第3期熊欽等 基于物聯(lián)網(wǎng)的果園藥水肥一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7 3 D O I 1 0 1 3 7 3 3 j j c a m i s s n 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 3 0 3 0 1 1 基于物聯(lián)網(wǎng)的果園藥水肥一體化 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 熊欽 肖麗萍 蔡金平 董偉 張鴻 陶中巖 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南昌市 3 3 0 0 4 5 摘要 針對(duì)山地丘陵果園生產(chǎn)作業(yè)中 病蟲害防治和灌溉工作量大 人工成本上升 同時(shí)我國(guó)當(dāng)前施肥模式粗獷 水肥浪費(fèi) 量大 肥液濃度不好控制等問題 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的果園藥水肥一體化控制系統(tǒng) 該 套系統(tǒng)以基于C C 2 5 3 0的Z i g B e e節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ) 結(jié)合M C U單片機(jī)及各類傳感器 通過Z i g B e e網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制執(zhí) 行模塊執(zhí)行各種功能 同時(shí)采用模糊控制對(duì)水泵進(jìn)行精準(zhǔn)控制 實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹的精準(zhǔn)施藥 施肥和灌溉 并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證 結(jié)果顯示 Z i g B e e網(wǎng)絡(luò)的丟包率與距離沒有明顯關(guān)系 與上位機(jī)軟件發(fā)包頻率有一定關(guān)系 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與自動(dòng) 控制 實(shí)時(shí)顯示空氣和土壤濕度 E C值和p H值等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 混合藥池的E C值經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)節(jié)6 9 0 s左右 達(dá)到設(shè)定值 1 5 m s c m 土壤E C值經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)節(jié)8 1 0 s左右 達(dá)到設(shè)定值1 2 m s c m附近 同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)不同的土壤E C值與混合藥 池E C值執(zhí)行不同的灌溉方案與混肥 施肥方案 精準(zhǔn)控制灌溉施肥 有較好的穩(wěn)定性 關(guān)鍵詞 山地果園 藥水肥一體化 Z i g B e e 控制系統(tǒng) 中圖分類號(hào) S 2 2 4 T P 2 7 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 3 0 3 0 0 7 3 0 9 熊欽 肖麗萍 蔡金平 等 基于物聯(lián)網(wǎng)的果園藥水肥一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2 0 2 3 4 4 3 7 3 8 1 X i o n g Q i n X i a o L i p i n g C a i J i n p i n g e t a l D e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f i n t e g r a t i o n o f m e d i c i n e w a t e r a n d f e r t i l i z e r c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n I n t e r n e t o f T h i n g s i n o r c h a r d J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 3 4 4 3 7 3 8 1 收稿日期 2 0 2 1年1 2月9日 修回日期 2 0 2 2年3月2 0日 基金項(xiàng)目 江西省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目 G J J 1 8 0 1 8 7 江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系 J X A R S 2 1 糧食作物生產(chǎn)機(jī)械化崗位 第一作者 熊欽 男 1 9 9 8年生 江西宜春人 碩士研究生 研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù) E m a i l 5 1 3 6 9 3 3 0 8 q q c o m 通訊作者 肖麗萍 女 1 9 7 8年生 江西靖安人 博士 教授 研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)械設(shè)計(jì)與農(nóng)業(yè)裝備工程 E m a i l a p p l e x l p 4 2 1 6 3 c o m Designandimplementationofintegrationofmedicine waterandfertilizercontrolsystem basedonInternetofThingsinorchard XiongQin XiaoLiping CaiJinping DongWei ZhangHong TaoZhongyan CollegeofEngineering JiangxiAgriculturalUniversity KeyLaboratoryofModernAgriculturalEquipmentof JiangxiProvince Nanchang 3 3 0 0 4 5 China Abstract I n v i e w o f t h e l a r g e w o r k l o a d o f p e s t c o n t r o l a n d i r r i g a t i o n a n d t h e i n c r e a s e o f l a b o r c o s t i n t h e p r o d u c t i o n o f m o u n t a i n o u s a n d h i l l y o r c h a r d s a t t h e s a m e t i m e t h e c u r r e n t f e r t i l i z a t i o n m o d e i n C h i n a i s r o u g h t h e w a s t e o f w a t e r a n d f e r t i l i z e r i s l a r g e a n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f f e r t i l i z e r s o l u t i o n i s n o t e a s y t o c o n t r o l C o m b i n e d w i t h I n t e r n e t o f T h i n g s t e c h n o l o g y a n d I n t e r n e t t e c h n o l o g y a n i n t e g r a t e d c o n t r o l s y s t e m o f o r c h a r d m e d i c i n e w a t e r a n d f e r t i l i z e r b a s e d o n I n t e r n e t o f T h i n g s i s d e s i g n e d T h e s y s t e m i s b a s e d o n Z i g B e e n o d e b a s e d o n C C 2 5 3 0 c o m b i n e d w i t h M C U a n d v a r i o u s s e n s o r s R e m o t e m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l a r e r e a l i z e d t h r o u g h Z i g B e e n e t w o r k a n d t h e e x e c u t i o n m o d u l e p e r f o r m s v a r i o u s f u n c t i o n s A t t h e s a m e t i m e f u z z y c o n t r o l i s u s e d t o a c c u r a t e l y c o n t r o l t h e w a t e r p u m p t o r e a l i z e p r e c i s e f e r t i l i z a t i o n a n d i r r i g a t i o n T h r o u g h e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n t h e p a c k e t l o s s r a t e o f Z i g B e e n e t w o r k h a s n o o b v i o u s r e l a t i o n s h i p w i t h t h e d i s t a n c e a n d h a s a c e r t a i n r e l a t i o n s h i p w i t h t h e c o n t r a c t i n g f r e q u e n c y o f h o s t c o m p u t e r s o f t w a r e T h e s y s t e m c a n r e a l i z e r e m o t e m o n i t o r i n g a n d a u t o m a t i c c o n t r o l a n d d i s p l a y t h e m o n i t o r i n g d a t a s u c h a s a i r a n d s o i l h u m i d i t y c o n d u c t i v i t y v a l u e a n d p H v a l u e i n r e a l t i m e T h e c o n d u c t i v i t y v a l u e o f t h e m i x i n g t a n k i s a d j u s t e d b y t h e s y s t e m f o r a b o u t 6 9 0 s t o r e a c h t h e 第4 4卷 第3期 2 0 2 3年3月 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n V o l 4 4 N o 3 M a r 2 0 2 3 7 4 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2 0 2 3年 s e t v a l u e o f 1 5 m s c m T h e s o i l c o n d u c t i v i t y v a l u e i s a d j u s t e d b y t h e s y s t e m f o r a b o u t 8 1 0 s t o r e a c h t h e s e t v a l u e o f 1 2 m s c m A t t h e s a m e t i m e t h e s y s t e m i m p l e m e n t s d i f f e r e n t i r r i g a t i o n s c h e m e s f e r t i l i z e r m i x i n g a n d f e r t i l i z a t i o n s c h e m e s a c c o r d i n g t o d i f f e r e n t s o i l c o n d u c t i v i t y v a l u e s a n d m i x e d m e d i c i n e p o o l c o n d u c t i v i t y v a l u e s a c c u r a t e l y c o n t r o l s i r r i g a t i o n a n d f e r t i l i z a t i o n a n d h a s g o o d s t a b i l i t y Keywords m o u n t a i n o r c h a r d i n t e g r a t i o n o f l i q u i d m e d i c i n e w a t e r a n d f e r t i l i z e r Z i g B e e c o n t r o l s y s t e m 0 引言 我國(guó)是水果生產(chǎn)及消費(fèi)大國(guó) 隨著人們對(duì)水果需 求量的增加 水果的種植面積及產(chǎn)量也逐年上升 1 伴隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化步伐的加快 越來越多農(nóng)村勞動(dòng)力 向城市轉(zhuǎn)移 不可避免地造成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人工成本上 升 2 在果園作業(yè)過程 如土壤耕整 樹體管理 果品 收獲 病蟲害防治和灌溉等 中 病蟲害防治和灌溉占 總工作量的4 0 左右 3 山地丘陵地區(qū)果園因地形 限制造成機(jī)械化程度較低 且我國(guó)6 0 以上的果園分 布在以山地丘陵為主的省份 4 因此 實(shí)現(xiàn)山地丘陵 果園藥水肥一體化 對(duì)不同土壤環(huán)境自主做出不同灌 溉施肥方案 對(duì)于節(jié)省成本 提高藥水肥的利用率 促 進(jìn)我國(guó)山地丘陵果園產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義 隨著科技的發(fā)展 物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越 來越廣泛 5 目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的水肥一體化設(shè)備與農(nóng) 業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合 基本均可實(shí)現(xiàn)基于果園實(shí)時(shí)水肥 信息的自動(dòng)灌溉和施肥 張寶峰等 6 采用物聯(lián)網(wǎng)架 構(gòu) 設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng) 控制水肥溶液 濃度E C值狀態(tài)良好 在溫室中實(shí)測(cè)時(shí)工作狀態(tài)良好 師志剛等對(duì)水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和效益 分析 在應(yīng)用時(shí)節(jié)水效果顯著 具有良好的應(yīng)用前景 同時(shí) 也有學(xué)者研究將灌溉 施肥和施藥技術(shù)相結(jié)合 楊荊等 7 設(shè)計(jì)基于專家決策系統(tǒng)的移動(dòng)式果園水肥藥 一體化決策和控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)以P L C為核心 以 M o d b u s通訊協(xié)議的傳感器來檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù) 果樹生長(zhǎng)受環(huán)境 氣候等因素影響 因而果園藥水 肥一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足可靠性 可修改性 可 拓展性 實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性 8 9 本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與互 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合 設(shè)計(jì)一種山地果園藥水肥一體化控 制系統(tǒng) 并制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn) 測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能 力 通訊穩(wěn)定性以及對(duì)土壤 藥箱E C值的調(diào)節(jié)能力 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示 主要由基于Z i g B e e 的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 1 0 1 1 首部系統(tǒng) 管路系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組 成 基于Z i g B e e的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括控制模塊 Z i g B e e 路由模塊 執(zhí)行模塊 繼電器模塊 傳感器模塊等 每個(gè) 模塊均由C C 2 5 3 0作為網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn) 共同組成 Z i g B e e網(wǎng)絡(luò) 首部系統(tǒng)受執(zhí)行模塊控制 負(fù)責(zé)將已混 合好的液體從混合箱輸送到管路系統(tǒng)中 管路系統(tǒng)有 主管 噴霧支路和噴灌支路 每條支路前端均有一個(gè)受 繼電器模塊控制的電磁閥控制對(duì)應(yīng)支路的開啟與關(guān) 閉 噴灌支路布置在地面 給土壤提供藥水肥 噴霧支 路從樹冠中穿過 且在附近引出一條有4個(gè)噴頭的支 管 為樹冠提供藥水肥 監(jiān)控系統(tǒng)包括客戶端和云服 務(wù)器端 客戶端可以通過串口連接控制模塊通信 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 F i g 1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f s y s t e m 注 圖中虛線箭頭表示模塊之間的連接方式為無線連接 實(shí)線箭頭則 表示連接方式為有線連接 傳感器模塊采集土壤濕度 空氣溫濕度 光照強(qiáng) 度 土壤E C值和p H值等田間信息后 通過Z i g B e e網(wǎng) 絡(luò)傳送給控制模塊后輸送給用戶端 實(shí)時(shí)顯示果園中 環(huán)境參數(shù) 該系統(tǒng)工作模式有手動(dòng)和自動(dòng)兩種 采取 手動(dòng)模式 可以選擇需要開啟的噴灌支路及工作參數(shù) 發(fā)送給控制模塊處理這些信息 同時(shí)發(fā)送相應(yīng)的指令 給特定的繼電器模塊以開啟或關(guān)閉相應(yīng)支路 采取自 動(dòng)模式時(shí) 需要預(yù)先設(shè)置果樹的適宜生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)范 圍 如土壤濕度或土壤E C值 p H值等 傳感器模塊每 隔一段時(shí)間將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊進(jìn)行分 析 判斷環(huán)境數(shù)據(jù)是否在預(yù)先設(shè)定的區(qū)間范圍內(nèi) 若 否 則開啟電磁閥進(jìn)行灌溉 直到環(huán)境參數(shù)達(dá)到適宜范 圍后停止 2 系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計(jì) 2 1 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 1 1 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)主要由控制模塊 Z i g B e e路由模 第3期熊欽等 基于物聯(lián)網(wǎng)的果園藥水肥一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7 5 塊 執(zhí)行模塊 繼電器模塊和傳感器模塊組成 以 C C 2 5 3 0芯片搭建網(wǎng)狀Z i g B e e網(wǎng)絡(luò) 其協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 路 由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)與不同硬件連接 形成物聯(lián)網(wǎng)控 制系統(tǒng)中各模塊 在實(shí)際消息收發(fā)過程中 參與通信 的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間輸入簇和輸出簇要一一對(duì)應(yīng) 為了簡(jiǎn) 化系統(tǒng) 本套系統(tǒng)輸入簇和輸出簇均有6類 詳細(xì)的功 能如表1所示 表1 通信指令對(duì)應(yīng)功能表 T a b 1 T a b l e o f c o r r e s p o n d i n g f u n c t i o n o f c o m m u n i c a t i o n c o m m a n d 編號(hào)輸入簇 輸出簇作用 1 D A T A控制模塊控制傳感器模塊指令或傳感器模塊發(fā)送傳感器數(shù)據(jù) 2 A D D R各模塊網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變發(fā)送短地址 3 C O N T控制模塊控制繼電器模塊指令 4 S T A T E控制模塊控制其他模塊發(fā)送狀態(tài)指令或其他模塊發(fā)送模塊狀態(tài) 5 R S控制模塊控制執(zhí)行模塊指令或執(zhí)行模塊發(fā)送運(yùn)行情況 6 H E A R T控制模塊向其他模塊發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包 Z i g B e e網(wǎng)絡(luò)中有多種通信方式 向特定節(jié)點(diǎn)發(fā)送 信息為點(diǎn)播通信 向一組設(shè)備發(fā)送信息為組播通信 向所有設(shè)備發(fā)送消息為廣播通信 本系統(tǒng)三種通信 方式均可采用 每個(gè)模塊均規(guī)定一個(gè)設(shè)備號(hào) 若該 模塊在Z i g B e e網(wǎng)絡(luò)中地址發(fā)生改變 其會(huì)將自身設(shè) 備號(hào)及1 6位Z i g B e e網(wǎng)絡(luò)短地址以A D D R輸出簇發(fā) 送給控制模塊的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 然后控制模塊使用1 6 位無符號(hào)整形數(shù)組a d d t a b l e形式按照編號(hào)保存短地 址 實(shí)現(xiàn)點(diǎn)播通信時(shí)根據(jù)設(shè)備號(hào)與相應(yīng)模塊通信 組播通信時(shí) 模塊分成了4個(gè)組 所有繼電器模塊編 入1組 傳感器模塊編入2組 執(zhí)行模塊編入3組 Z i g B e e路由模塊編入4組 將控制模塊編入所有組 中 控制模塊可以根據(jù)所需要求 分別與不同組的其 他模塊進(jìn)行通訊 控制模塊是物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的核心 由串口單元 和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成 用來組建Z i g B e e網(wǎng)絡(luò) 處理客 戶端發(fā)來的指令 控制其他模塊工作 或整理其他模 塊采集的信息后發(fā)送給客戶端 控制模塊與客戶端 的通信通過串口單元直接連接實(shí)現(xiàn) 控制其他模塊 時(shí) 通過客戶端向基于C C 2 5 3 0的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送如 表2所示的指令 每條指令1 7字節(jié)不等 主要由功 能字 設(shè)備號(hào) 子設(shè)備和參數(shù)組成 子設(shè)備表示相應(yīng) 模塊上控制的設(shè)備編號(hào) 0 x 1 6代表控制該模塊下所 有設(shè)備 表2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)指令發(fā)送情況表 T a b 2 S t a t u s t a b l e o f c o o r d i n a t o r n o d e i n s t r u c t i o n s e n d i n g 功能字作用通信方式發(fā)送目標(biāo)輸出簇發(fā)送數(shù)據(jù) 0 x 0 1開啟所有傳感器模塊組播組播2組D A T A 0 x 1 6 0 1 0 x 0 2開啟特定傳感器模塊點(diǎn)播設(shè)備號(hào)指示D A T A子設(shè)備電磁 閥為直流1 2 V常閉型 壓力范圍為0 1 M P a 傳感 器模塊用來監(jiān)測(cè)果園土壤濕度 空氣溫濕度和光照等 環(huán)境數(shù)據(jù) 并將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過控制模塊發(fā)送給客戶端 用戶根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)果園進(jìn)行作業(yè) 傳感器模塊是由 終端節(jié)點(diǎn)和多種傳感器 如空氣溫濕度傳感器D H T 1 1 土壤濕度傳感器和光照傳感器G Y 3 0組成 由于控制系統(tǒng)模塊大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài) 低 功耗方案對(duì)于節(jié)約能源 延長(zhǎng)各模塊使用時(shí)間具有非 常重要的意義 該系統(tǒng)Z i g B e e路由模塊 傳感器模塊 和繼電器模塊有P M 0和P M 2兩種工作模式 控制模 塊和執(zhí)行模塊只有P M 0工作模式 控制模塊在正常 開機(jī)時(shí) 每隔3 s廣播輸出簇為H E A R T的心跳包 Z i g B e e路由模塊 傳感器模塊和繼電器模塊只有在一 直接收到輸入簇為H E A R T的心跳包時(shí) 才能維持在 P M 0工作模式 否則當(dāng)1 2 s未接收到消息時(shí) 便進(jìn)入 P M 2模式 并將附屬設(shè)備的電源斷開 在進(jìn)入P M 2模 式后 會(huì)隔一段時(shí)間進(jìn)入P M 0模式檢查控制模塊是否 開機(jī) 2 1 2 系統(tǒng)對(duì)土壤環(huán)境的調(diào)節(jié) 系統(tǒng)通過傳感器模塊監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境 并將所測(cè)數(shù) 據(jù)發(fā)送給控制模塊處理 數(shù)據(jù)發(fā)送給繼電器模塊和執(zhí) 行模塊 繼電器模塊收到命令后便會(huì)打開指定的電磁 閥 以實(shí)現(xiàn)施肥 施藥和灌溉功能 系統(tǒng)對(duì)土壤E C值 土壤p H值和土壤濕度的調(diào)節(jié) 方法相同 以控制土壤E C值為例 自動(dòng)控制開啟時(shí) 土壤E C傳感器每分鐘測(cè)一組數(shù)據(jù) 每組1 0個(gè)數(shù)據(jù) 測(cè)試值發(fā)送給控制模塊 控制模塊計(jì)算每組數(shù)據(jù)的平 均值 得到E C平均值ECg 并將ECg上傳到上位機(jī) 上 位機(jī)將數(shù)據(jù)顯示并保存 查閱相關(guān)資料可知 適宜果樹 生長(zhǎng)的E C值在0 5 1 5 m s c m之間 7 1 4 控制模塊 設(shè)定果樹生長(zhǎng)初始E C值為EC0 取1 2 m s c m 然 后 控制模塊將計(jì)算初始值EC0與平均值ECg的差值 得到 EC EC0 ECg 設(shè)置傳感器模塊對(duì)土壤E C值 的測(cè)量范圍為 0 3 則 EC值范圍為 1 8 1 2 將 EC范圍分成8個(gè)小區(qū)間 即 1 8 1 1 0 5 0 5 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 5 0 5 1 1 1 2 每個(gè)區(qū)間代表不同控制 命令 如表4所示 最后 執(zhí)行模塊根據(jù) EC值區(qū)間 發(fā)送不同指令給首部系統(tǒng)與管路系統(tǒng) 控制電磁閥的 開閉時(shí)間 從而調(diào)節(jié)土壤E C值 若一次調(diào)節(jié)未達(dá)到 適合E C值 系統(tǒng)則重復(fù)上述操作 直到土壤環(huán)境達(dá)到 適合范圍 表4 EC值代表不同控制命令 T a b 4 E C v a l u e s r e p r e s e n t d i f f e r e n t c o n t r o l c o m m a n d s E C區(qū)間控制命令 1 8 1 開啟水池處電磁閥 只灌溉水 開啟時(shí)間較長(zhǎng) 1 0 5 開啟水池處電磁閥 只灌溉水 開啟時(shí)間中等 0 5 0 1 開啟水池處電磁閥 只灌溉水 開啟時(shí)間較短 0 1 0 E C值適合 不作命令 0 0 1 E C值適合 不作命令 0 1 0 5 開啟混合藥池處的電磁閥 進(jìn)行施肥 電磁閥開啟時(shí)間較短 0 5 1 開啟混合藥池處的電磁閥 進(jìn)行施肥 電磁閥開啟時(shí)間中等 1 1 2 開啟混合藥池處的電磁閥 進(jìn)行施肥 電磁閥開啟時(shí)間較長(zhǎng) 2 2 首部系統(tǒng)與管路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 首部系統(tǒng)與管路系統(tǒng)通過Z i g B e e網(wǎng)絡(luò)控制電磁閥 的開閉以實(shí)現(xiàn)灌溉 施肥和施藥功能 系統(tǒng)如圖2所示 圖2 首部系統(tǒng)與管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 F i g 2 S t r u c t u r e d i a g r a m o f h e a d s y s t e m a n d p i p e l i n e s y s t e m 1 施肥泵 2 文丘里施肥器 3 流量計(jì) 4 肥料液罐 5 藥液罐 6 酸液罐 7 水池 8 過濾器 9 變頻器 1 0 水泵 1 1 電磁閥 1 2 單向閥 1 3 水壓變送器 1 4 堿液罐 1 5 混合藥池 1 6 水位變送器 1 7 E C傳感器 1 8 p H傳感器 該首部系統(tǒng)與管路系統(tǒng)主要由水池 水泵 變頻器 電磁閥 水壓變送器 水位變送器 E C傳感器 p H傳感 器和各個(gè)藥液罐等組成 其中變頻器 水位變送器 壓 力變送器是通過R S 4 8 5總線與執(zhí)行模塊連接 電磁閥與 繼電器模塊相連接 通過繼電器模塊控制其開關(guān) 過濾器過濾水池 藥池的雜質(zhì)和未溶解的肥料 以 防止施肥時(shí)肥液實(shí)際濃度過高 系統(tǒng)工作時(shí)水泵將水 抽入混合藥池 達(dá)到一定水位時(shí)停止 混合藥池p H 傳感器與E C值傳感器時(shí)刻監(jiān)測(cè)混合藥池中混合液的 E C值與p H值 并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊 對(duì)比分析 若E C值與p H值未達(dá)到初始值 控制模塊則給繼電器 模塊發(fā)送信息 打開相應(yīng)電磁閥 同時(shí)施肥泵開始工 第3期熊欽等 基于物聯(lián)網(wǎng)的果園藥水肥一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7 7 作 通過文丘里施肥器的負(fù)壓 把肥料 酸液 堿液和藥 液吸入到混合液罐里 E C傳感器與p H傳感器繼續(xù) 測(cè)量混合液的E C值與p H值 反復(fù)執(zhí)行 直到混合液 E C值與p H值達(dá)到設(shè)定值 施肥泵與肥液 酸堿液處 的電磁閥關(guān)閉 同時(shí)傳感器模塊監(jiān)測(cè)果園土壤環(huán)境 將所測(cè)數(shù)據(jù) 發(fā)送給控制模塊 進(jìn)行分析 若土壤濕度 E C值 p H 值未達(dá)到設(shè)定值 則發(fā)送信息給繼電器模塊 此時(shí)若混 合液符合灌溉要求 繼電器模塊開啟對(duì)應(yīng)管路的電磁 閥 對(duì)未達(dá)到要求的區(qū)域進(jìn)行灌溉 施肥 以達(dá)到最適 合果樹生長(zhǎng)的環(huán)境 2 2 1 模糊控制分析 混合藥池E C值的調(diào)節(jié)采用模糊控制原理 1 5 1 6 其過程如圖3所示 將真實(shí)的輸入值模糊化處理為模 糊集 在模糊規(guī)則的定義下推理出模糊輸出值 最后將 模糊輸出反模糊處理為真實(shí)的輸出值 圖3 模糊控制原理圖 F i g 3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f f u z z y c o n t r o l 建立兩輸入一輸出的模糊控制器 輸入值為e和 ec 則有 en a0 an 1 ecn en en 1T a0 an a0 an 1 T an 1 anT 2 式中 an 第n次測(cè)得E C值 a0 初始設(shè)定E C值 en en 1 第n次 第n 1次測(cè)得E C值與初 始E C值的差值 ecn 第n次測(cè)得E C值的偏差變化率 T 采樣周期 模糊控制各參數(shù)取值范圍如表5所示 輸入值通 過模糊化處理得到控制變量E k 和EC k 兩個(gè)變量 通過模糊推理得到輸出值u 再通過反模糊處理換算 成為電磁閥的開啟時(shí)間U 以達(dá)到對(duì)混合藥池電導(dǎo)率 的控制 為達(dá)到較為精確地控制效果 參考同類型設(shè)計(jì) 1 9 設(shè)置模糊變量區(qū)域 N B 負(fù)大 N M 負(fù)中 N S 負(fù)小 N Z 負(fù)零 Z 零 P Z 正零 P S 正小 P M 正中 P B 正大 偏差e 偏差變化率ec和電磁閥開啟時(shí)間U模 糊語言值和量化論域等級(jí)的選取如表6所示 表5 模糊控制參數(shù)取值表 T a b 5 T a b l e o f p a r a m e t e r v a l u e o f f u z z y c o n t r o l l e r 變量參數(shù)取值范圍 電導(dǎo)率范圍 1 7 m s c m 1 0 5 3 0 初始電導(dǎo)率 m s c m 1 1 5 E C值范圍 0 3 電導(dǎo)率偏差范圍 1 5 1 5 e的基本論域 1 5 1 5 一個(gè)采樣周期的誤差變化率范圍 1 8 0 2 0 2 ec的基本論域 0 2 0 2 電磁閥開啟時(shí)間U s 0 3 0 表6 模糊語言和量化論域表 T a b 6 T a b l e o f f u z z y l a n g u a g e a n d q u a n t i t a t i v e d o m a i n 變量基本論域模糊語言量化論域量化 比例因子 e 1 5 1 5 N B N M N S N Z P Z P S P M P B 5 5 3 3 ec 0 2 0 2 N B N M N S Z P S P M P B 3 3 1 5 U 0 3 0 N B N M N S Z P S P M P B 3 3 5 偏差e的量化因子 ke 5 1 5 3 3 偏差變化率ec的量化因子 kec 3 0 2 1 5 電磁閥開啟時(shí)間U的比例因子 kU 1 5 3 5 E k 的模糊論域的取值特征點(diǎn)為 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 EC k 的模糊論域的取值特 征點(diǎn)為 3 2 1 0 1 2 3 u的模糊論域的取值 特征點(diǎn)為 3 2 1 0 1 2 3 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析建立模糊控制規(guī)則表 如表7所示 表7 模糊控制規(guī)則表 T a b 7 T a b l e o f f u z z y c o n t r o l r u l e u EC k N B N M N S Z P S P M P B E k N B N B N B N B N M N M N S N S N M N B N B N M N M N M N S N S N S N B N M N M N S N S N S Z N Z N M N M N S N S Z Z Z P Z Z Z Z P S P S P M P M P S Z P S P S P S P M P M P B P M P S P S P M P M P M P B P B P B P S P S P M P M P B P B P B 7 8 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2 0 2 3年 輸入與輸出變量均選用三角隸屬函數(shù) 若測(cè)得第 m次的EC值為am 則第m次的偏差值和偏差變化率 為em和ecm 再通過模糊化處理 偏差值em與偏差變化 率ecm分別與各自的量化因子相乘 得到模糊值E k 與EC k E k em ke 3 EC k ecm kec 4 將E k 與EC k 導(dǎo)入至模糊控制器中 可以得到U 的模糊值u 再將模糊值u進(jìn)行清晰化處理 即與U的 比例因子kU相乘 得到U的清晰值 電磁閥開啟的時(shí)間 U u kU 5 打開M a t l a b 通過f u z z y工具箱中的c e n t r o i d算 法進(jìn)行反模糊運(yùn)算 得到模糊控制輸出u的控制策略 圖4為輸出u的特性曲線 圖4 輸出u特性曲線 F i g 4 O u t p u tuc h a r a c t e r i s t i c c u r v e 2 2 2 混合藥池EC值控制仿真測(cè)試 M a t l a b的s i m u l i n k模塊中建立模糊控制仿真模 型 通過系統(tǒng)辨識(shí)功能得到傳遞函數(shù)為 G s 0 0 0 0 3 4 7 9s 2 0 6 2e 7 6 設(shè)置步長(zhǎng)為5 s 總時(shí)長(zhǎng)為1 0 0 0 s 進(jìn)行仿真測(cè)試 結(jié)果如圖5所示 可見 電導(dǎo)率從0開始持續(xù)上升 在 7 0 0 s左右達(dá)到1 5 m s c m附近 并穩(wěn)定下來 控制較 為平穩(wěn) 圖5 混合藥池電導(dǎo)率變化仿真圖 F i g 5 S i m u l a t i o n d i a g r a m o f c o n d u c t i v i t y c h a n g e o f m i x i n g t a n k 2 3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 監(jiān)控系統(tǒng)包括客戶端和云服務(wù)器端 監(jiān)控整套系 統(tǒng)的運(yùn)行 客戶端通過V B N E T編程語言編寫 與云 服務(wù)器端和設(shè)備端基于M Q T T 3 1 1協(xié)議 2 0 進(jìn)行通 信 客戶端由登錄頁面 首頁 運(yùn)行監(jiān)測(cè) 工作控制 數(shù) 據(jù)管理 連接模式和設(shè)備調(diào)試組成 客戶端向控制模 塊發(fā)送的指令有工作開始指令 工作暫停指令 工作繼 續(xù)指令 工作停止指令 主管修正壓力改變指令 作業(yè) 強(qiáng)度改變指令和調(diào)試設(shè)備指令 控制模塊向客戶端發(fā) 送設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù) 客戶端將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí) 顯示并儲(chǔ)存起來 方便查詢歷史數(shù)據(jù) 指令和數(shù)據(jù)以 M Q T T協(xié)議的發(fā)布報(bào)文發(fā)送 監(jiān)控系統(tǒng)工作流程如圖 6所示 設(shè)備端時(shí)刻采集環(huán)境數(shù)據(jù) 包括土壤濕度 土 壤與藥箱E C值等 并分析 將采集到的數(shù)據(jù)通過串口 發(fā)送給客戶端 客戶端收到數(shù)據(jù)后會(huì)將其顯示在客戶 端界面 并將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器端 服務(wù)器端會(huì)將數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)起來 以供使用 同時(shí)客戶端會(huì)分析接收到的數(shù) 據(jù) 對(duì)不同的數(shù)據(jù)做出不同的控制決策指令 并將指令 發(fā)送給設(shè)備端 以控制設(shè)備端對(duì)環(huán)境的調(diào)節(jié) 監(jiān)控系 統(tǒng)的客戶端界面如圖7所示 圖6 監(jiān)控系統(tǒng)工作流程 F i g 6 W o r k f l o w c h a r t o f m o n i t o r i n g s y s t e m 圖7 客戶端界面圖 F i g 7 D i a g r a m o f c l i e n t i n t e r f a c e 3 系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn) 3 1 傳感器模塊功能試驗(yàn) 準(zhǔn)備好傳感器模塊 控制模塊和上位機(jī)等部件 對(duì) 模塊進(jìn)行功能調(diào)試 直到模塊能夠正常通信 在櫻花園 布置1套傳感器模塊 時(shí)刻監(jiān)測(cè)櫻花園的環(huán)境 并通過 Z i g B e e網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制模塊 并上傳至上位機(jī) 軟件顯示出來 試驗(yàn)時(shí)間是2 0 2 1年6月3 0日1 2點(diǎn) 5 0分至2 2點(diǎn)3 0分 傳感器模塊可采集空氣溫濕度 土壤濕度和光照強(qiáng)度 將測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)起 來 環(huán)境參數(shù)變化曲線圖如圖8所示 第3期熊欽等 基于物聯(lián)網(wǎng)的果園藥水肥一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7 9 a 空氣溫度變化曲線 b 空氣濕度變化曲線 c 土壤濕度變化曲線 d 光照強(qiáng)度變化曲線 圖8 環(huán)境參數(shù)變化曲線 F i g 8 V a r i a t i o n c u r v e o f e n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r s 2 0 2 1年6月3 0日當(dāng)天 在1 4 0 0之前天氣晴朗 1 5 0 0之后逐漸轉(zhuǎn)為陰天 并在1 8 0 0左右開始下雨 從圖8可見 在1 5 0 0之前 空氣溫濕度變化并不明 顯 土壤水分也隨陽光蒸發(fā) 土壤濕度逐漸下降 由于 云層的移動(dòng) 光照強(qiáng)度大小波動(dòng)比較明顯 1 5 0 0之 后 陰云密布 空氣溫度下降 空氣濕度逐漸上升 光照 強(qiáng)度也逐漸減小 在1 8 0 0左右 開始下雨 空氣溫度 下降 空氣濕度上升 土壤濕度則開始上升 此時(shí)也基 本沒有光線 光照強(qiáng)度也約為0 1 9 0 0過后 雨停 空 氣溫度達(dá)到測(cè)試時(shí)間段的最低約為2 7 空氣濕度達(dá) 到測(cè)試時(shí)間段的最高值約為9 5 土壤濕度和光照強(qiáng) 度基本沒有產(chǎn)生較大變化 3 2 物聯(lián)網(wǎng)通訊試驗(yàn) 將控制模塊通過串口與上位機(jī)進(jìn)行連接 當(dāng)控制模 塊與傳感器模塊能夠正常通訊后 將傳感器模塊遠(yuǎn)離控 制模塊不同的距離進(jìn)行通訊試驗(yàn) 串口給控制模塊發(fā) 送以 0 x F F開頭的9字節(jié)測(cè)試數(shù)據(jù)包 控制模塊接收 到該數(shù)據(jù)包時(shí) 以輸出簇C E S H I向傳感器模塊發(fā)送該 數(shù)據(jù)包 傳感器模塊接收后以同樣輸出簇返回該數(shù)據(jù)給 控制模塊 控制模塊將接收到的返回?cái)?shù)據(jù)以串口通訊方 式返回給上位機(jī)軟件 圖9 上位機(jī)軟件對(duì)接收到的該 幀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 判定是否出現(xiàn)錯(cuò)包情況 Z i g B e e節(jié)點(diǎn) 使用信道1 1 2 4 G H z 發(fā)射功率 1 7 d B m和接收靈 敏度 9 1 d B m通信 傳感器模塊使用9 V干電池作為 電源 每組測(cè)試時(shí)發(fā)送1 0 0 0個(gè)數(shù)據(jù)包 每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送 間隔為1 0 0 m s 2 0 0 m s和3 0 0 m s 在試驗(yàn)過程中 未發(fā) 現(xiàn)出現(xiàn)錯(cuò)包情況 結(jié)果如圖1 0所示 圖9 上位機(jī)界面圖 F i g 9 I n t e r f a c e d i a g r a m o f u p p e r c o m p u t e r 圖10 ZigBee組網(wǎng)測(cè)試結(jié)果 F i g 1 0 T e s t r e s u l t s o f Z i g B e e n e t w o r k i n g 8 0 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2 0 2 3年 可見 Z i g B e e網(wǎng)絡(luò)的丟包率與距離沒有明顯關(guān)系 但與上位機(jī)軟件發(fā)包頻率有一定關(guān)系 在發(fā)包間隔為 3 0 0 m s時(shí) 出現(xiàn)丟包概率非常低 在發(fā)包間隔變短的 情況下 丟包率增加 丟包率上升的情況可能跟Z i g B e e 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理延遲有關(guān) 在試驗(yàn)過程中 發(fā)現(xiàn) Z i g B e e網(wǎng)絡(luò)中兩節(jié)點(diǎn)通信距離可以達(dá)到1 3 0 m 但距 離過大容易出現(xiàn)掉線情況 3 3 混合藥箱EC值自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn) 在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院進(jìn)行混合藥箱E C值自動(dòng) 調(diào)節(jié)試驗(yàn) 肥液箱中存有E C值為5 m s c m的肥液 試驗(yàn)通過傳感器模塊的液體E C傳感器時(shí)刻測(cè)量混合 藥箱的E C值 并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊 控制模塊通 過分析數(shù)據(jù) 發(fā)送不同的指令給繼電器模塊 控制繼電 器的開閉 以控制水泵的開啟和關(guān)閉 從而調(diào)節(jié)混合藥 箱的E C值 液體E C傳感器模塊每隔5 s會(huì)將測(cè)得的液體E C 值數(shù)據(jù)通過Z i g B e e網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制模塊 控制模塊再