基于物联网技术的水肥一体化智能灌溉系统设计.pdf

设计研发 2022 19 30 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 基于物联网技术的水肥一体化智能灌溉系统设计 张守艳 1 宗峰 2 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 摘要 设计了一款基于物联网技术的水肥一体化智能灌溉系统 该系统主要包括智能检测系统和智能控制系统两个模板 其中智能检测系统主要负责温湿度检测和土壤肥度检测 智能控制系统主要负责智能施肥与智能灌溉 系统通过智能监测 部分对温度 湿度以及土壤肥度进行检测 采用ZigBee传输技术把各智能传感器收集到的信息汇总到信息中心 再将收集 到的信息传递到终端 最后通过智能控制系统完成智能施肥系统和智能灌溉 该系统可改善原有的传统灌溉方式 达到节 约水资源 解决劳动力短缺 土壤板结的目的 关键词 水肥一体 物联网 ZigBee 传感器 中图分类号 TM73 文献标识码 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 ination collected by each intelligent sensor to the ination center and then transmits the collected ination 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 achieve the purpose of saving water resources solving labor shortage and soil compaction Keywords Water and fertilizer integration Internet of things ZigBee sensor 基金项目 2021年度国家级大学生创新创业训练计划项目 202113006055 DOI 10 16520 ki 1000 8519 2022 19 009 设计研发2022 19 31 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 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 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 图1 系统总体架构及组成 图2 水肥一体机模块结构图 设计研发 2022 19 32 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 下转第 null 页 设计研发2022 19 11 觉 动手实践的参与感也可以激发使用者的学习兴趣 起到 创建虚拟实验室的实验目的 本次创建的虚拟实验室以现实 学校实验室中气动回路实验室为设计基础 根据尺寸缩小创 建出气动回路虚拟实验室的环境 本实验室中出现的各种器 械及实验元件在设计时做到了一比一还原 确保使用者在实 验过程能拥有一个良好的沉浸体验 利用Unity3D建成的虚 拟实验室环境如图11所示 图11 虚拟实验室环境示意图 2 2 虚拟 3D 漫游原理展示 在整个虚拟实验室的交互中 虚拟3D漫游是进入虚拟实 验室进行操控的第一步 使用者可以通过自己的想法随意进 行视角的操控 从而更加方便的获取场景中的提示信息 这 种交互方法可以很好的让使用者快速地融入实验环境之中 虚拟漫游有两种方式进行呈现 手动漫游和自动漫游 本 次研究的主要内容为气动顺序动作回路虚拟实验 为了使用 者身临其境地感受实验带来的乐趣并积极参与进来 本实验 场景可加入了外设 让使用者采用第一人称视角进行操控 使用者自己可以控制键盘 鼠标来达到场景漫游的功能 使用者通过点击并长按鼠标右键 滑动鼠标来控制场景 中 人 的方向移动 通过按动键盘上的 W S A D 键位分 别实现对场景中 人 的 前移 后移 左移 右移 的控制 当 使用鼠标的滚轮时 可以实现缩放功能 此功能运用于场景 以及物体的放大与缩小 3 结论 通过对气动顺序动作回路实验核心理念进行深入了解 后 利用 Solidworks 3ds Max 软件对元器件进行构建渲染 增强用户的沉浸感 以及使用Untiy3D虚拟平台创建虚拟实 验以增强实验中的交互过程 由此构建出革新性的教学模式 能很好的弥补实验室资源匮乏 实验时间 空间限制等缺陷 建 立虚拟仿真气动实验教学环境 将实验室移入计算机程序中进 行演示 使学生在丰富的实践和完善的实验条件下学习和操 作气动技术相关理论常识 从而达到更好的学习效果 参考文献 1 赵洋洋 盛思远 基于Unity3D的物理光学实验的设计 与仿真 J 物理实验 2021 41 2 49 52 2 石宏斌 王轩 韩杰 等 基于Unity3D的测量学实践教 学虚拟仿真方法 J 地矿测绘 2021 37 4 58 61 3 钟雨静 基于Unity 3D的虚拟教学实验平台的设计 J 互动软件 2021 4 1567 1568 4 孙俊辉 高岭 高全力 等 基于Unity3D的虚拟化学智 能课堂系统 J 计算机系统应用 2021 30 6 68 74 5 丁毓峰 徐鑫 闵新普 等 基于Unity3D的机电产品虚 拟拆装实验系统 J 实验室研究与探索 2020 39 3 118 122 137 6 李磊 基于Unity3D的流体传动虚拟仿真实验系统开发 D 中原工学院 2020 7 牛海波 李育新 刘会玲 等 基于 Unity 3D 的物理实验 仪器虚拟系统 J 物理实验 2021 41 11 32 37 8 度红望 于盈 基于Unity 3D的气动虚拟仿真实验平台 开发与实现 J 电子质量 2020 10 128 132 9 成建群 基于Unity3D平台机械装配虚拟实验室的开发 和应用研究 J 现代制造技术与装备 2020 56 11 111 113 120 10 唐梦菲 基于Unity 3D的智能衣柜设计及功能模拟 D 北京林业大学 2020 11 孙洪阳 基于Unity3D的电子电路虚拟实验室设计 D 西北师范大学 2020 12 赵守凯 南楠 基于Unity3D的数字电子技术VR实验 系统 J 信息技术与信息化 2021 9 163 165 13 陈爱群 张敏 基于Unity3D的减速器虚拟仿真实验平 台开发 J 电脑知识与技术 2021 17 14 49 51 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 参考文献 1 高鹏 简红忠 魏样 何文 王晓峰 水肥一体化技术的应 用现状与发展前景 J 现代农业科技 2012 08 250 257 2 石莹 基于物联网技术的水肥一体化服务云平台 D 河 北科技大学 2019 3 吕途 基于物联网的水肥一体化智能灌溉系统研究 D 华北水利水电大学 2019 通讯作者 宗峰 上接第 null 页