陳維榕，王 虎，彭志良，李莉婕，趙澤英，李裕榮

（貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所，貴州貴陽(yáng)550006）

基于物聯(lián)網(wǎng)的果園水肥一體控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

陳維榕，王 虎，彭志良，李莉婕，趙澤英＊，李裕榮

（貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所，貴州貴陽(yáng)550006）

為提高果園灌溉用水及肥料利用率，降低水肥使用成本，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet技術(shù)，研究水肥一體控制系統(tǒng)架構(gòu)，開(kāi)發(fā)出基于Webservice接口的控制軟件、桌面單機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與手機(jī)APP應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件與軟件的融合，用戶(hù)使用web瀏覽器、桌面客戶(hù)端與手機(jī)可進(jìn)行果園的水肥一體管理，實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化。控制系統(tǒng)在貴州10個(gè)果樹(shù)基地（172.07hm2）進(jìn)行水肥一體化應(yīng)用示范，能精確控制灌水量和施肥量，顯著提高水肥利用率，達(dá)到節(jié)水、節(jié)肥、省工、優(yōu)質(zhì)、高效、增產(chǎn)和增收的效果，有利于實(shí)現(xiàn)果園果樹(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化栽培。

水肥一體；物聯(lián)網(wǎng)；控制系統(tǒng)；Zigbee；WebService；App

貴州省大部分果園位于山地、丘陵，有些地方石漠化嚴(yán)重，且遠(yuǎn)離水源，傳統(tǒng)的灌溉施肥操作非常困難。隨勞動(dòng)力和化肥等生產(chǎn)資料價(jià)格上漲，水果種植成本逐年升高，比較效益下降。由于缺少合理的養(yǎng)分管理措施和相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)，水、肥過(guò)量投入或不足的現(xiàn)象十分普遍，這不僅對(duì)果樹(shù)的產(chǎn)量和品質(zhì)造成不利影響，而且還會(huì)造成多余養(yǎng)分向深層淋溶進(jìn)入地下水，或隨徑流進(jìn)入地表水源，造成環(huán)境污染?！八室惑w化”灌溉施肥技術(shù)是將植物營(yíng)養(yǎng)元素以適當(dāng)?shù)呐浞阶⑷氲降喂嗨?，達(dá)到施肥與灌溉同步進(jìn)行，其不僅是灌溉和施肥工作的結(jié)合，也是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的技術(shù)集成。隨水肥一體化技術(shù)的發(fā)展，智能化控制系統(tǒng)逐漸得到應(yīng)用，但目前我國(guó)應(yīng)用的一些水肥一體灌溉系統(tǒng)運(yùn)行載體比較單一，都是基于某一種硬件作為載體［1－3］，各自擁有一套采集和控制器、一套數(shù)據(jù)庫(kù)和一套數(shù)據(jù)接口，僅實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的水肥一體化控制。由于貴州土地少而分散，導(dǎo)致田間控制和測(cè)量點(diǎn)分散，需要化零為整進(jìn)行統(tǒng)一管控，現(xiàn)有的許多系統(tǒng)在貴州山區(qū)果園不適用。為實(shí)現(xiàn)貴州果品生產(chǎn)中省水、省肥、省工，提高果樹(shù)果實(shí)產(chǎn)質(zhì)量及農(nóng)戶(hù)的生產(chǎn)科學(xué)性和主動(dòng)性，筆者等在研究果園水肥一體控制策略的同時(shí)，積極研究水肥一體控制系統(tǒng)的架構(gòu)［4－6］，開(kāi)發(fā)出基于物聯(lián)網(wǎng)的適用于貴州山區(qū)果園的水肥一體控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

通過(guò)對(duì)已有的水肥一體控制系統(tǒng)［7－16］，按照數(shù)據(jù)信息流的流轉(zhuǎn)順序，將水肥一體控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)成設(shè)備層、通信層、數(shù)據(jù)層、接口層和用戶(hù)層5個(gè)層次（圖1），各層獨(dú)立，以強(qiáng)化系統(tǒng)的模塊化，實(shí)現(xiàn)高內(nèi)聚、低耦合。設(shè)備層匯集田間各種環(huán)境采集傳感器、采集與控制模塊，用于數(shù)據(jù)采集和控制。通信層為ZigBee、VPN、WiFi、GPRS、3G／4G等不同網(wǎng)絡(luò)融合組成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的網(wǎng)絡(luò)接入條件采用不同的實(shí)現(xiàn)方式，將設(shè)備層用物聯(lián)網(wǎng)與Internet網(wǎng)連接到控制中心，負(fù)責(zé)傳輸采集的數(shù)據(jù)和控制指令。數(shù)據(jù)層記錄系統(tǒng)中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，包括采集到的各種環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，為接口層作數(shù)據(jù)支撐。接口層負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)用戶(hù)應(yīng)用系統(tǒng)、采集與存貯數(shù)據(jù)、控制決策支持、控制指令發(fā)送等，由Webservice接口軟件與服務(wù)器負(fù)責(zé)。用戶(hù)層為在不同硬件環(huán)境下的用戶(hù)應(yīng)用軟件，通過(guò)不同載體對(duì)田間進(jìn)行水肥一體化控制，實(shí)現(xiàn)一個(gè)中心多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，包括運(yùn)行在PC上的桌面客戶(hù)端水肥一體化控制系統(tǒng)、運(yùn)行于Android等智能移動(dòng)設(shè)備的APP系統(tǒng)和WEB網(wǎng)站系統(tǒng)等。

圖1 果園水肥一體控制系統(tǒng)的架構(gòu)Fig.1 The framework of the orchard water and fertilizer integration control system

2 控制接口軟件

控制接口軟件采用Webservice技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與查詢(xún)、系統(tǒng)控制管理與告警管理等功能。數(shù)據(jù)采集主要是對(duì)田間信息采集設(shè)備設(shè)定程序或下達(dá)指令，按要求實(shí)時(shí)采集土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照、蒸發(fā)、降雨量和風(fēng)速等田間環(huán)境數(shù)據(jù)，接口軟件在收到這些數(shù)據(jù)后，通過(guò)解析將采集到的電流或電壓值轉(zhuǎn)化為可讀懂的數(shù)據(jù)存貯到數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)查詢(xún)提供系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)、歷史告警信息數(shù)據(jù)等面向客戶(hù)端的服務(wù)接口，用戶(hù)根據(jù)定制好的前端接口格式向服務(wù)發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)接口根據(jù)請(qǐng)求的內(nèi)容從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)信息，按格式返回給用戶(hù)。系統(tǒng)控制管理主要是對(duì)各個(gè)控制分區(qū)或設(shè)備進(jìn)行灌溉與施肥控制，管理員通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)軟件手動(dòng)打開(kāi)控制開(kāi)關(guān)閥即可實(shí)時(shí)對(duì)一個(gè)或者多個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行灌溉或施肥；或由管理員配置施肥或灌溉的控制區(qū)、時(shí)間段、施肥或者灌溉量等信息，系統(tǒng)會(huì)按時(shí)按量對(duì)設(shè)定控制點(diǎn)進(jìn)行施肥或灌溉；或按照環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)灌溉、施肥的相關(guān)管理模型進(jìn)行計(jì)算，智能配置灌溉施肥計(jì)劃，按時(shí)按量進(jìn)行自動(dòng)化施肥或灌溉。告警管理是指根據(jù)農(nóng)作物水肥管理模型，設(shè)置土壤溫濕度、空氣溫濕度和降雨量閥值，配置告警短信，當(dāng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過(guò)閥值，系統(tǒng)將給管理員發(fā)送告警短信，提醒管理員采取相應(yīng)的處理措施。

3 桌面水肥一體化控制系統(tǒng)

采用Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)采用C／S模式，通過(guò)Internet與Webservice進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用與設(shè)備運(yùn)行指令交互，操控物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行。系統(tǒng)通過(guò)用戶(hù)名和密碼登錄后進(jìn)入水肥控制系統(tǒng)首頁(yè)，總體上分為環(huán)境監(jiān)控、手動(dòng)灌溉施肥、智能灌溉施肥和視頻監(jiān)控4個(gè)模塊。環(huán)境監(jiān)控主要從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取實(shí)時(shí)管理分區(qū)的氣象與土壤環(huán)境信息，支持實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)和分析，具體操作時(shí)由管理區(qū)域地塊下拉列表觸發(fā)改變頁(yè)面中環(huán)境信息數(shù)據(jù)及曲線圖。手動(dòng)灌溉施肥對(duì)于系統(tǒng)中的各類(lèi)控制設(shè)備設(shè)置控制按鈕，操作按鈕開(kāi)關(guān)后通過(guò)按鈕顏色的變更，表示一個(gè)控制動(dòng)作的完成，頁(yè)面中同時(shí)顯示出當(dāng)前管理分區(qū)的區(qū)域信息、視頻、環(huán)境數(shù)據(jù)和灌溉流量等。智能灌溉施肥包含分區(qū)灌溉施肥控制和自動(dòng)灌溉施肥設(shè)置，在選擇分區(qū)后可分別選擇灌溉電磁閥和施肥電磁閥，進(jìn)行灌溉和施肥的開(kāi)啟與關(guān)閉；自動(dòng)灌溉施肥設(shè)置可設(shè)定按時(shí)間、環(huán)境參數(shù)、流量進(jìn)行灌溉與施肥；同時(shí)還顯示施肥和灌溉柱狀圖、視頻和當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)等，新增加和歷史設(shè)置都保存在已保存列表中（圖2）。視頻監(jiān)控主要是對(duì)控制區(qū)域的視頻監(jiān)控，管理員可以實(shí)時(shí)查看監(jiān)控區(qū)域的視頻數(shù)據(jù)。

圖2 果園水肥一體控制桌面應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控（左）與智能灌溉施肥（右）界面Fig.2 The environment monitoring（left）and intelligence irrigation and fertilization interface（right）on the desktop of the orchard water and fertilizer integration control system

圖3 果園水肥一體控制Android APP系統(tǒng)界面Fig.3 The Android APP interface of the orchard water and fertilizer integration control system

4 APP水肥控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用eclipse工具開(kāi)發(fā)，可在Android 2.2以上操作系統(tǒng)上運(yùn)行，主要有環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)查詢(xún)、視頻監(jiān)控和設(shè)置等模塊功能。環(huán)境監(jiān)測(cè)中能選擇控制區(qū)查看土壤溫度、土壤濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)；控制開(kāi)關(guān)中有加壓水泵、施肥和控制區(qū)開(kāi)關(guān)等的打開(kāi)與開(kāi)關(guān)功能，能夠手動(dòng)控制對(duì)該區(qū)域進(jìn)行灌溉或者施肥控制；同時(shí)也能設(shè)置是否由系統(tǒng)自動(dòng)控制，如打開(kāi)灌溉自動(dòng)控制時(shí)，遠(yuǎn)程控制服務(wù)器將按照自動(dòng)化設(shè)置進(jìn)行自動(dòng)化灌溉。系統(tǒng)可以根據(jù)控制區(qū)查看具體時(shí)間段的數(shù)據(jù)，查看與調(diào)整實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻，對(duì)施肥、灌溉進(jìn)行分區(qū)的時(shí)間、流量和環(huán)境等自動(dòng)控制參數(shù)配置（圖3）。

5 示范應(yīng)用

以開(kāi)發(fā)出的果園水肥一體控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，與相關(guān)種植企業(yè)、農(nóng)戶(hù)合作建立了10個(gè)果園水肥一體化應(yīng)用示范基地（172.07hm2）。其中，南明區(qū)永樂(lè)鄉(xiāng)桃水肥一體化示范園2.07hm2，關(guān)嶺縣板貴鄉(xiāng)三家寨村火龍果水肥一體示范園18.67hm2、壩山村火龍果水肥一體示范園7.33hm2、田壩村綠色未來(lái)高效農(nóng)業(yè)科技開(kāi)發(fā)有限公司火龍果水肥一體示范園20hm2、斷橋鎮(zhèn)簡(jiǎn)桃果蔬種植專(zhuān)業(yè)合作社火龍果水肥一體示范園2hm2，羅甸縣林場(chǎng)火龍果水肥一體示范園13.33hm2，麻江縣賢昌鄉(xiāng)花果源生態(tài)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)公司獼猴桃園水肥一體示范園33.33hm2，凱里市阿元種植場(chǎng)葡萄園水肥一體示范園2hm2、凱發(fā)種養(yǎng)殖專(zhuān)業(yè)合作社獼猴桃水肥一體示范園6.67hm2，普定縣后寨林場(chǎng)綠源苗業(yè)有限公司精品水果水肥一體示范園66.67hm2。

水肥一體控制系統(tǒng)可按果樹(shù)所缺的養(yǎng)分、水分定量定點(diǎn)精確施肥、灌溉，使土壤養(yǎng)分、水分協(xié)調(diào)，推動(dòng)了水果生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化，節(jié)水、節(jié)肥，減少勞動(dòng)力的投入，從而增產(chǎn)增收。對(duì)關(guān)嶺縣板貴鄉(xiāng)火龍果水肥一體示范園的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)產(chǎn)，系統(tǒng)示范園與傳統(tǒng)灌溉施肥相比節(jié)水65%左右、節(jié)肥50%，2014年示范區(qū)第4臺(tái)果平均每株結(jié)果11.9個(gè)、單果重0.206kg、優(yōu)質(zhì)果率達(dá)85.6%，對(duì)照區(qū)平均每株結(jié)果8.8個(gè)、單果重0.1kg、優(yōu)果率為30%，示范區(qū)較對(duì)照增產(chǎn)178%、優(yōu)果率增加55.6百分點(diǎn)。

5 小結(jié)

1）基于不同載體的果園水肥一體化控制系統(tǒng)以傳感器作為數(shù)據(jù)采集源，電磁閥作為控制終端，通過(guò)數(shù)據(jù)交換與處理，對(duì)果樹(shù)生長(zhǎng)環(huán)境中的土壤水分、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度和水池水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并分析入庫(kù)。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)或者移動(dòng)設(shè)備對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)果樹(shù)生育周期內(nèi)需水、需肥的技術(shù)要求，經(jīng)過(guò)邏輯判斷可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)控制電磁閥執(zhí)行設(shè)備完成灌溉、施肥作業(yè)以及缺水缺肥的告警，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有物品與網(wǎng)絡(luò)連接，方便識(shí)別、管理和控制。APP系統(tǒng)能夠安裝在攜帶方便的智能移動(dòng)設(shè)備上，隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程觀察到田間動(dòng)態(tài)，并進(jìn)行水肥控制。

2）果園水肥一體化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉的自動(dòng)控制，系統(tǒng)通過(guò)編輯灌溉程序，設(shè)置灌溉時(shí)長(zhǎng)和開(kāi)始時(shí)間，設(shè)置施肥量和施肥時(shí)間，設(shè)置滴灌開(kāi)啟和停止?jié)穸?。?dāng)?shù)竭_(dá)灌溉時(shí)間時(shí)，相應(yīng)的灌區(qū)按照計(jì)算機(jī)指令自動(dòng)輪灌，當(dāng)運(yùn)行完設(shè)定時(shí)長(zhǎng)后田間所對(duì)應(yīng)的灌區(qū)電磁閥即會(huì)關(guān)閉。在灌溉過(guò)程中，按照比例配好待用肥液，設(shè)定好施肥量和施肥時(shí)間，在灌溉時(shí)可以自由設(shè)定施肥時(shí)間和管道沖洗時(shí)間（防止滴灌系統(tǒng)化學(xué)堵塞）。只要計(jì)算機(jī)發(fā)出灌溉指令，系統(tǒng)會(huì)按設(shè)定程序注入事先配好的肥液，能夠精確控制灌水量和施肥量，顯著提高水肥利用率，有利于果園實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化栽培。

3）果園水肥一體化控制系統(tǒng)中的水肥管理模型還處理初級(jí)階段，在下一步研發(fā)中，將加強(qiáng)不同果樹(shù)的水肥模擬模型研究，使系統(tǒng)更加智能化，減少人工干預(yù)，更好實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥和節(jié)約勞動(dòng)力，以提高系統(tǒng)的使用效益。

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（責(zé)任編輯：馮 衛(wèi)）

Development and Application of the Orchard Water and Fertilizer Integration Control System Based on Internet Technology

CHEN Weirong，WANG Hu，PENG Zhiliang，LI Lijie，ZHAO Zheying＊，LI Yurong
（Guizhou Institute of Agricultural Science and Technology Information，Guiyang，Guizhou550006，China）

The water and fertilizer integration control system framework based on wireless senor network and Internet technology has the functions of Webservice ports control software and fusion between system hardware and software.The orchard water and fertilizer integration management and irrigation automation be realized by web browser，desktop clients and cellphones to improve utilization efficiency of irrigation and fertilizer and reduce use－cost of water and fertilizer.The control system can precisely control irrigation amount and fertilization amount and significantly increase the utilization efficiency of water and fertilizer at 10fruit bases（172.07hm2）in Guizhou，which indicates the control system with advantages of water－saving，fertilizer－saving，low labor cost and increase in production and income is beneficial to orchard’s standardization cultivation.

water and fertilizer integration；internet technology；control system；Zigbee；WebService；App

S126；S14l7.2

A

1001－3601（2016）08－0359－0140－04

2016－06－20；2016－07－26修回

貴州省農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目“果樹(shù)水肥一體化控制技術(shù)集成與應(yīng)用”［黔科合NZ字（2012）3021］，“果蔬作物物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)集成與示范”［黔科合NY字（2011）3097］；貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院項(xiàng)目“貴州主要經(jīng)濟(jì)作物物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)集成與示范應(yīng)用”［黔農(nóng)科院院專(zhuān)項(xiàng)（2011）030］，“貴州辣椒、火龍果數(shù)字化管理技術(shù)研究”［黔農(nóng)科院自主創(chuàng)新科研專(zhuān)項(xiàng)字（2014）011］，“農(nóng)業(yè)園區(qū)水肥精準(zhǔn)控制管理技術(shù)研究與示范”

陳維榕（1987－），女，研究實(shí)習(xí)員，從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究。E－mail：515239705＠qq.com

＊通訊作者：趙澤英（1975－），男，研究員，從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究。E－mail：zeyingzhao＠126.com