基于物联网技术的水肥一体化服务云平台

1.2   国内外研究现状
在基于物联网的水肥一体化技术方面，国外研究与采用都比我国早。水肥一体化技术的起源于无土栽培，在 18 世纪末英国的 John  Woodward[5]将植物种植在土壤的提取液中，水肥一体化技术的大门被打开，而其发展是伴随着灌溉技术的提高。目前，国外在水肥一体化技术方面较普及的国家[6]有以色列、西班牙、荷兰、美国、法国等，其中以色列国内应用水肥一体化技术的耕地有超过 90%[7]。以色列的耐特菲姆（Netafim）公司作为世界最大的灌溉技术供应商，一直致力于农业的节水灌溉，其开发的水肥一体机当今已在以色列农产业变为必备的一部分。除此之外，美国农化巨头杜邦（Dupont）公司以及荷兰的普瑞瓦（Priva）公司[8]同样能为用户提供多样环境下的优质灌溉施肥服务。在自动化控制方面，国外同样较我国早，Sudha  M  N等[9]通过研制的基于果园气象环境监控的自动化灌溉系统，将数据通过无线传感器送至控制中心，实现自动化灌溉。Hosseinzadeh,  Z 等[10]改进了灌溉网络以及自动灌溉系统，研究出使用自动化控制系统的灌溉网络并将此技术用于伊朗的灌溉系统设计。
在国内，我国农业中基于物联网水肥一体化的起步，较国外的发展时间较晚、速度较缓，但由于我国作为农业大国，对水肥一体化的发展一直很重视。积极发展高效节水农业[11]，并将大力推进农业现代化、加快转变农业发展方式放到了“十三五”规划中[12]，近期农业部办公厅印发了《推进水肥一体化实施方案(2016—2020年)》的通知[13]，这便让基于物联网技术的水肥一体化在全国的发展和应用实现更好的推进。在基于物联网的水肥一体化自动化控制以及灌溉方面，罗剑杰等[14]研究了基于 PLC 的城市园林水肥智能化灌溉系统。该研究在构建了城市园林水肥智能化灌溉系统中，采用的控制核心是 PLC 技术，降低自然资源及人力物力的浪费，提高城市绿化工作的效率。郭强等[15]在设计实现水肥自动化灌溉方面采选的控制器为STM32 单片机，且可采集模拟量，实现了水肥一体化自动控制系统。
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第 2 章    水肥一体机的设计

2.1   水肥一体化综述
2.1.1   水肥一体化分析
作物从土壤中吸取养分是作物生长发育的基础[16]，当土壤水含量无法达到作物正常需量时，有效提高水含量的途径为灌溉，其中水肥一体化[17]技术则能随时对农田进行水养分的浇灌。水肥一体化技术作为一项综合农业技术，即将农田的水灌溉与施肥有机结合，科学按照作物当下水肥需求，将以水作为运送载体的水养分，通过灌溉管网系统，输送到作物根部周边土壤中。就水肥一体机的实际应用设计而言，主要是实现系统对水肥一体机的控制[18]。在农田中要部署传感器、控制设备等，即为控制命令感知接收模块，数据传输模块等。且中国是农业大国，伴随的整体背景是庞大的作物种植面积，及增高的产量需求等。为满足现代农业需求，提高农业工作者的效率，本文设计了基于物联网技术的水肥一体化服务云平台，在平台中建立了灌溉系统的控制系统。即水肥一体机的设计[19]。其中水肥一体化技术将灌溉施肥融为一体，实现了按照作物在不同时期的需求规律精准、高效地控水控肥.水肥一体化优势特点包括：
1)  水肥一体化技术能够实现水肥资源直达，及时有效地按需供水施肥提高了工作效率、肥效快，避免了水分的浪费以及肥料的过剩，同时减少生态环境负担，对各种农田适应能力强。由于水肥一体化通过人为定量水肥调控，满足作物在生长的关键期的水养分需要，因而在产量和品质上可达到作物良好的目标。
2)  能够随时补充水分，并且相比于漫灌、沟灌这些大用水量的浇灌方式，利用水肥一体化浇水节约灌溉用水量的 50%左右。
3)  沟灌、漫灌等方式容易导致土壤板结，使空气湿度增加，采用水肥一体化技术能够减低农田间的空气的相对湿度和水资源在土壤渗透中的损失，从而减少由于湿度引起的作物病害，有效提升农产品质量和产量。
4)  在水肥一体化技术中，灌溉和施肥实现的方式是通过网路管道输送，其设备结构和铺设简便合理、成本价格低廉、省工省力。
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2.2   硬件选型
我国农田种植面积范围广，实现对水肥一体机的控制需要传输效果优质的传感器体系，这无疑在能耗方面压力变大，因而在模块选择时，设计采用能耗低、精度高的传感器是硬件设计的核心之一。另外因农田所处地理生态环境繁杂，强防腐能力、较高效率和较低成本都要在水肥一体机设备选择中顾及到，确保水肥一体机灌溉模块能长期稳定地进行农田灌溉的工作。
2.2.1   水肥一体机主控部分
水肥一体机的主控部分主要是对水肥一体机的控制的设计，是水肥一体机中的核心。农田的工作人员根据当下农田生态环境和作物对水肥的需求量，通过程序设定适用于当下目标农田和作物的精确水肥量以及混合液的量后，通过无线控制系统对水肥一体机进行混水混肥和灌溉施肥的实时控制，使得目标农田的水肥量达到水肥量与需求量的动态平衡状态。采用 STM32 单片机[23~25]实现核心控制、LoRa 技术进行控制器与终端间数据远距离传输，电磁阀门、水泵等设备的控制被控制器执行，通过单片机中的预设，自动控制是否需要灌溉施肥，从而对水肥一体机进行控制。主控部分由单片机、无线传输控制模块、电磁阀门控制模块、水流检测采集器等模块组成。主要实现农田的灌溉控制、水泵的启停等。
(1)   单片机   微控制器是主控部分的重要组成，为了能够控制水肥一体机中各个设备精准无误快速运行，本水肥一体机采用 STM32 单片机作为水肥一体化系统的控制核心，结合数据传输模块，来实现对水肥一体机各部分的控制。通过对现在主流的单片机进行调研比较，综合分析后本水肥一体机中的控制部分选用 STM32 单片机实现对设备的自动控制。STM32 是 ARM Cortex-M 内核的 32b 微控制器[26]，速度相比于传统的 51 单片机更快。适用于本水肥一体机中低功耗、高性能的要求，并且能由于其已经实现广泛应用，所以能实现高的可靠性。
(2)   无线传输模块   由于农田土地大多区域面积广，地理位置复杂，若采用有线传输，需要保持线路通信链路畅通，但是由于农田地理环境的特殊性，导致线路布置复杂，施工周期长，故障发生时故障点难以寻找，且添加新设备时有可能需要重新布置通信线路，从而会导致传输综合成本过高。为此考虑采选综合成本低，可灵活组网，并具有强稳定性能、强扩展性能且低功耗的无线传输。
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