方式造成了水资源和肥料利用率低，而且会造成环境污染和资源浪费，造成土壤板结，且传统方式与水肥一体化相比，所耗成本较大，而且领导人提倡绿色可持续发展。水肥一体化可以根据土壤养分含量以及作物生长各阶段所需，对作物进行精确施肥。此技术不仅提高了资源利用率，减少了农业用水，节省了劳动力，并遵循绿色可持续发展的原则。