基于物聯(lián)網技術的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)設計.pdf

設計研發(fā) 2022 19 30 0 引言 自古以來 我國就是一個以農業(yè)為主的大國 農業(yè)是我 國最具主導地位的基礎產業(yè) 并且水資源與農業(yè)的關系是密 不可分的 我國本來就是一個水資源短缺的國家 另外還有 在生活用水 農業(yè)用水上存在一些浪費 使得水資源更加短 缺 像現(xiàn)在農業(yè)生產灌溉基本都是大水漫灌 導致農業(yè)生產 資源的缺乏 使農業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展成為了不可實現(xiàn)的 概念 傳統(tǒng)型農業(yè) 在生產上已經造成水資源 肥資源等的嚴 重浪費 使本來不富裕的資源更少 水肥資源的嚴重浪費的 已經對新時代的綠色可持續(xù)發(fā)展構成威脅 在新時代當中 號召農業(yè)領域的工作者 與政府合作 發(fā)展水肥一體化農業(yè) 增加了水肥資源的利用率 減輕了國家對水肥資源緊缺的負 擔 增強對生態(tài)環(huán)境的保護 將原有的傳統(tǒng)農業(yè)轉化為現(xiàn)代 的新型農業(yè) 基于物聯(lián)網技術的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng) 該系統(tǒng)不僅能夠節(jié)約水資源 減少化肥施用量 降低生產成 本 還能提升果品質量 增加果農收益 同時減輕環(huán)境污染 并且可改善原有的傳統(tǒng)灌溉方式 節(jié)約水資源 解決勞動力 短缺 土壤板結等問題 在多年的實驗田實驗 水肥一體化 無論在解決水肥資源嚴重短缺的問題 還是在突發(fā)旱災的嚴 重情況下 農作物可以正常的生產甚至增產 在產量上完全 不亞于正常的傳統(tǒng)灌溉方式 在一定程度上調節(jié)了水肥資源 的平衡并解決了農業(yè)環(huán)境污染問題 大大的提高了糧食生產 能力 對國家糧食安全有了重要保證 為實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā) 展奠定了一定的基礎 基于物聯(lián)網技術的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)設計 張守艷 1 宗峰 2 1 山東英才學院工學院 山東濟南 250104 2 濟南幼兒師范高等專科學校 山東濟南 250307 摘要 設計了一款基于物聯(lián)網技術的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng) 該系統(tǒng)主要包括智能檢測系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)兩個模板 其中智能檢測系統(tǒng)主要負責溫濕度檢測和土壤肥度檢測 智能控制系統(tǒng)主要負責智能施肥與智能灌溉 系統(tǒng)通過智能監(jiān)測 部分對溫度 濕度以及土壤肥度進行檢測 采用ZigBee傳輸技術把各智能傳感器收集到的信息匯總到信息中心 再將收集 到的信息傳遞到終端 最后通過智能控制系統(tǒng)完成智能施肥系統(tǒng)和智能灌溉 該系統(tǒng)可改善原有的傳統(tǒng)灌溉方式 達到節(jié) 約水資源 解決勞動力短缺 土壤板結的目的 關鍵詞 水肥一體 物聯(lián)網 ZigBee 傳感器 中圖分類號 TM73 文獻標識碼 B Design of integrated water and fertilizer intelligent irrigation system based on Internet of Things technology Zhang Shouyan 1 Zong Feng 2 1 Engineering College of Shandong Yingcai University Ji nan Shandong 250104 2 Jinan Preschool Teachers College Ji nan Shandong 250307 Abstract A water and fertilizer integrated intelligent irrigation system based on Internet of Things technology is designed The system mainly includes two templates intelligent detection system and intelligent control system The intelligent detection system is mainly responsible for temperature and humidity detection and soil fertility detection The intelligent control system is mainly responsible for Responsible for smart fertilization and smart irrigation The system detects temperature humidity and soil fertility through the intelligent monitoring part uses ZigBee transmission technology to summarize the information collected by each intelligent sensor to the information center and then transmits the collected information to the terminal and finally completes the intelligent control system through the intelligent control system Fertilization system and smart irrigation The system can improve the original traditional irrigation method achieve the purpose of saving water resources solving labor shortage and soil compaction Keywords Water and fertilizer integration Internet of things ZigBee sensor 基金項目 2021年度國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目 202113006055 DOI 10 16520 ki 1000 8519 2022 19 009 設計研發(fā)2022 19 31 1 國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài) 20世紀60年代初隨著塑料工業(yè)的發(fā)展 以色列開始發(fā) 展滴灌 60年代末開始應用水肥一體化技術 目前 以色列 在果園 溫室 大田 綠化等方面已全面應用此項技術 應用 面積占灌溉面積的67 9 居世界之首 從世界范圍看 水肥 一體化技術廣 泛應用于干早缺水以及經濟發(fā)達的國家 1 經濟水平的不斷提高 我國科技業(yè)正在迅速的發(fā)展 另外我 國現(xiàn)代化農業(yè)也正在迅速穩(wěn)步地推進 我國農業(yè)的發(fā)展不論 是從種植到收獲的現(xiàn)代化 還是農業(yè)生產的機械化 現(xiàn)代化 農業(yè)程度都越來越高 傳統(tǒng)的種植方式逐漸被現(xiàn)代種植方式 所取代 是農業(yè)生產更加智能化 無論從水資源還是從勞動 力來說 水肥一體化具有很多好處并且具有較好的發(fā)展前 景 據了解 我國水資源總量的80 是用于農業(yè)用水 并且 農業(yè)用水的十分之九由于農業(yè)灌溉 而且2051年中國老齡人 口達到最大值 但是2030年是中國老齡化最嚴峻的時期 水 肥一體化在一定程度上解決其兩大問題 2 研究內容 本設計主要包括智能監(jiān)測模塊 智能控制系 統(tǒng)模塊 信息匯總以及信息傳輸三部分 1 智能監(jiān)測 智能監(jiān)測這一部分主要是通 過氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對溫度 濕度 集雨量進行 檢測 使用遠程監(jiān)控對作物進行實時監(jiān)控 能效 監(jiān)測系統(tǒng)每月使用的電能來更好的計算電能使 用率使益最大化 2 智能控制系統(tǒng) 這部分包括智能施肥系 統(tǒng)和智能灌溉系統(tǒng) 該部分是將傳感器采集到的 信息反饋到信息中心 然后通過信息中心以信號 的形式發(fā)送給控制系統(tǒng)最終通過ZigBee傳輸?shù)?終端 用戶根據反饋到的信息對農作物進行施肥 和灌溉 3 信息匯總以及信息傳輸 信息的傳輸主 要采用ZigBee無線通信技術可以大大的提高了 信息傳輸速率 該系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技 術主要是用于傳感器采集的信息與信息平臺之 間的傳輸 控制器與信息中心的傳輸 最終都匯 總到信息中心 然后有信息中心發(fā)送到終端 3 系統(tǒng)整體設計 整個系統(tǒng)包括監(jiān)測 智能施肥灌溉兩個系 統(tǒng) 監(jiān)測系統(tǒng)包括遠程壓力 流量監(jiān)測 農田氣象 環(huán)境監(jiān)測 遠程視頻監(jiān)控監(jiān)測 能效檢測 智能施 肥灌溉包括土壤濕度 PH EC值等監(jiān)測和自動 施肥灌溉 系統(tǒng)結構如圖1所示 3 1 水肥一體機模塊設計 該模塊分為控制和灌溉兩部分 通過控制器將水肥一體 機 水源 農作物三個模塊進行一體化管理 該模塊主要是對 整體結構的設計 是系統(tǒng)更合理 其中控制部分由cc2530單 片機 ZigBee無線傳輸 電磁閥門 以及土壤濕度 空氣溫 濕度 液位檢測傳感器組成 水肥一體化部分由水泵 電磁閥 門 過濾器 混肥池 攪拌器 文丘里吸肥器以及農田灌溉管 道網 如水肥一體機結構圖2所示 水肥一體自動化灌溉是根據具有控制功能的語言設計 就是用戶根據作物的在某一生長時期作物的水肥需求設置 灌溉施肥量 對其進行語言設計達到自動灌溉的效果 也可 以人為進行干預 由于農作物各個時期生長所需水肥不同 還有在節(jié)水節(jié)肥灌溉的情況下判斷農作物是否存在 吃不 飽 喝不夠 的情況下 當信息中心對控制器發(fā)送控制指令 該控制指令將通過ZigBee無線傳輸模塊發(fā)送給cc2530單片 機 當單片機接收到信息時 單片機對灌溉區(qū)以及混肥池的 電磁閥門和其他硬件進行控制 實現(xiàn)水肥一體化灌溉 從而 圖1 系統(tǒng)總體架構及組成 圖2 水肥一體機模塊結構圖 設計研發(fā) 2022 19 32 達到預期效果 水肥一體機自動化灌溉是否開啟是根據最初 在控制器中設定好的該種農作物對水肥在某一時期對各種 水肥的最適值 當系統(tǒng)中反饋來的信息與最初設定好的最適 值不符時 電磁閥門就會由控制器進行控制 對農作物實現(xiàn) 自動灌溉 人為干預就是根據區(qū)域環(huán)境數(shù)據監(jiān)測采集設備采 集的土壤空氣溫濕度 光照度光強度 CO2濃度等各種自然 環(huán)境數(shù)據 當下田間土壤溫度濕度數(shù)據 參考依據 微灌工程 技術規(guī)范 灌溉預報技術以及作物不同發(fā)育期的需肥量等 標準 在 節(jié)水減肥 條件下 綜合判斷出作物是否受旱 并分 析出作物合理的需水需肥量以及作物最佳灌溉時間 2 水 肥 一體機中采用多個液態(tài)肥池 一個混肥池和灌溉管道網 來 保證農作物的正常生長 當施肥機工作時 系統(tǒng)會根據提前 設定的標準 控制對應肥池的電磁閥門進行混肥 通過文丘 里吸肥器灌溉管道對農作物進行灌溉 實現(xiàn)農作物的施肥灌 溉 水肥一體機施肥系統(tǒng)結構如圖2所示 3 2 監(jiān)測模塊設計 主要由空氣溫濕度傳感器 土壤濕度傳感器 水位監(jiān)測傳 感器等多種功能不同的傳感器進行信息采集 通過控制器對多 種傳感器進行控制 并利用ZigBee傳輸技術將采集的信息通過 WIFI網關傳到服務器 直接反饋到app 該模塊重點在于信息的 采集 由于農田環(huán)境 為保證成本和正常工作 應選擇一些具備 低能耗 具有較強的抗腐蝕性和抗干擾能力以及抗損耗能力 穩(wěn) 定性猶質等特性的傳感器 也為了長期穩(wěn)定的數(shù)據采集 通過對 農作物生態(tài)環(huán)境 土壤取樣 農作物適應的環(huán)境進行分析 選取 了幾項監(jiān)測成分 其中有空氣與土壤中的溫濕度 土壤EC和PH 4 硬件設計 4 1 ZigBee 模塊 ZigBee是一項新型的無線通信技術 適用于傳輸范圍短 數(shù)據傳輸速率低的一系列電子元器件設備之間 3 ZigBee無線通信技術遵循專業(yè)的無線標準 能夠在數(shù) 百 數(shù)千個微小傳感器之間進行通信 并達成相互協(xié)調通信 ZigBee無線通信技術可以用于本地信息通信和自動化等 可 以不用計算機和計算機之間的電纜等 也能實現(xiàn)無線組網 它既可以相互通信 也可以接入因特網 其又是主要表現(xiàn)在 1 低功耗 工作周期短 功耗較低 2 成本低 模塊價格 低廉 并且 ZigBee 是免費使用的 3 可靠 ZigBee 技術使 用了一種避免碰撞預防機制 有效地避免了競爭沖突 同時 保留了需要固定寬帶的專用時間 4 節(jié)點通信設置較容易 5 網絡容量大 ZigBee可以采用星形 網狀 樹狀結構組網 可以根據任意節(jié)點組成更大的網絡結構 其可以有64000個 可連接的節(jié)點 一片區(qū)域內可以同時存在100多個zigbee網 絡并且每一個可以容納200多個從設備和1個主設備 4 2 控制器 為了實現(xiàn)對采集信息的傳感器進行控制 正常高效進行 工作 還有系統(tǒng)ZigBee的選用 采用cc2530單片機作為控制 器 不僅可以更好地與ZigBee協(xié)議進行合作 還可以控制監(jiān) 測模塊的各種傳感器以及電磁閥門 可以實現(xiàn)對環(huán)境監(jiān)測部 分的信息進行采集從而達到控制器的作用 還與ZigBee模塊 協(xié)作將信息傳到云端 采用cc2530單片機有以下原因 1 它具有很強的接收靈敏度和抗干擾能力 2 它可以以非常 低的成本價格建立起一個非常強大的網絡節(jié)點 3 cc2530 充分聯(lián)合了具有優(yōu)良性能的RF收發(fā)器 CPU 閃存 8 KB RAM以及其他更多的功能 4 cc2530單片機有很多運行模 式 所以它可以適應一些非常低功耗的系統(tǒng) 在運行模式轉 換時時間很短 更好的驗證的該單片機的低功耗優(yōu)點 并且 其可以在ZigBee上很好的應用 5 軟件設計 對于該系統(tǒng)中的軟件設計主要是在cc2530單片機 本 設計利用C語言對cc2530單片機和ZigBee模塊進行編程 使用C語言對該單片機進行編程 原因是C語言廣泛用于底 層開發(fā) 能以簡易的方式編譯處理低級儲存器 C語言是僅 僅產生少量的機器語言以及不需要任何運行環(huán)境支持便能 運行的高效率程序設計語言 另外 C語言雖然提供了許多 低級的處理功能 但仍然保持著跨平臺的特性 以一個標準 規(guī)格寫出C語言程序 實現(xiàn)對檢測模塊的多種傳感器以及對 電磁閥門進行控制 然后通過ZigBee無線通信技術將信息傳 輸?shù)轿锫?lián)網云端而且C語言有匯編語言和高級語言的優(yōu)點 跟其它編程語言相比有很多的好處 當用戶從用戶端得到信 息后 通過與農作物生長的最適環(huán)境進行對比然后通過用戶 端直接對編程好的控制器進行控制 6 結論 本設計可以有效緩解浪費水資源的問題對農作物智能 化施肥灌溉還可以減少田間的病蟲害 使養(yǎng)分水分得到更好 的利用 還提高經濟效益 滴灌的工程投資 包括動力設備 施肥池和管路等 約每畝1000元 可以連續(xù)使用5 6年 每 年節(jié)省肥料和農藥至少為600元 增產幅度達三分之一以上 水肥一體化技術不僅可以減少水分向下滲 而且還能提高水 分利用率 在沒有大棚膜的土地 滴灌與大水滿貫相比 節(jié)水 率達一半以上 在水肥一體化技術條件下 所需的肥液可以 被直接輸送到作物根系最集中部位 充分保證了根系對養(yǎng)分 的快速吸收 在產量相近或相同的情況下 水肥一體化技術 與傳統(tǒng)施肥技術相比節(jié)省化肥一半左右 省時省力 傳統(tǒng)的 溝灌施肥費工費時 非常麻煩 而使用水肥一體化技術只需 打開閥門 合上電閘 即可實現(xiàn)自動灌溉 與傳統(tǒng)施肥相比 下轉第 null 頁 設計研發(fā)2022 19 11 覺 動手實踐的參與感也可以激發(fā)使用者的學習興趣 起到 創(chuàng)建虛擬實驗室的實驗目的 本次創(chuàng)建的虛擬實驗室以現(xiàn)實 學校實驗室中氣動回路實驗室為設計基礎 根據尺寸縮小創(chuàng) 建出氣動回路虛擬實驗室的環(huán)境 本實驗室中出現(xiàn)的各種器 械及實驗元件在設計時做到了一比一還原 確保使用者在實 驗過程能擁有一個良好的沉浸體驗 利用Unity3D建成的虛 擬實驗室環(huán)境如圖11所示 圖11 虛擬實驗室環(huán)境示意圖 2 2 虛擬 3D 漫游原理展示 在整個虛擬實驗室的交互中 虛擬3D漫游是進入虛擬實 驗室進行操控的第一步 使用者可以通過自己的想法隨意進 行視角的操控 從而更加方便的獲取場景中的提示信息 這 種交互方法可以很好的讓使用者快速地融入實驗環(huán)境之中 虛擬漫游有兩種方式進行呈現(xiàn) 手動漫游和自動漫游 本 次研究的主要內容為氣動順序動作回路虛擬實驗 為了使用 者身臨其境地感受實驗帶來的樂趣并積極參與進來 本實驗 場景可加入了外設 讓使用者采用第一人稱視角進行操控 使用者自己可以控制鍵盤 鼠標來達到場景漫游的功能 使用者通過點擊并長按鼠標右鍵 滑動鼠標來控制場景 中 人 的方向移動 通過按動鍵盤上的 W S A D 鍵位分 別實現(xiàn)對場景中 人 的 前移 后移 左移 右移 的控制 當 使用鼠標的滾輪時 可以實現(xiàn)縮放功能 此功能運用于場景 以及物體的放大與縮小 3 結論 通過對氣動順序動作回路實驗核心理念進行深入了解 后 利用 Solidworks 3ds Max 軟件對元器件進行構建渲染 增強用戶的沉浸感 以及使用Untiy3D虛擬平臺創(chuàng)建虛擬實 驗以增強實驗中的交互過程 由此構建出革新性的教學模式 能很好的彌補實驗室資源匱乏 實驗時間 空間限制等缺陷 建 立虛擬仿真氣動實驗教學環(huán)境 將實驗室移入計算機程序中進 行演示 使學生在豐富的實踐和完善的實驗條件下學習和操 作氣動技術相關理論常識 從而達到更好的學習效果 參考文獻 1 趙洋洋 盛思遠 基于Unity3D的物理光學實驗的設計 與仿真 J 物理實驗 2021 41 2 49 52 2 石宏斌 王軒 韓杰 等 基于Unity3D的測量學實踐教 學虛擬仿真方法 J 地礦測繪 2021 37 4 58 61 3 鐘雨靜 基于Unity 3D的虛擬教學實驗平臺的設計 J 互動軟件 2021 4 1567 1568 4 孫俊輝 高嶺 高全力 等 基于Unity3D的虛擬化學智 能課堂系統(tǒng) J 計算機系統(tǒng)應用 2021 30 6 68 74 5 丁毓峰 徐鑫 閔新普 等 基于Unity3D的機電產品虛 擬拆裝實驗系統(tǒng) J 實驗室研究與探索 2020 39 3 118 122 137 6 李磊 基于Unity3D的流體傳動虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā) D 中原工學院 2020 7 牛海波 李育新 劉會玲 等 基于 Unity 3D 的物理實驗 儀器虛擬系統(tǒng) J 物理實驗 2021 41 11 32 37 8 度紅望 于盈 基于Unity 3D的氣動虛擬仿真實驗平臺 開發(fā)與實現(xiàn) J 電子質量 2020 10 128 132 9 成建群 基于Unity3D平臺機械裝配虛擬實驗室的開發(fā) 和應用研究 J 現(xiàn)代制造技術與裝備 2020 56 11 111 113 120 10 唐夢菲 基于Unity 3D的智能衣柜設計及功能模擬 D 北京林業(yè)大學 2020 11 孫洪陽 基于Unity3D的電子電路虛擬實驗室設計 D 西北師范大學 2020 12 趙守凱 南楠 基于Unity3D的數(shù)字電子技術VR實驗 系統(tǒng) J 信息技術與信息化 2021 9 163 165 13 陳愛群 張敏 基于Unity3D的減速器虛擬仿真實驗平 臺開發(fā) J 電腦知識與技術 2021 17 14 49 51 可節(jié)省用于灌溉和施肥的人工成本一大部分 而且還在一定 程度上節(jié)約了人力和物力 尤其是肥料和農業(yè)用水 傳統(tǒng)灌 溉方式造成了水資源和肥料利用率低 而且會造成環(huán)境污染 和資源浪費 造成土壤板結 且傳統(tǒng)方式與水肥一體化相比 所耗成本較大 而且領導人提倡綠色可持續(xù)發(fā)展 水肥一體 化可以根據土壤養(yǎng)分含量以及作物生長各階段所需 對作物 進行精確施肥 此技術不僅提高了資源利用率 減少了農業(yè) 用水 節(jié)省了勞動力 并遵循綠色可持續(xù)發(fā)展的原則 參考文獻 1 高鵬 簡紅忠 魏樣 何文 王曉峰 水肥一體化技術的應 用現(xiàn)狀與發(fā)展前景 J 現(xiàn)代農業(yè)科技 2012 08 250 257 2 石瑩 基于物聯(lián)網技術的水肥一體化服務云平臺 D 河 北科技大學 2019 3 呂途 基于物聯(lián)網的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)研究 D 華北水利水電大學 2019 通訊作者 宗峰 上接第 null 頁