基于5G物联网背景下精准水肥药一体化灌溉控制系统分析

摘要：当前，随着生活水平提高，人们对农产品的要求越来越高，人们在追求更高品质的同时也更加关注农业的品质和安全。而作为农作物生长所必需的水肥是其中的重要组成部分，因此，如何实现高效精准的水肥配施成为当前急需解决的问题。该文主要研究基于5G物联网背景下精准水肥药一体化灌溉控制系统分析。

关键词：5G物联网;精准水肥药一体化灌溉;控制系统分析

中图分类号：TP311       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）16-0105-03

目前在国内很多地区都存在大量的农用水源被污染，导致水资源匮乏，这不仅浪费了宝贵的土地资源，而且还造成了环境的恶化和生态环境的破坏等一系列的生态问题。针对这些现象，国家相关部门已经开始采取措施，从源头到使用都要做到精准控制。

1 精准灌溉控制系统的关键技术研究

1.1 精准灌溉控制原理

在农业生产中，农作物灌溉是最重要的环节之一，也是最基本的一项工作。而在传统的灌溉模式下，由于没有对作物的生长环境进行实时监测和监控，导致灌溉不均衡，造成浪费。针对上述问题，结合物联网技术，本文采用智能控制，可以实现对水的精准管理，从而提高灌溉效率。通过物联网的感知功能，将采集到的数据传送到中央处理器，经过处理后发出指令，并根据实际情况调整施用量，使其达到最佳的浇灌状态[1]。而对于农产品的施肥主要是利用射频识别模块，射频识别芯片、传感器等，然后将信息发送给单片机，再由单片机分析判断，确定是否需要施肥。当土壤湿度超过设定的范围时，则自动启动喷洒农药，使之回到预设的正常值，并开始喷洒农药，直至及时补充所需的肥料为止。

1.2 精准灌溉控制模型

精准灌溉控制模型是一种基于单滴定额的控制方法，它是根据作物的实际需要，通过设定的程序自动地调节农作物的灌溉量，从而达到节水、节灌的目的而实现的一个过程。该系统的特点在于其能够在一定的范围内保证有效地节约水资源，并且能在很大程度上提高生产效率。目前，我国大部分的农产品都是以滴定额的方式进行的计量与管理，这种模式的优点就是可以对不同的农作物有很好的区分性，但是缺点也非常明显，比如说，当温度较高时就会导致水分的蒸发产生大量的浪费;当湿度较低时就会使土壤中的有机物质流失，造成土地的沙化。因此，要想解决这些问题，就要使用精准灌溉的技术，对农业用水的情况加以改善，使其更加合理。随着科技的发展与进步，越来越多的智能产品逐渐被人们所接受，例如智能测控器、智能测温测湿机等，其中，智能测控系统的出现为人们的生活带来了极大的便利和满足感。

1.3 精准灌溉控制策略

根据上述的水肥药精准灌溉控制系统的控制对象，结合物联网技术提出以下智能灌溉控制策略。1）基于物联网的“智慧农业”灌溉控制系统。该系统通过对农作物生长环境的实时监测，实现对作物的合理浇灌。在保证不影响正常施肥的情况下，尽可能减少浪费和提高效率[2]。2）基于蓝牙的无线传感器网络的精准灌溉控制系统。该系统利用蓝牙传输协议，在一定距离范围内可以将待测的数据传回上位机，并进行处理，以确保测量的精度和稳定性。同时也可将采集到的信息传回上位机，以便及时发现问题，采取相应的解决措施。3）基于物联网的“云菜屋”的精准灌溉控制系统。该系统的核心是微控制器，它包括了温度、湿度、光照度等模块以及微喷器的驱动电路。当检测到的信号被发送到微喷器时，微喷器就会自动工作，并发出指令，完成整个过程。

2 基于5G物联网背景下精准水肥药一体化灌溉控制系统需求分析

2.1 发展现状及问题分析

目前，我国精准农业生产的发展还处于初级阶段，主要包括以下几个方面：1）灌溉方式落后，传统灌溉模式依然占据主导地位。在现代科技的推动下，通过先进的科学技术和自动化设备可以实现对农作物的智能化管理，从而提高水资源的利用率，减少人力物力的浪费;2）由于水肥一体化系统的应用范围不断扩大，因此需要对其进行更加精细地控制和调节，才能满足现代化的需求;3）随着计算机技术的飞速进步，在精准灌溉过程中，采用计算机网络通信技术，能够有效地解决以往的问题并为后续的精确施肥提供参考依据。同时还能将各种传感器的数据传输至上位机，以便实时监控和处理。但就目前来看，国内对于这一领域的研究较少，且精度较低，无法达到预期的效果;而国外的一些发达国家，如美国、日本等，已经基本完成了对水肥一体化控制系统的研发与设计，并已投入实际的使用当中[3]。

2.2 系统目标

基于物联网技术的精准一体化灌溉控制系统是一种智能养鱼的系统工程，它主要包括水箱、传感器、压力控制器和调节器等部分[4]。通过对水箱的检测与分析，结合PID控制算法对水箱的实时状态进行自动调整，使其能够根据不同的水质和水量的变化而做出相应的处理动作。该系统的目标是实现对养殖池的实时监控，在保证水位稳定的情况下，减少人工用水的浪费并提高水资源利用率。本设计的目的是为水产的生产提供更加安全可靠的环境保障。该系统的核心在于微机的应用及发展，它将微机与计算机相结合，以微机为控制中心，使其具有较高的可靠性和稳定性，并能完成数据的采集以及传输，同时还可以将所测得的信息传输给电脑，以便于管理人员的观察及决策。

2.3 系统设计的主要原则

1）可靠性。在系统设计中，要充分考虑其对设备的影响和运行的稳定性、灵活性，在系统的软件和硬件的选择上，要尽可能地采用成熟的产品技术，以保证其质量。2）易维护性。系统的使用环境要求良好，便于后期的升级与扩展，并尽量减少故障的发生概率。同时，也要避免由于频繁的操作而导致的麻烦;系统的软硬件配置也应具有可扩充的功能及方便的管理方法。3）先进性、易开发及兼容性好。本设计的水肥药智能施肥控制系统在研发过程中，选用了最新的科技成果，并且能够实现对施药量的精确控制，使系统更加实用与稳定[5]。该控制系统的核心是微控制器，所以该控制系统的各个模块都能正常工作，且能满足所需的性能指标。

2.4 灌溉控制方法

通过上述分析和比较，可以看出，基于物联网技术的智能灌溉控制系统具有较高的实用性和可靠性。在农业生产中，传统灌溉模式已经不能满足当前的需求和发展，所以需要对现有的灌溉方式进行创新，以提高水资源利用率，节约用水，实现高效节水。根据作物的生长特点，结合农作物的实际情况，提出以下几种方法来实施滴灌。1）滴灌系统。在滴灌的过程中，将土壤湿度保持在一定范围内，然后将其输送到相应的管道中，最后由泵把水量输送给指定的设备并完成循环。该方案主要是依靠微喷器来控制，并且使用了先进的自动控制技术，使整个流程更加自动化，同时也大大降低了成本。2）喷淋装置。喷淋器是一种采用高压电来驱动的喷头，从而使液体从水中喷出，达到净化的目的。而当液面低于所设定的值时，则由泵把液面的压力传递给对应的设备并排出[6]。

3 基于5G物联网背景下精准水肥药一体化灌溉控制系统设计

3.1 灌溉控制管理

由于智能管理技术的应用使得水肥一体化灌溉系统更加高效，因此，在实际操作过程中，可以通过对设备进行优化，使其能够满足生产需求。具体方法如下：

1）在灌溉的开始阶段，需要对水的流量和湿度等因素充分考虑，并将其作为一个重要的参考指标，然后根据这些数据来确定相应的阀门开闭的时间和间隔，从而达到有效调节水量的目的;2）当检测到的水分超过设定的阀值时，就会发出警报，同时启动报警装置，并采取适当的措施来控制水位的下降;3）当监测到的温度低于设置的上限值时，就会自动打开抽气阀，抽气的作用是让管道内的压力降低，使之保持恒定，这样就能实现自动化的灌溉[7]。

3.2 传感器节点与主电路

传感器节点与主电路之间采用HC-SR04模块，HC-SR04是一种可编程的传感器芯片，它可以通过对单片机输出的PWM波来控制电机的转速和方向。HC-SR04的主要功能是检测是否启动水的开关信号，当水位低于设定的值时，蜂鸣器发出警报，同时将数据传输给单片机，然后单片机根据程序进行处理，最后将报警信息发送给相应的继电器，从而实现对水的实时管理。在实际操作中，需要在系统中加入一个按键用来设置不同的模式和时间，当用户使用的是手动模式或者自动模式时，就会有对应的键值，如果不存在，则直接默认为1，否则就会被强制执行，不允许再次按下，这样做的目的在于防止因人为因素导致的误动作，避免出现误报现象。在本设计中，为了方便测试，我们选择了两个独立的I/00 ，其中有三个1/0口分别用于显示当前的状态以及输入的参数[8]。

3.3 远程控制

智能喷施测控系统具有远程控制的功能特点，在农作物的生长过程中，可以实现对其进行实时监控和管理。

在农业生产中，农户可通过手机或电脑等设备随时随地地对农药的使用情况、施肥量等参数的变化信息及时获取与反馈，并根据所获得的数据来调整相应的灌溉时间和施肥量，从而保证作物的高产稳产。目前，我国大部分的养殖场都安装了计算机，但由于成本较高，普及程度较低，大多数农户都没有购买相关的软件或硬件。因此，本设计的远程控制主要是针对该体系的运行状况，如：当土温低于设定值时，自动打开水泵，将土壤湿度传感器检测到的信号输入单片机，单片机发出指令给电机，使其启动抽水泵，并同时发送报警短信。当温度达到预设值，则停止抽水，待浇水量充足后，再开启喷洒装置，待水量充足后，再灌溉至指定的区域内[9]。

3.4 通信接口

对于数据的传输和处理，需要采用多模光纤，多模光纤具有较好的抗干扰性，同时也可以保证信号的质量和可靠性，因此在进行信息采集时，多模光纤是必不可少的选择器件。

在农业生产过程中，不同作物的生长状态会产生不一样的土壤湿度情况，而这些都会影响农作物的生长状况，所以在对农田灌溉的时候要根据具体的环境来调整浇水的时间以及水量的大小，以满足实际需求。本系统的通信接口主要是由两部分组成，分别为上位机与下位机的通讯模块。其中，上位机的通信方式为串行口，它负责与PC端之间的通信;下位机的通信方式为光导仪，它将接收的实时温度、压力、光照强度等传送给上位机上，并将其显示出来，并通过串口把程序下载到单片机电路上，再将计算的值与之前的值做比较，从而判断是否应该增加或减少相应的灌溉时间。

3.5 硬件电路

本系统的硬件部分由单片机、传感器模块、继电器控制电路和电机驱动电路组成。其中，单片机是整个系统的核心部件，它提供了CPU和外设一的各种功能，通过对程序的编写来实现对数据的处理并将其显示在液晶屏上。

本设计的主要工作原理为：首先，在上位PC端设置好相应的参数值，然后将采集的信息发送给中央处理器，再由中央处理器根据设定的参数值进行分析，判断是否需要启动水泵，如果不需要，就可以关闭水泵，从而达到高效灌溉的目的;其次，当检测到的实时湿度超过预设的阀值，则开始执行报警，并发出声光提示，提醒农民及时发现水源中的污染物质，最后利用PWM脉冲输出正弦交流电，来调节继电桥的通断，使其正常运行。

3.6 实验参数设置

数据采集是精准灌溉控制系统的关键环节，在系统运行过程中，需要对传感器的工作状态进行实时检测，并根据监测到的信息对相应的阀门和水箱的开关信号做出调整。在本项目中，主要通过以下几点来实现对不同作物的智能施肥。

1）施肥间隔时间的设定：本节只考虑了土壤湿度、光照度等因素，而不涉及其他环境条件。因此，可以将农作物的施肥周期设置为10天，而不包括温度、压力等。同时，还可将农作物的生长情况与肥料的配比关系作为调节变量。2）喷滴距离的设置：为了保证喷滴器的稳定性和可靠性，应尽量选择较近的喷滴器以便于控制。但由于实际操作中，受天气影响较大，容易出现故障，所以应注意。此外，还应尽可能减少使用辅助装置。3）施药量的确定：在试验前，要先了解所测的土体的含水量，然后再计算出所需的灌量，最后再把灌好的土样装入容器内。

4 结束语

本项目在智能供应链管理的基础上，结合物联网技术，实现对农产品的精准施肥。通过物联网采集和处理数据，进行优化组合，从而达到提高效率的目的。同时，还可以根据不同作物的生长规律选择合适的肥料品种，以满足农作物的需求。最后，还可将整个过程的信息反馈给用户，以便于及时调整灌溉方式。

参考文献：

[1] 祁焕军，雷晓婷，雷金银，等.宁南山区芹菜水肥药一体化试验研究[J].节水灌溉，2022（3）：92-97.

[2] 叶元高，刘喜钰.武夷山生态茶园推广水肥药一体化技术[J].福建茶叶，2021，43（10）：26，93.

[3] 蒲昌权，何才智，张乃华.柑橘果园水肥药一体化防治面源污染技术集成研究[J].南方农业，2021，15（22）：87-91.

[4] 徐灿，刘霓红，程俊峰，等.基于蠕动泵的水肥药一体化装备设计与试验[J].农机化研究，2022，44（4）：63-70.

[5] 董微，张晓文，封喜雷，等.叶根菜水肥药一体化装置设计与试验[J].农业工程，2021，11（2）：34-37.

[6] 杨荆，于家旋，任昊宇，等.移动式果园水肥药一体化装置决策和控制系统设计[J].中国农机化学报，2020，41（10）：197-202.

[7] 刘新红.冀东小拱棚生姜水肥药一体化管控安全生产技术[J].蔬菜，2020（9）：72-74.

[8] 张志明，张维杰，韩文智.基于嵌入式水肥药一体化系统的研究[J].农业技术与装备，2020（5）：48-50.

[9] 崔荣美.日光温室蔬菜水肥药一体化技术[J].农家参谋，2020（14）：52.

【通联编辑：代影】