蔡紹博 徐歡 夏志波 蔡同建

1.長(zhǎng)江大學(xué)園藝園林學(xué)院；2.武漢市春曉曲農(nóng)業(yè)科技有限公司；3.上海株山農(nóng)業(yè)科技有限公司；4.武漢華夏理工學(xué)院信息工程學(xué)院；5.武漢建春科技有限公司

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化溫室農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)是利用傳感器監(jiān)測(cè)溫室土壤的EC/PH的數(shù)值并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街虚g網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而使用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，用戶與服務(wù)器之間的終端設(shè)備互動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，并通過(guò)指令控制電磁閥的開(kāi)關(guān)來(lái)控制水、肥的調(diào)配與供給。

1 智能管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

土壤參數(shù)的檢測(cè)用EC值傳感器采集土壤電導(dǎo)率，是測(cè)定土壤水溶性鹽的指標(biāo)，土壤水溶性鹽是判定土壤中鹽類離子是否限制作物生長(zhǎng)的因素，同時(shí)用PH值傳感器采集土壤的酸堿度數(shù)值。因此終端節(jié)點(diǎn)采用搭載業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU的CC2530單片機(jī)，適應(yīng)2.4-GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，并且集成了基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的ZigBee通信模塊，可以確保短距離通信的有效性和可靠性。ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再通過(guò)GPRS DTU無(wú)線傳輸模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，利用GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的短信息和GPRS業(yè)務(wù)為用戶搭建了一個(gè)超遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器上，進(jìn)行水肥一體化的管理[1]。

2 智能管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成包括三層:底層智能終端、中層網(wǎng)絡(luò)通信以及上層服務(wù)器，具備以下功能:（1）定時(shí)檢測(cè)功能:由于土壤的參數(shù)變化不會(huì)很劇烈，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，定時(shí)獲取土壤的EC/PH值。（2）自動(dòng)控制功能:在單片機(jī)程序中設(shè)置一個(gè)觸發(fā)函數(shù)，根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)EC/PH值設(shè)置一個(gè)參數(shù)閾值，對(duì)傳感器獲取到的土壤參數(shù)值與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)范圍時(shí)，進(jìn)行水，肥的補(bǔ)給灌溉。（3）遠(yuǎn)程控制功能:遠(yuǎn)程服務(wù)器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送AT指令給終端節(jié)點(diǎn)，能夠系統(tǒng)的控制灌溉器開(kāi)關(guān)，如圖1所示。

圖1 水肥一體化管理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of integrated water and fertilizer management system

底層智能終端硬件設(shè)計(jì)采用CC2530單片機(jī)作為智能終端的核心。CC2530單片機(jī)的工作電壓在2V～3.6V之間，可以干電池或者是紐扣電池實(shí)現(xiàn)電源的供給，無(wú)需單獨(dú)進(jìn)行電源線的布局。EC值傳感器和PH值傳感器將檢測(cè)到的土壤參數(shù)通過(guò)CC2530單片機(jī)的SPI（Serial Peripheral Interface）接口發(fā)送到CC2530的MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理打包，然后通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。再將水、肥一體灌溉設(shè)備的電磁閥開(kāi)關(guān)通過(guò)外設(shè)接口SPI連接到單片機(jī)進(jìn)行智能控制。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能控制，根據(jù)傳感器的檢測(cè)原理，將傳感器測(cè)得的電信號(hào)變化通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，再通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算，得到準(zhǔn)確的土壤參數(shù)，再根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置一個(gè)參數(shù)閾值，當(dāng)檢測(cè)的參數(shù)與設(shè)置的參數(shù)閾值存在偏差時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)打開(kāi)電磁閥實(shí)現(xiàn)水、肥的自動(dòng)灌溉，如圖2所示。

圖2 智能終端結(jié)點(diǎn)Fig.2 Smart terminal

中間網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的短距離無(wú)線傳輸以及GPRS網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)距離傳輸。在檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信，ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信采用Zstack協(xié)議棧，協(xié)議棧規(guī)定了ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少包括一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，Zstack協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)具有能夠自組網(wǎng)的特點(diǎn)，ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。本系統(tǒng)采用ZigBee廣播方式通信，多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將獲取到的土壤參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的打包，通過(guò)廣播的方式發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器廣播播接收接收多個(gè)終端數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊的CC2530單片機(jī)網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口和GPRS DTU收發(fā)器CH-D3G2Q2連接，將ZigBee協(xié)調(diào)器獲取到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到GPRS DTU通信模塊，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，將土壤參數(shù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)Fig.3 Gateway node design

遠(yuǎn)程服務(wù)器通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后將獲取到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SQL Sever數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中。將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)柱狀圖或是折線圖進(jìn)行顯示分析，分析一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化，判斷土壤的環(huán)境參數(shù)變化趨勢(shì)。再通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送AT指令，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制。

3 智能管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，為了方便測(cè)試，按照1∶100的比例還原了該系統(tǒng)所需的溫室系統(tǒng)環(huán)境，在100平方的溫室土壤下布置10個(gè)無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)，平均一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)一個(gè)平方的土壤參數(shù)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都與水、肥灌溉系統(tǒng)的電磁閥連接，能夠讓單片機(jī)實(shí)現(xiàn)水、肥灌溉的控制，終端節(jié)點(diǎn)每30s獲取一次土壤的EC/PH值。當(dāng)改變土壤環(huán)境時(shí)，如噴灑堿度或酸度過(guò)高的溶液，傳感器將檢測(cè)到的異常值發(fā)送到單片機(jī)的微控制器，超過(guò)了設(shè)置的閾值，系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行水、肥的配比，進(jìn)行土壤參數(shù)的調(diào)節(jié)。然后將獲取到的值通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)廣播發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，對(duì)于10個(gè)終端節(jié)點(diǎn)需要設(shè)置一個(gè)協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)即可，利用Zstack協(xié)議棧的廣播發(fā)送與接收，實(shí)現(xiàn)多對(duì)一通信。網(wǎng)關(guān)將獲取的參數(shù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，即上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，然后手動(dòng)發(fā)送AT指令給終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[2]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，10個(gè)終端節(jié)點(diǎn)只需要設(shè)置一個(gè)協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)就足夠利用Zstack協(xié)議棧的廣播發(fā)送與接收信息，完全能夠?qū)崿F(xiàn)一對(duì)多通信。因此當(dāng)這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用中，可以同比例設(shè)置終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。比如當(dāng)這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用中，在10000平方的溫室中，設(shè)置1000個(gè)終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，雖然ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論值可以達(dá)到65536個(gè)設(shè)備，但是防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失，采用20個(gè)終端節(jié)點(diǎn)匯聚到一個(gè)協(xié)調(diào)器的方式，設(shè)置50個(gè)協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送。并且對(duì)于水的灌溉采用定時(shí)定量的方式，每3個(gè)小時(shí)進(jìn)行一次灑水，一次5分鐘，肥的補(bǔ)給則通過(guò)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程服務(wù)器的手動(dòng)補(bǔ)給。

4 結(jié)語(yǔ)

水肥一體化管理是智能農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，溫室農(nóng)業(yè)對(duì)土壤的EC/PH值差異要求精確到幾平到十幾平內(nèi)。因此本文系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)就在于采用一對(duì)多的方式，一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)對(duì)多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，利用傳感器技術(shù)以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，讓溫室實(shí)現(xiàn)了水肥一體化自動(dòng)管理。且該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容錯(cuò)率高，兼納自動(dòng)與手動(dòng)兩種控制方式，經(jīng)過(guò)應(yīng)用改造亦可作其他農(nóng)業(yè)用途，具有廣闊的應(yīng)用空間。