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摘 要： 摘要:針對(duì)目前水肥一體化系統(tǒng)存在首部和田間設(shè)備隨機(jī)組成、規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、對(duì)各部件不能統(tǒng)一管理、運(yùn)行維護(hù)智能化程度不高及管理效率低等問題，設(shè)計(jì)了一套水肥一體化管控系統(tǒng)。系統(tǒng)由水肥一體機(jī)、田間設(shè)備、云端服務(wù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和管理網(wǎng)站及微信小程
摘要:針對(duì)目前水肥一體化系統(tǒng)存在首部和田間設(shè)備隨機(jī)組成、規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、對(duì)各部件不能統(tǒng)一管理、運(yùn)行維護(hù)智能化程度不高及管理效率低等問題，設(shè)計(jì)了一套水肥一體化管控系統(tǒng)。系統(tǒng)由水肥一體機(jī)、田間設(shè)備、云端服務(wù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和管理網(wǎng)站及微信小程序等部分組成，應(yīng)用了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、控制決策、智能控制等技術(shù)，在管理軟件的集成下實(shí)現(xiàn)了集信息采集、傳輸、管理與決策控制于一體。實(shí)際應(yīng)用表明:系統(tǒng)集成度高，實(shí)現(xiàn)了水肥一體化精量灌溉和施肥，提升了管控水平，達(dá)到了節(jié)本增效和管理模式的創(chuàng)新，可為水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考，應(yīng)用前景較好。
關(guān)鍵詞:高效節(jié)水灌溉;水肥一體化;管控系統(tǒng);智能決策;云端服務(wù)平臺(tái);微信小程序
0引言
我國(guó)水資源總量?jī)H為世界的6%，人均不足世界平均水平的1/4，嚴(yán)重短缺。每年農(nóng)業(yè)灌溉用水缺口超過300億m3，約有667萬hm2面積得不到有效灌溉[1-2]。主要糧食作物水分生產(chǎn)效率與發(fā)達(dá)國(guó)家相比僅為其1/2左右，存在較大差距。同時(shí)，因化肥施用量過高，化肥利用率偏低。水肥已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸因素，因而大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、實(shí)施化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)及推廣普及水肥一體化技術(shù)是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[3-4]。根據(jù)農(nóng)業(yè)部《推進(jìn)水肥一體化實(shí)施方案(2016—2020年)》，到2020年水肥一體化技術(shù)推廣面積將達(dá)到1000萬hm2，發(fā)展空間巨大。
相關(guān)期刊推薦：《農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究》System Sciemces and Comprehensive Studies In Agriculture(季刊)1985年創(chuàng)刊，是國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的學(xué)術(shù)期刊，主要刊登系統(tǒng)科學(xué)、系統(tǒng)工程的理論、方法在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，國(guó)外農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程研究的動(dòng)態(tài)以及與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)等方面的學(xué)術(shù)論文、專題綜述及研究簡(jiǎn)報(bào)。目前已被列入全國(guó)中文核心期刊，并編入《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》和中國(guó)期刊網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)系統(tǒng)、中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫、《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊文摘》等。
近年來，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，我國(guó)水肥一體化應(yīng)用面積已超過500萬hm2，灌溉形式主要以噴、滴灌為主，相配套的管控技術(shù)也得到一定的應(yīng)用，開發(fā)了多種灌溉和施肥控制系統(tǒng)[5]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的灌溉方式被自動(dòng)化、智能化的水肥管理模式替代[6-8]，但目前一般仍以1個(gè)泵站為1個(gè)控制單元，或是建成投入較大的集中式信息化管理系統(tǒng)，沒有快捷方便、投資小的管控平臺(tái)供操作管理[9-10]。隨著云端服務(wù)平臺(tái)和移動(dòng)端APP、微信小程序的出現(xiàn)，控制方式轉(zhuǎn)向了管理平臺(tái)和移動(dòng)端[11-12]。本文在此基礎(chǔ)上開發(fā)了水肥一體化管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)灌溉單元在田間或電腦端、移動(dòng)端的控制和管理，為水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考。
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)組成
管控系統(tǒng)根據(jù)目前水肥一體化系統(tǒng)存在的不足，結(jié)合灌溉基礎(chǔ)理論和最新的管理技術(shù)手段，通過相關(guān)設(shè)備、管理系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并做出決策和控制;用戶可通過多種方式實(shí)現(xiàn)查看和操作，達(dá)到了信息采集、傳輸、管理、決策和控制于一體的目的。
本系統(tǒng)分為3個(gè)部分:一是以水肥一體機(jī)為核心的田間管控單元，包括水肥一體機(jī)、過濾設(shè)備、管道、閥門、噴頭滴頭、田間控制設(shè)備和管控軟件等;二是以云端服務(wù)器為核心的管控平臺(tái)，包括云端服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)站等;三是用戶使用端，包括通過Internet網(wǎng)連接的電腦和通過WIFI/4G等網(wǎng)絡(luò)連接的移動(dòng)設(shè)備(手機(jī)或PAD)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
1.2系統(tǒng)工作原理
管控系統(tǒng)以云端服務(wù)器作為管理核心，每個(gè)田間灌溉單元為管理對(duì)象，在電腦上通過網(wǎng)站、在移動(dòng)端設(shè)備通過微信小程序進(jìn)行查看和操作。田間灌溉單元配置1臺(tái)水肥一體機(jī)，每臺(tái)水肥一體機(jī)有1個(gè)固定的設(shè)備號(hào)，水肥一體機(jī)通過有線或無線管理本灌溉地塊內(nèi)的水泵、施肥泵、電磁閥、流量、壓力、環(huán)境傳感器等設(shè)備，并可在本地設(shè)置灌溉方式，通過決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)水肥一體化灌溉;同時(shí)，把相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給云端服務(wù)器，用戶可通過各種終端設(shè)備進(jìn)行查詢，并可對(duì)各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
運(yùn)行過程中，系統(tǒng)通過各個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌溉施肥情況，采集環(huán)境溫濕度、光照度、土壤溫濕度、EC值等參數(shù)，自動(dòng)記錄、統(tǒng)計(jì)、分析灌溉、施肥和生產(chǎn)等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、水肥一體機(jī)聯(lián)動(dòng)，用戶根據(jù)數(shù)據(jù)分析對(duì)照作物生長(zhǎng)需要，在手機(jī)或電腦上遠(yuǎn)程操控灌溉設(shè)備，實(shí)施精準(zhǔn)灌溉和施肥。
2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由水肥一體機(jī)、田間控制部分、云端服務(wù)器、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等部分組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.1水肥一體機(jī)
水肥一體機(jī)集成了灌溉泵、施肥泵、灌溉變頻器、施肥變頻器、觸摸屏和控制系統(tǒng)，利用決策控制軟件對(duì)灌溉、施肥等操作進(jìn)行集中控制，結(jié)合各傳感器的數(shù)據(jù)分析，制定灌溉施肥計(jì)劃。設(shè)備具有本地手動(dòng)觸摸屏操作和通過電腦端、手機(jī)的遠(yuǎn)程控制雙重操作功能，能在異地通過電腦及手機(jī)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)灌溉水量、施肥濃度和施肥量的精準(zhǔn)控制。
采用變頻技術(shù)根據(jù)壓力、流量、EC等多參數(shù)對(duì)灌溉泵進(jìn)行綜合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)按需定量精準(zhǔn)灌水。基于變量注入式混肥技術(shù)，按照設(shè)定的水肥比例和EC值，通過控制系統(tǒng)接受水肥信息反饋，通過智能PID對(duì)施肥量進(jìn)行無級(jí)控制，將肥液按設(shè)定的濃度穩(wěn)定、均勻、精準(zhǔn)輸出，實(shí)現(xiàn)水、肥在線自動(dòng)混合及濃度可控，達(dá)到對(duì)灌溉、施肥精準(zhǔn)控制的目的。
水肥一體機(jī)主要由灌溉系統(tǒng)、配肥系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和一體化殼體等部件組成，如圖3所示。
2.2田間控制部分
田間控制部分主要由田間控制器、電磁閥、傳感器及網(wǎng)關(guān)組成，如圖4所示。田間控制器及各傳感器由太陽能供電系統(tǒng)提供電源，傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教镩g控制器，控制器接收后通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送到水肥一體機(jī)，水肥一體機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地同時(shí)也上傳至云端服務(wù)器。數(shù)據(jù)由管控軟件自動(dòng)分析處理后做出決策，水肥一體機(jī)接收到服務(wù)器或本地程序發(fā)出的控制命令，打開對(duì)應(yīng)的電磁閥或執(zhí)行相關(guān)的操作。
2.3云端服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫
云服務(wù)器(ElasticComputeService，ECS)是一種簡(jiǎn)單高效、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的服務(wù)器，其管理方式比物理服務(wù)器更簡(jiǎn)單高效。用戶無需提前購(gòu)買硬件，即可迅速創(chuàng)建多臺(tái)云服務(wù)器。云服務(wù)器可以有效地解決傳統(tǒng)物理主機(jī)與VPS服務(wù)中存在的管理難度大、業(yè)務(wù)擴(kuò)展性弱的缺陷。
本文對(duì)選用的云服務(wù)器進(jìn)行了配置和軟件安裝，建立了圖5所示的云服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。田間的灌溉單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過水肥一體機(jī)與服務(wù)器進(jìn)行通訊，云服務(wù)提供商通過ELB(負(fù)載均衡)選擇合適的服務(wù)器，服務(wù)器接受數(shù)據(jù)并分析，根據(jù)數(shù)據(jù)類型寫入數(shù)據(jù)庫，管控軟件根據(jù)數(shù)據(jù)做出響應(yīng);在用戶端，用戶通過各種設(shè)備進(jìn)行查詢或操作，用戶的申請(qǐng)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)到達(dá)服務(wù)器端，服務(wù)器根據(jù)具體申請(qǐng)內(nèi)容，調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)并呈現(xiàn)在用戶界面上，同時(shí)把運(yùn)行指令發(fā)送至水肥一體機(jī)，控制田間設(shè)備運(yùn)行。云端采用HTTP方式，以網(wǎng)站和微信小程序框架為基礎(chǔ)，構(gòu)建設(shè)備交互
2.4數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)
隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及無線通信技術(shù)蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了各種標(biāo)準(zhǔn)的無線數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)和不同的應(yīng)用場(chǎng)合。本系統(tǒng)利用現(xiàn)有的各種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，選擇不同的數(shù)據(jù)傳輸方式。
田間每個(gè)灌溉地塊內(nèi)部各設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee或WiFi方式，可以自己組網(wǎng)，使用方便、費(fèi)用低;每個(gè)灌溉單元與云端服務(wù)器間采用4G網(wǎng)絡(luò)或有線寬帶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)成熟，傳輸速度快、可靠性高;用戶終端根據(jù)用戶的具體情況，采用有線(寬帶)、無線(4G、WiFi)方式與服務(wù)器連接。
3應(yīng)用程序開發(fā)
3.1水肥一體化控制系統(tǒng)程序
水肥一體機(jī)的主要功能是灌溉和施肥，在實(shí)際使用時(shí)分兩種情況:一種是只灌溉，不需要施肥;一種是按一定比例水肥同施。因而，要針對(duì)這兩種情況分別編制不同的控制流程和程序。
灌溉分為手動(dòng)模式和時(shí)間模式:在手動(dòng)模式下，可直接打開和關(guān)閉選定的田間電磁閥進(jìn)行灌溉，在調(diào)試設(shè)備或臨時(shí)使用時(shí)也可采用。在時(shí)間模式下，先設(shè)定各電磁閥的開啟時(shí)間和灌溉時(shí)長(zhǎng)，系統(tǒng)自動(dòng)開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制;也可配置各種傳感器，配合決策模型實(shí)現(xiàn)智能化灌溉。
施肥一般采用三段法，即灌水、施肥、灌水，有利于肥液均勻分布且灌溉管路中無殘留。先選擇需施肥電磁閥，設(shè)定灌水時(shí)間、灌水壓力、施肥時(shí)間、施肥比例等各項(xiàng)參數(shù)，程序即可自動(dòng)運(yùn)行，可根據(jù)灌溉流量自動(dòng)調(diào)節(jié)施肥流量，自動(dòng)保持設(shè)定的比例，達(dá)到變量同比例施肥，能滿足不同作物、不同生育期水肥多樣化需求。圖6為灌溉施肥控制流程。
3.2網(wǎng)站程序開發(fā)系統(tǒng)采用
B/S結(jié)構(gòu)，在用戶端采用瀏覽器方式，負(fù)責(zé)接收用戶通過Internet網(wǎng)絡(luò)訪問、輸入及控制命令的發(fā)送、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取等，在服務(wù)器端通過網(wǎng)絡(luò)為瀏覽器提供數(shù)據(jù)服務(wù)。
本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求建成了一個(gè)面向管理人員和用戶的網(wǎng)站。管理人員可通過網(wǎng)站發(fā)布設(shè)備相關(guān)信息、管理用戶權(quán)限和設(shè)備數(shù)據(jù);用戶通過網(wǎng)站可瀏覽信息、查看設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)和對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。
3.3手機(jī)端微信小程序
針對(duì)移動(dòng)終端APP軟件存在平臺(tái)通用性差、安裝繁瑣等問題，開發(fā)了基于微信系統(tǒng)的應(yīng)用小程序，用戶在微信內(nèi)下載安裝后經(jīng)過授權(quán)即可實(shí)現(xiàn)查詢和操作功能。
針對(duì)移動(dòng)終端APP軟件存在平臺(tái)通用性差、安裝繁瑣等問題，開發(fā)了基于微信系統(tǒng)的應(yīng)用小程序，用戶在微信內(nèi)下載安裝后經(jīng)過授權(quán)即可實(shí)現(xiàn)查詢和操作功能。
微信小程序需申請(qǐng)域名和微信公眾號(hào)才能建立首先進(jìn)入微信公眾平臺(tái)注冊(cè)并認(rèn)證，通過認(rèn)證后獲得一個(gè)微信公眾號(hào)，然后進(jìn)行配置。小程序必須設(shè)置合法域名才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，且規(guī)定需要使用HTTPS協(xié)議。在域名申請(qǐng)好后，配置云服務(wù)器支持HTTPS協(xié)議，并根據(jù)需要在小程序基礎(chǔ)上開發(fā)相關(guān)界面和功能。以下為用戶登錄小程序的程序語句。
用戶在微信的小程序菜單里搜索打開即可使用，不需要下載和安裝。圖7為微信小程序的首頁界面，可了解產(chǎn)品等相關(guān)信息。
對(duì)于已安裝水肥一體機(jī)的用戶，可點(diǎn)擊“我的設(shè)備”進(jìn)入設(shè)備添加頁面，如圖8所示。管理員審核授權(quán)后，用戶就可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理和操作。
點(diǎn)擊設(shè)備，查看設(shè)備和相關(guān)傳感器的參數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)水泵和電磁閥開啟和停止控制。通過微信小程序，在手機(jī)上就可完成監(jiān)測(cè)和控制，方便快捷。圖9為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)界面，圖10為參數(shù)設(shè)置界面，圖11為設(shè)備開關(guān)設(shè)置界面。
4管控系統(tǒng)田間應(yīng)用
2018年春季，在江西鷹潭余江蘆筍種植基地進(jìn)行了安裝應(yīng)用。該基地蘆筍種植面積約15hm2，采用水肥一體化管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了灌溉施肥全程自動(dòng)化、智能化，讓蘆筍基地精準(zhǔn)肥水管理成為現(xiàn)實(shí)。圖12為水肥一體機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)，圖13為蘆筍滴灌系統(tǒng)。目前，設(shè)備運(yùn)行良好。傳統(tǒng)灌溉方式(漫灌)每次需灌水450m3/hm2，而采用管控系統(tǒng)的滴灌方式每次僅灌溉150m3/hm2，可節(jié)水60%以上;施肥可用水溶肥并能精確控制比例，采用少量多次的方法，肥效利用率大幅提高，顯著減少了肥料的用量，與原有施肥相比費(fèi)用可節(jié)省50%以上;采用該系統(tǒng)灌溉施肥，通過在水肥一體機(jī)上的觸摸屏或手機(jī)操作，只需1人即可完成，節(jié)省人工80%以上，而產(chǎn)量和品質(zhì)均有提高，效益有較大提升，1年就可收回設(shè)備投入，取得了很好的效果.
目前，管控平臺(tái)已接入100多臺(tái)水肥一體機(jī)，分布在7個(gè)省，控制100多個(gè)地塊的灌溉施肥系統(tǒng)運(yùn)行，總面積達(dá)到1500多hm2，應(yīng)用狀況良好。
5結(jié)論
設(shè)計(jì)的水肥一體化管控系統(tǒng)將傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)與智能控制技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合，包括水肥一體機(jī)、田間控制系統(tǒng)和以云端服務(wù)器為核心的管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水肥一體化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程查看、操作、控制和維護(hù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了田間各種數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)直觀顯示及智能決策，提高了水肥控制的精準(zhǔn)度，同時(shí)可完成多個(gè)灌溉單元的集中操作和管理，節(jié)省人工。應(yīng)用表明，系統(tǒng)可以節(jié)省大量人力、物力和水資源，通過精準(zhǔn)灌溉、科學(xué)規(guī)范化施肥，提高了水肥利用率，減少了化肥農(nóng)藥施肥量，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全，提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。
