溫室智能灌溉水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng).pdf

書書書蔡長青，侯首印，張 楨，等溫室智能灌溉水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)江蘇農業(yè)科學，（）：溫室智能灌溉水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)蔡長青，侯首印，張 楨，鄭 萍，張繼成（長春工程學院電氣與信息學院，吉林長春；東北農業(yè)大學工程學院，黑龍江哈爾濱；東北農業(yè)大學電氣與信息學院，黑龍江哈爾濱）摘要：水肥一體化是將灌溉與施肥相結合的一項綜合技術，具有省肥、省水、省工、環(huán)保、高產、高效的突出優(yōu)點，目前生產型日光溫室的水肥一體化灌溉施肥和灌溉作業(yè)，多數依靠人工經驗完成，灌溉的及時性、科學性及智控化程度不高。本研究應用嵌入式系統(tǒng)，實時采集埋入土壤中的上、中、下個深度的濕度傳感器的數據，根據不同作物預定的施肥、灌溉策略，自動控制完成溫室水肥一體化灌溉作業(yè)。該系統(tǒng)同時具有遠程監(jiān)控功能，采用全球移動通信（，）模塊給用戶提供遠距離短消息服務，用戶不僅可以通過短信對溫室灌溉、光照、通風的遠程智能監(jiān)測，同時可遠程控制系統(tǒng)作業(yè)的啟停，以此實現溫室環(huán)境的自動化管理，達到遠程施肥與節(jié)水灌溉的目的。關鍵詞：智能溫室；水肥一體；遠程監(jiān)控；中圖分類號： 文獻標志碼： 文章編號：（）收稿日期：基金項目：吉林省教育廳科研計劃（編號：）。作者簡介：蔡長青（），女，吉林長春人，博士，教授，研究方向為農業(yè)電氣化與自動化。：。通信作者：張繼成，博士，高級工程師，研究方向為農業(yè)電氣化與自動化。：。目前溫室智能水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展主要側重在監(jiān)測、灌溉、節(jié)水及對溫室信息的采集上，自動控制水平不高，采集的數據信息及控制狀態(tài)也只能在系統(tǒng)嵌入的設備上統(tǒng)一顯示，并不能在各節(jié)點進行數據采集及控制狀態(tài)的顯示，并且在對數據的采集上，采集節(jié)點并不能達到經濟、便利、自由的安置，對溫室環(huán)境也不能實現遠距離實時查詢監(jiān)控。本研究所設計的溫室水肥一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)裝置，通過采集溫室區(qū)域內多個點位、深度的土壤濕度數據，對比設定的土壤中上、中、下個深度的濕度閾值，計算出當前溫室的最佳灌溉量，通過自動啟停水肥一體化灌溉裝置，自行調控溫室的灌溉時間和灌溉量。同時監(jiān)控系統(tǒng)具有全球移動通信（，簡稱）短消息服務功能，溫室環(huán)境信息及控制過程通過定時發(fā)送給用戶，用戶可定時獲取含溫室環(huán)境信息的短消息，也可隨時向主控系統(tǒng)發(fā)送查詢、控制短消息，進行溫室環(huán)境信息的實時查詢及控制命令的下達，實現遠距離實時溫室環(huán)境信息監(jiān)控，達到節(jié)水灌溉的目的。 系統(tǒng)方案與試驗設計 系統(tǒng)方案本研究總體劃分為智能調控系統(tǒng)與遠程信息服務系統(tǒng)個部分。智能調控系統(tǒng)有主控系統(tǒng)和監(jiān)控終端個模塊構成：主控系統(tǒng)以為控制處理器，重點解決溫室整體管控信息的管理、數據的收集存儲、施控數據的計算及控制指令的下達、用戶服務信息的處理；監(jiān)控終端以單片機為控制處理器，負責溫室環(huán)境傳感器的實時數據獲取，接收主控系統(tǒng)的指令，上傳數據、啟停執(zhí)行裝置，可視化查詢節(jié)點狀態(tài)及監(jiān)測數據；遠程信息服務系統(tǒng)通過的接入功能實現，通過綁定手機卡，以手機短消息的方式實現溫室實時調控狀態(tài)及溫室環(huán)境信息的發(fā)送。監(jiān)控終端以單片機為控制處理器，實現控制終端的信息采集和執(zhí)行機構的啟停操作。系統(tǒng)設計整體思路如圖所示。 研究的總體設計 首先，監(jiān)控終端模塊下的多點位溫室環(huán)境采集單元實時采集土壤上、中、下個深度的溫濕度、葉面光照度等溫室環(huán)境信息，并存儲本地存儲卡中，監(jiān)控終端模塊隨時等待主控系統(tǒng)的喚醒，接收指令、上傳階段時間內采集的溫室環(huán)境數據，并根據指令控制執(zhí)行裝置的啟停作業(yè)；其次，主控系統(tǒng)按設定順序，依次循環(huán)喚醒監(jiān)控終端，接收監(jiān)控終端上傳的環(huán)境數據及狀態(tài)數據、存儲數據，信息匯總，根據接收到的監(jiān)測終端節(jié)點的環(huán)境數據，結合設定的溫室種植作物的生長階段所需的水、肥信息，分析與處理生成執(zhí)行機構啟?？刂浦噶睿聜鹘o監(jiān)控終端，主控系統(tǒng)實時根據操控者需要進行各監(jiān)控終端節(jié)點的工作狀態(tài)、監(jiān)測數據、指令下達記錄等信息的查詢服務；再次，主控系統(tǒng)根據設定時間，定時將采集到的監(jiān)控終端的溫室環(huán)境數據通過接口與透明數據傳輸終端相連，通過模塊將數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協(xié)議封裝后通過網絡發(fā)送給用戶，用戶不受地域限制隨時接收遠程溫室環(huán)境信息數據短信服務，如發(fā)現異常狀態(tài)可以通過短消息向主控系統(tǒng)下達溫室水肥一體化終端發(fā)出啟停指令，及時修正主控系統(tǒng)參數設定，實現溫室灌溉及環(huán)境的實時遠程控制。 智能調控系統(tǒng)設計 研究將智能調控系統(tǒng)劃分為主控系統(tǒng)和監(jiān)控終端個功能模塊。其中主控系統(tǒng)是溫室水肥一體化實施的關鍵環(huán)節(jié)：對上，主控系統(tǒng)通過模塊，以短消息形式實現監(jiān)控信息的遠距離通訊；對下，主控系統(tǒng)根據溫室內各傳感器采集的數據進行運算分析生成控制指令；主控系統(tǒng)本身還要實現用戶的各種參數的設定、信息的查詢等服務。監(jiān)控終端是溫室水肥一體化的實際執(zhí)行模塊，負責環(huán)境數據采集、執(zhí)行機構啟停的具體操作。江蘇農業(yè)科學 年第卷第期網絡出版時間：2017-05-26 18:46:31網絡出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/32.1214.S.20170526.1846.140.html主控系統(tǒng)以數據查詢、數據通信、指令生成、信息管理為主要功能，結構如圖所示。監(jiān)控終端結構如圖所示。 試驗設計 試驗 本研究以番茄溫室種植灌溉為系統(tǒng)試驗對象，通過對同一時期內智能監(jiān)控灌溉與傳統(tǒng)灌溉種灌溉模式下的灌溉用水量及產量進行對比試驗。于年月至年月在長春市綠園區(qū)農業(yè)技術推廣站溫室進行試驗。溫室長、寬、高，有補光、加溫系統(tǒng)。采用地面起壟，壟上種植方式，每個溫室起壟行，每壟定植株，每個溫室共定株番茄，定植時間為月日。溫室中安裝溫室智能水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，進行溫室灌溉智能化管理模式，溫室采用傳統(tǒng)灌溉管理模式。試驗期間，不定時通過手動或遠程遙控方式進行溫室的監(jiān)控裝置進行灌溉操控試驗。溫室灌溉采用微噴方式，灌溉用肥是針對番茄作物調配的液態(tài)混合肥，存儲于溫室中的畜肥罐中，在灌溉過程中液態(tài)肥經文丘里施肥器按照設定水肥比例均勻混入灌溉用水中，實現水肥同時施入。供水管道直徑，微噴管道直徑，每壟沿壟溝平行鋪設。灌溉用水量通過在主供水管道中加裝斯普瑞噴霧系統(tǒng)（寧波）有限公司生產的型流量計進行測量，監(jiān)測數值傳輸到計算機進行存儲?；旌弦簯B(tài)肥料施入通過在主供水管道中加裝玉田縣鴻源管件有限公司生產的文丘里施肥器實現。溫室（水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)）灌溉執(zhí)行機構通過安裝在管道上的浙江省余姚市三葉閥門科技有限公司生產的型電磁閥完成，溫室灌溉通過人工啟停。研究從番茄定植開始進行灌溉及對比灌溉試驗。根據溫室傳感器布置長度將溫室均勻分為溫室前部、中部、后部個區(qū)域，保證每個區(qū)域均有溫濕度傳感器；光照度傳感器安裝在溫室的前部和后部個區(qū)域，溫室智能水肥一體化灌溉系統(tǒng)的試驗區(qū)域各傳感器設計如圖所示。 結果與分析從表中可以看出：溫室中有次人工遠程控制灌溉過程，達到系統(tǒng)設定目標；溫室、的灌溉量都呈波浪式變化，溫室的幅度大于溫室；溫室的灌溉次數明顯多于溫室，且相對時間段的灌溉量少于溫室，總灌溉量溫室小于溫室；溫室（水肥一體化灌溉系統(tǒng)）月日第次采表 個溫室灌溉量及灌溉時間表灌溉次數人工灌溉（溫室）智能監(jiān)測灌溉（溫室）日期灌溉量（）執(zhí)行方式日期灌溉量（）執(zhí)行方式手動自動手動遠程控制手動自動手動自動手動自動手動自動手動遠程控制手動自動手動自動手動自動手動自動手動自動自動自動合計江蘇農業(yè)科學 年第卷第期摘，溫室（傳統(tǒng)灌溉）月日第次采摘，截止到月日。從表中可以看出，號溫室番茄總產量為，號溫室番茄總產量為，號溫室番茄總產量高于號溫室；監(jiān)控裝置在整個試驗期間運行穩(wěn)定可靠，未出現故障，數據誤差在允許范圍之內。結果表明，溫室通過傳感器啟停灌溉，在灌溉的及時性及灌溉用水量上要優(yōu)于溫室，灌溉次數增多，次灌溉量略少；與傳統(tǒng)灌溉模式相比，溫室智能水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)灌溉有利于番茄產量的增加；北方月到月是秋冬交換季節(jié)，不屬于番茄的最佳生長期，溫室的溫度及光照度逐漸減少，溫室內需要通過增溫、增光、密封才能保證番茄的正常生長，所以番茄的產量總體偏低，且對番茄的需水量、結果期都有一定影響。監(jiān)測灌溉系統(tǒng)數據監(jiān)測記錄及遠程監(jiān)測截屏如圖至圖所示。表 個溫室每周番茄產量周次日期溫室番茄產量（）溫室番茄產量（）合計 結論本研究研制的溫室智能水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，可根據溫室環(huán)境自動調控灌溉時間及灌溉量，可采集溫室溫濕度、光照度數據；通過模塊實現溫室環(huán)境的遠距離信息查詢和控制，使用戶可以實時、方便、快捷地監(jiān)控溫室環(huán)境信息，實現精準灌溉管理；通過與傳統(tǒng)灌溉模式對比，智能灌溉溫室的用水量略有減少，番茄產量有所增加，可遠程操控灌溉啟停，有效降低工作人員的作業(yè)強度。本系統(tǒng)造價低廉、加裝方便、經濟實用，可在現有溫室中加裝改造，有利于我國傳統(tǒng)溫室向現代化農業(yè)溫室大棚發(fā)展。參考文獻：汪懋華轉型創(chuàng)新推動物聯網在設施園藝產業(yè)領域應用的發(fā)展研究朝陽：朝陽設施農業(yè)發(fā)展高峰論壇，張長利，李 佼，董守田基于的灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究東北農業(yè)大學學報，（）：蔡長青，張學敏全自動太陽能滴灌系統(tǒng)設計農機化研究，（）：紀文義，張繼成，鄭 萍，等基于無線網絡的農田灌溉智能監(jiān)測系統(tǒng)農機化研究，（）：蔡義華，劉 剛，李 莉，等基于無線傳感器網絡的農田信息采集節(jié)點設計與試驗農業(yè)工程學報，（）：袁洪波，程 曼，龐樹杰，等日光溫室水肥一體灌溉循環(huán)系統(tǒng)構建及性能試驗農業(yè)工程學報，（）：高 峰，俞 立，張文安，等基于無線傳感器網絡的作物水分狀況監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計農業(yè)工程學報，（）：杜尚豐，王一鳴，馬承偉，等溫室環(huán)境溫度智能控制算法研究計算機測量與控制，（）：于舜章山東省設施黃瓜水肥一體化滴灌技術應用研究水資源與水工程學報，（）：李 錚，王晉民，王海景，等蔬菜日光溫室問題調查與水肥一體化技術探討土壤，（）：江蘇農業(yè)科學 年第卷第期