陳志 趙成萍 劉曉光 馬志 陳勝萍 ??

摘要研究設(shè)計(jì)出一套番茄生產(chǎn)高效、高產(chǎn)的自動(dòng)化水肥一體化精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的微電腦技術(shù)、傳感器技術(shù)，以高性能的單片計(jì)算機(jī)為核心，配合研究設(shè)定的番茄不同生長(zhǎng)階段所需肥水閾值，通過智能手機(jī)終端應(yīng)用軟件（APP）控制，實(shí)現(xiàn)番茄水肥一體化智能精準(zhǔn)灌溉。該智能系統(tǒng)可以有效地提高溫室番茄生產(chǎn)力和肥水利用效率，節(jié)約肥水資源的使用量，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞番茄；水肥一體；智能系統(tǒng)；精準(zhǔn)灌溉

中圖分類號(hào)S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）21-0208-03

Study on Intelligent Irrigation System for Precise and Integration of WaterFertilizer in Tomato Production

CHEN Zhi1，ZHAO Chengping2，LIU Xiaoguang1，CHEN Shengping1* et al

（1.Tangshan Research Institute of Agricultural Science，Tangshan，Heibei 063001；2.College of Life Sciences，Shanxi Agricultural University，Taigu，Shanxi 030801）

AbstractThe author studied and designed a set of tomato production and high efficiency，high yield and the automation of precision and irrigation control system.The system adopts advanced microcomputer technology，sensor technology，highperformance single chip computer as the core，setting of tomatoes and waterfertilize valve values for different growth stage，precision irrigation tomato in intelligence was realized by the intelligent mobile terminal APP control.The intelligent system can effectively improve tomato productivity and waterfertilize used efficiency in the greenhouse，save water resource usage，and provide strong technical support for modern agricultural production.

Key wordsTomato；Integration of waterfertilizer；Intelligent system；Precision irrigation

番茄作為我國(guó)以及世界上重要的日常蔬菜作物，是其他蔬菜無法取代的，溫室番茄種植是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)一個(gè)重要的組成部分，大力發(fā)展溫室番茄產(chǎn)業(yè)，對(duì)我國(guó)這樣一個(gè)人口大國(guó)而言具有極大的戰(zhàn)略意義[1-2]。目前我國(guó)溫室番茄管理水平落后，大多控制系統(tǒng)采用定時(shí)控制或者手動(dòng)控制方式，在灌溉管理方面，通常存在澆水不及時(shí)、不均、灌水不足或過量灌水等現(xiàn)象，造成番茄品質(zhì)下降、水肥浪費(fèi)和病蟲害發(fā)生嚴(yán)重等問題。隨著灌溉技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)部分地方溫室實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉技術(shù)，通過這種節(jié)水灌溉方式，提高水分利用效率[3-5]。無線電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步發(fā)揮節(jié)水灌溉潛力，有效地提高了水資源利用效率[6-8]，但是對(duì)該項(xiàng)技術(shù)尚缺少深入的研究。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)番茄生長(zhǎng)周期需求，研制設(shè)計(jì)出一套番茄生產(chǎn)高效、高產(chǎn)的水肥一體化智能精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的微電腦技術(shù)[9-12]、傳感器技術(shù)[13]，以高性能的單片計(jì)算機(jī)為核心，配合研究設(shè)定的番茄不同生長(zhǎng)階段所需肥水閾值[14-16]，通過智能手機(jī)終端應(yīng)用軟件（APP）控制，實(shí)現(xiàn)番茄水肥一體化智能精準(zhǔn)灌溉，為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、安全的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐。

1控制系統(tǒng)構(gòu)成

番茄水肥一體化智能精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)由5部分構(gòu)成：水肥監(jiān)測(cè)系列傳感器、系統(tǒng)控制器、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器（Server）、手機(jī)端APP組成（如圖1所示）。精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)通過傳感器采樣方式獲取土壤的濕度、氮磷鉀等養(yǎng)分濃度、空氣溫濕度、室內(nèi)風(fēng)量等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絊erver及手機(jī)軟件APP端。用戶通過手機(jī)軟件APP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)番茄生長(zhǎng)環(huán)境，并根據(jù)獲得的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行水、肥、空氣濕度、溫度等的調(diào)節(jié)，其中，溫室的濕度和溫度由系統(tǒng)控制器驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)，水分和肥料由系統(tǒng)控制器驅(qū)動(dòng)滴灌系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.1系統(tǒng)控制器

系統(tǒng)控制器由10部分組成，其核心采用高性能芯片系統(tǒng)，外圍由9個(gè)電路模塊及傳感器組成，分別為STC單片機(jī)系統(tǒng)；電源模塊；實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路；3G模塊；液晶顯示及鍵盤電路；氮磷鉀檢測(cè)傳感器；風(fēng)量傳感器；溫濕度傳感器；土壤濕度傳感器；風(fēng)機(jī)及滴灌系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)（如圖2所示）。

1.1.1

STC單片機(jī)系統(tǒng)?？刂破饕愿咝阅艿?位STC單片機(jī)為核心，主控程序采用嵌入式程序設(shè)計(jì)，考慮了現(xiàn)場(chǎng)變頻器、軟啟動(dòng)等強(qiáng)干擾源對(duì)控制器本身的電源干擾及輻射影響，主控程序設(shè)計(jì)上具有強(qiáng)大的抗干擾措施，保證穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)接收3G模塊從手機(jī)軟件APP所發(fā)送的指令，讀取時(shí)鐘電路、鍵盤電路、土壤傳感器電路數(shù)據(jù)，根據(jù)手機(jī)軟件APP指令及自身判斷，通過LED顯示電路顯示各種指示參數(shù)及開關(guān)態(tài)信息等，并且根據(jù)手機(jī)軟件APP指令驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)電路對(duì)風(fēng)機(jī)及滴灌系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)操作。

1.1.2電源模塊。電源電路開關(guān)采用穩(wěn)壓電源芯片，輸入輸出均加入濾波電路，抗干擾能力很強(qiáng)。

1.1.3實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。以高性能芯片為核心，結(jié)合數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)輸出電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、系統(tǒng)監(jiān)控電路組成。

1.1.43G模塊。通過3G互聯(lián)網(wǎng)通訊模塊負(fù)責(zé)將手機(jī)軟件APP各種指令以及Server端所發(fā)出的指令通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行上下行傳輸；實(shí)現(xiàn)從智能手機(jī)客戶端到現(xiàn)場(chǎng)智能電源控制器的控制。

1.1.5液晶顯示及鍵盤電路?？刂破鞯拈_關(guān)狀態(tài)顯示，傳感器參數(shù)的顯示，設(shè)備運(yùn)行狀況顯示等。

1.1.6氮磷鉀檢測(cè)傳感器。對(duì)于土壤里面氮磷鉀離子濃度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.1.7風(fēng)量傳感器。系統(tǒng)控制器根據(jù)空氣中溫度及濕度以及時(shí)間來判斷溫室是否需要換風(fēng)?？刂破鞲鶕?jù)流量傳感器數(shù)值，然后計(jì)算風(fēng)機(jī)孔面積計(jì)算出新風(fēng)量。

1.1.8溫濕度傳感器。傳感器將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，具有良好的品質(zhì)、很快的響應(yīng)速度、較強(qiáng)的抗干擾能力。傳感器包括1個(gè)測(cè)濕敏感元件、1個(gè)測(cè)溫元件，濕度測(cè)量范圍：相對(duì)濕度0～100%，溫度測(cè)量范圍：-40～105 ℃。

1.1.9土壤濕度傳感器。采用電阻法測(cè)量土壤濕度。

1.1.10風(fēng)機(jī)及滴灌系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。風(fēng)機(jī)和滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行采用繼電器（自動(dòng)裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行）開關(guān)控制模式。

1.2控制器外觀

如圖3所示，控制器外殼尺寸為寬500 mm，厚300 mm，高600 mm，尺寸可根據(jù)需要微調(diào)，外殼上層右上角需要留出一個(gè)紅外接收孔。

2軟件流程

如圖4所示，系統(tǒng)通電后首先進(jìn)行自檢，自檢通過后，控制器通過3G模塊和用戶手機(jī)APP互聯(lián)，同時(shí)溫室內(nèi)部各種傳感器實(shí)時(shí)進(jìn)行采樣，當(dāng)控制器收到手機(jī)端指令時(shí)，即按照手機(jī)發(fā)出指令進(jìn)行動(dòng)作，如開啟滴灌或者開啟風(fēng)機(jī)等，如果控制器不能夠收到來自于手機(jī)APP端指令，則控制器依據(jù)前次設(shè)置或出廠設(shè)置，按內(nèi)部預(yù)定數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉。

3技術(shù)關(guān)鍵

3.1手機(jī)APP和現(xiàn)場(chǎng)控制器互聯(lián)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）設(shè)備采用的類型對(duì)TCP穿越NAT十分重要，根據(jù)端口映射方式，NAT可分為4種類型：全克?。?Full Cone）、限制性克?。≧estricted Cone）、端口限制性克隆（ Port Restricted Cone）、對(duì)稱式NAT（ Symmetric NAT）。前3種NAT類型可統(tǒng)稱為cone類型。該研究設(shè)計(jì)的番茄水肥一體化智能精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)NAT設(shè)備采用的類型為第4種類型，第4種類型的NAT優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)同一內(nèi)部主機(jī)使用相同的端口與不同地址的外部主機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，NAT對(duì)該內(nèi)部主機(jī)的映射會(huì)有所不同。對(duì)稱式NAT不保證所有會(huì)話中的私有地址和公開IP之間綁定的一致性。相反，它為每個(gè)新的會(huì)話分配一個(gè)新的端口號(hào)。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年

3.2傳感器技術(shù)配合番茄不同生長(zhǎng)周期所需的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)

利用氮磷鉀離子傳感器及土壤濕度傳感器，能夠感知在番茄生長(zhǎng)的不同時(shí)期土壤肥料等參數(shù)，然后依據(jù)溫室空氣參數(shù)，配合風(fēng)機(jī)進(jìn)行定時(shí)定量換風(fēng)，利用自創(chuàng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合滴灌系統(tǒng)為番茄提供一整套精準(zhǔn)水肥滴灌[17-20]，為溫室番茄提供一個(gè)理想的生長(zhǎng)環(huán)境。不但節(jié)省了肥料，而且增加了產(chǎn)量。

4結(jié)語

該研究設(shè)計(jì)的智能系統(tǒng)可以有效地提高溫室番茄生產(chǎn)力和肥水利用效率，節(jié)約肥水資源的使用量。手機(jī)APP和現(xiàn)場(chǎng)控制器互聯(lián)技術(shù)為農(nóng)業(yè)發(fā)展方式提供新途徑、新方法，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向、新趨勢(shì)。通過傳感器技術(shù)配合番茄不同生長(zhǎng)周期所需的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)提升了番茄溫室生產(chǎn)智能化、精準(zhǔn)化、自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效。

參考文獻(xiàn)

[1] 喻景權(quán).“十一五”我國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)和科技進(jìn)展及其展望[J].中國(guó)蔬菜，2011（2）：11-23.

[2] 李天來.我國(guó)日光溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，36（2）：131-138.

[3] 鄭懷文，俞國(guó)勝，劉靜.節(jié)水灌溉技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2006，34（10）：7-10.

[4] 蔡甲冰，劉鈺，雷廷武，等.精量灌溉決策定量指標(biāo)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展，2004，15（4）：531-537.

[5] 孫景生，康紹忠.我國(guó)水資源利用現(xiàn)狀與節(jié)水灌溉發(fā)展對(duì)策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16（2）：1-5.

[6] 劉曉，張一銘，黃文強(qiáng)，等.基于AT89C51的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2016（2）：184-186.

[7] 王驥，周文靜，沈玉利.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，47（S1）：29-31.

[8] 匡秋明，趙燕東，白陳祥.節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（6）：136-139.

[9] 孫莉，張清，陳曦，等.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)系統(tǒng)集成在新疆棉花種植中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（8）：83-88.

[10] 張成濤，譚彧，吳剛，等. 基于無線傳輸方式的農(nóng)業(yè)裝備共性參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（S1）：257-262.

[11] MOORE S，OWINO T O，HAN Y J，et al.Instrumentation for varia blerate lateral irrigation system[C]//2005 ASAE AnnualInter national Meeting.Florida：[s.n.]，2005：17-20.

[12] 張杰，黎耀貴，楊冬升.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析與選擇[J].中國(guó)水運(yùn)，2008，8（3）：145-146.

[13] 趙燕東，白陳祥，匡秋明，等.土壤水分傳感器實(shí)用性能對(duì)比研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（3）：158-160.

[14] 段愛旺，孫景生，劉鈺，等.北方地區(qū)主要農(nóng)作物灌溉用水定額[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)出版社，2004.

[15] 高方勝，徐坤，徐立功，等.土壤水分對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2005，14（4）：69-72.

[16] 高新昊，張志斌，郭世榮，等.日光溫室番茄越夏栽培滴灌指標(biāo)的研究[J].中國(guó)蔬菜，2004（6）：11-13.

[17] 賀忠群，鄒志榮，陳小紅，等.溫室黃瓜節(jié)水灌溉指標(biāo)的研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，31（3）：77-80.

[18] 李清明，鄒志榮，郭曉東，等.不同灌溉上限對(duì)溫室黃瓜初花期生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，33（4）：47-51.

[19] 田義，張玉龍，虞娜，等.溫室地下滴灌灌水控制下限對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育、果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2006，24（5）：88-92.

[20] DORJI K，BEHBOUDIAN M H，ZEGBEDOMNGUEZ J A.Water relations，growth，yield，and fruit quality of hot pepper under deficit irrigation and partial rootzone drying[J].Scientia horticulturae，2005，104（2）：137-149.