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摘要研究设计出一套番茄生产高效、高产的自动化水肥一体化精准灌溉系统。该系统采用先进的微电脑技术、传感器技术，以高性能的单片计算机为核心，配合研究设定的番茄不同生长阶段所需肥水阈值，通过智能手机终端应用软件（APP）控制，实现番茄水肥一体化智能精准灌溉。该智能系统可以有效地提高温室番茄生产力和肥水利用效率，节约肥水资源的使用量，为现代农业生产提供有力的技术支撑。
关键词番茄；水肥一体；智能系统；精准灌溉
中图分类号S126文献标识码A文章编号0517-6611（2017）21-0208-03
Study on Intelligent Irrigation System for Precise and Integration of WaterFertilizer in Tomato Production
CHEN Zhi1，ZHAO Chengping2，LIU Xiaoguang1，CHEN Shengping1* et al
（1.Tangshan Research Institute of Agricultural Science，Tangshan，Heibei 063001；2.College of Life Sciences，Shanxi Agricultural University，Taigu，Shanxi 030801）
AbstractThe author studied and designed a set of tomato production and high efficiency，high yield and the automation of precision and irrigation control system.The system adopts advanced microcomputer technology，sensor technology，highperformance single chip computer as the core，setting of tomatoes and waterfertilize valve values for different growth stage，precision irrigation tomato in intelligence was realized by the intelligent mobile terminal APP control.The intelligent system can effectively improve tomato productivity and waterfertilize used efficiency in the greenhouse，save water resource usage，and provide strong technical support for modern agricultural production.
Key wordsTomato；Integration of waterfertilizer；Intelligent system；Precision irrigation
番茄作为我国以及世界上重要的日常蔬菜作物，是其他蔬菜无法取代的，温室番茄种植是现代农业一个重要的组成部分，大力发展温室番茄产业，对我国这样一个人口大国而言具有极大的战略意义[1-2]。目前我国温室番茄管理水平落后，大多控制系统采用定时控制或者手动控制方式，在灌溉管理方面，通常存在浇水不及时、不均、灌水不足或过量灌水等现象，造成番茄品质下降、水肥浪费和病虫害发生严重等问题。随着灌溉技术发展，国内部分地方温室实现了节水灌溉技术，通过这种节水灌溉方式，提高水分利用效率[3-5]。无线电子技术的发展进一步发挥节水灌溉潜力，有效地提高了水资源利用效率[6-8]，但是对该项技术尚缺少深入的研究。笔者在前人研究的基础上，根据番茄生长周期需求，研制设计出一套番茄生产高效、高产的水肥一体化智能精准灌溉系统。该系统采用先进的微电脑技术[9-12]、传感器技术[13]，以高性能的单片计算机为核心，配合研究设定的番茄不同生长阶段所需肥水阈值[14-16]，通过智能手机终端应用软件（APP）控制，实现番茄水肥一体化智能精准灌溉，为高产、优质、高效、安全的现代农业生产提供有力的技术支撑。
1控制系统构成
番茄水肥一体化智能精准灌溉系统设计由5部分构成：水肥监测系列传感器、系统控制器、数据网络、服务器（Server）、手机端APP组成（如图1所示）。精准灌溉系统通过传感器采样方式获取土壤的湿度、氮磷钾等养分浓度、空气温湿度、室内风量等参数，通过数据网络传输到Server及手机软件APP端。用户通过手机软件APP实时监测番茄生长环境，并根据获得的实时生长环境参数进行水、肥、空气湿度、温度等的调节，其中，温室的湿度和温度由系统控制器驱动风机调节，水分和肥料由系统控制器驱动滴灌系统进行调节。
1.1系统控制器
系统控制器由10部分组成，其核心采用高性能芯片系統，外围由9个电路模块及传感器组成，分别为STC单片机系统；电源模块；实时时钟电路；3G模块；液晶显示及键盘电路；氮磷钾检测传感器；风量传感器；温湿度传感器；土壤湿度传感器；风机及滴灌系统驱动（如图2所示）。
1.1.1
STC单片机系统。控制器以高性能的8位STC单片机为核心，主控程序采用嵌入式程序设计，考虑了现场变频器、软启动等强干扰源对控制器本身的电源干扰及辐射影响，主控程序设计上具有强大的抗干扰措施，保证稳定可靠，实现接收3G模块从手机软件APP所发送的指令，读取时钟电路、键盘电路、土壤传感器电路数据，根据手机软件APP指令及自身判断，通过LED显示电路显示各种指示参数及开关态信息等，并且根据手机软件APP指令驱动功率开关电路对风机及滴灌系统进行开关操作。 1.1.2电源模块。电源电路开关采用稳压电源芯片，输入输出均加入滤波电路，抗干扰能力很强。
1.1.3实时时钟电路。以高性能芯片为核心，结合数据采集电路、信号输出电路、实时时钟电路、系统监控电路组成。
1.1.43G模块。通过3G互联网通讯模块负责将手机软件APP各种指令以及Server端所发出的指令通过移动互联网进行上下行传输；实现从智能手机客户端到现场智能电源控制器的控制。
1.1.5液晶显示及键盘电路。控制器的开关状态显示，传感器参数的显示，设备运行状况显示等。
1.1.6氮磷钾检测传感器。对于土壤里面氮磷钾离子浓度参数进行实时监测。
1.1.7风量传感器。系统控制器根据空气中温度及湿度以及时间来判断温室是否需要换风。控制器根据流量传感器数值，然后计算风机孔面积计算出新风量。
1.1.8温湿度传感器。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号，具有良好的品质、很快的响应速度、较强的抗干扰能力。传感器包括1个测湿敏感元件、1个测温元件，湿度测量范围：相对湿度0～100%，温度测量范围：-40～105 ℃。
1.1.9土壤湿度传感器。采用电阻法测量土壤湿度。
1.1.10风机及滴灌系统驱动。风机和滴灌系统的运行采用继电器（自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行）开关控制模式。
1.2控制器外观
如圖3所示，控制器外壳尺寸为宽500 mm，厚300 mm，高600 mm，尺寸可根据需要微调，外壳上层右上角需要留出一个红外接收孔。
2软件流程
如图4所示，系统通电后首先进行自检，自检通过后，控制器通过3G模块和用户手机APP互联，同时温室内部各种传感器实时进行采样，当控制器收到手机端指令时，即按照手机发出指令进行动作，如开启滴灌或者开启风机等，如果控制器不能够收到来自于手机APP端指令，则控制器依据前次设置或出厂设置，按内部预定数学模型进行精准灌溉。
3技术关键
3.1手机APP和现场控制器互联技术
网络地址转换（NAT）设备采用的类型对TCP穿越NAT十分重要，根据端口映射方式，NAT可分为4种类型：全克隆（ Full Cone）、限制性克隆（Restricted Cone）、端口限制性克隆（ Port Restricted Cone）、对称式NAT（ Symmetric NAT）。前3种NAT类型可统称为cone类型。该研究设计的番茄水肥一体化智能精准灌溉系统NAT设备采用的类型为第4种类型，第4种类型的NAT优点在于当同一内部主机使用相同的端口与不同地址的外部主机进行通信时，NAT对该内部主机的映射会有所不同。对称式NAT不保证所有会话中的私有地址和公开IP之间绑定的一致性。相反，它为每个新的会话分配一个新的端口号。
安徽农业科学2017年
3.2传感器技术配合番茄不同生长周期所需的精准灌溉技术
利用氮磷钾离子传感器及土壤湿度传感器，能够感知在番茄生长的不同时期土壤肥料等参数，然后依据温室空气参数，配合风机进行定时定量换风，利用自创的数学模型，结合滴灌系统为番茄提供一整套精准水肥滴灌[17-20]，为温室番茄提供一个理想的生长环境。不但节省了肥料，而且增加了产量。
4结语
该研究设计的智能系统可以有效地提高温室番茄生产力和肥水利用效率，节约肥水资源的使用量。手机APP和现场控制器互联技术为农业发展方式提供新途径、新方法，是现代农业发展的新方向、新趋势。通过传感器技术配合番茄不同生长周期所需的精准灌溉技术提升了番茄温室生产智能化、精准化、自动化水平，实现节本增效。
参考文献
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[6] 刘晓，张一铭，黄文强，等.基于AT89C51的节水灌溉系统设计[J].机械工程与自动化，2016（2）：184-186.
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[10] 张成涛，谭彧，吴刚，等. 基于无线传输方式的农业装备共性参数测控系统研究[J].农业机械学报，2010，41（S1）：257-262.
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关键词番茄；水肥一体；智能系统；精准灌溉
中图分类号S126文献标识码A文章编号0517-6611（2017）21-0208-03
Study on Intelligent Irrigation System for Precise and Integration of WaterFertilizer in Tomato Production
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AbstractThe author studied and designed a set of tomato production and high efficiency，high yield and the automation of precision and irrigation control system.The system adopts advanced microcomputer technology，sensor technology，highperformance single chip computer as the core，setting of tomatoes and waterfertilize valve values for different growth stage，precision irrigation tomato in intelligence was realized by the intelligent mobile terminal APP control.The intelligent system can effectively improve tomato productivity and waterfertilize used efficiency in the greenhouse，save water resource usage，and provide strong technical support for modern agricultural production.
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1控制系统构成
番茄水肥一体化智能精准灌溉系统设计由5部分构成：水肥监测系列传感器、系统控制器、数据网络、服务器（Server）、手机端APP组成（如图1所示）。精准灌溉系统通过传感器采样方式获取土壤的湿度、氮磷钾等养分浓度、空气温湿度、室内风量等参数，通过数据网络传输到Server及手机软件APP端。用户通过手机软件APP实时监测番茄生长环境，并根据获得的实时生长环境参数进行水、肥、空气湿度、温度等的调节，其中，温室的湿度和温度由系统控制器驱动风机调节，水分和肥料由系统控制器驱动滴灌系统进行调节。
1.1系统控制器
系统控制器由10部分组成，其核心采用高性能芯片系統，外围由9个电路模块及传感器组成，分别为STC单片机系统；电源模块；实时时钟电路；3G模块；液晶显示及键盘电路；氮磷钾检测传感器；风量传感器；温湿度传感器；土壤湿度传感器；风机及滴灌系统驱动（如图2所示）。
1.1.1
STC单片机系统。控制器以高性能的8位STC单片机为核心，主控程序采用嵌入式程序设计，考虑了现场变频器、软启动等强干扰源对控制器本身的电源干扰及辐射影响，主控程序设计上具有强大的抗干扰措施，保证稳定可靠，实现接收3G模块从手机软件APP所发送的指令，读取时钟电路、键盘电路、土壤传感器电路数据，根据手机软件APP指令及自身判断，通过LED显示电路显示各种指示参数及开关态信息等，并且根据手机软件APP指令驱动功率开关电路对风机及滴灌系统进行开关操作。 1.1.2电源模块。电源电路开关采用稳压电源芯片，输入输出均加入滤波电路，抗干扰能力很强。
1.1.3实时时钟电路。以高性能芯片为核心，结合数据采集电路、信号输出电路、实时时钟电路、系统监控电路组成。
1.1.43G模块。通过3G互联网通讯模块负责将手机软件APP各种指令以及Server端所发出的指令通过移动互联网进行上下行传输；实现从智能手机客户端到现场智能电源控制器的控制。
1.1.5液晶显示及键盘电路。控制器的开关状态显示，传感器参数的显示，设备运行状况显示等。
1.1.6氮磷钾检测传感器。对于土壤里面氮磷钾离子浓度参数进行实时监测。
1.1.7风量传感器。系统控制器根据空气中温度及湿度以及时间来判断温室是否需要换风。控制器根据流量传感器数值，然后计算风机孔面积计算出新风量。
1.1.8温湿度传感器。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号，具有良好的品质、很快的响应速度、较强的抗干扰能力。传感器包括1个测湿敏感元件、1个测温元件，湿度测量范围：相对湿度0～100%，温度测量范围：-40～105 ℃。
1.1.9土壤湿度传感器。采用电阻法测量土壤湿度。
1.1.10风机及滴灌系统驱动。风机和滴灌系统的运行采用继电器（自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行）开关控制模式。
1.2控制器外观
如圖3所示，控制器外壳尺寸为宽500 mm，厚300 mm，高600 mm，尺寸可根据需要微调，外壳上层右上角需要留出一个红外接收孔。
2软件流程
如图4所示，系统通电后首先进行自检，自检通过后，控制器通过3G模块和用户手机APP互联，同时温室内部各种传感器实时进行采样，当控制器收到手机端指令时，即按照手机发出指令进行动作，如开启滴灌或者开启风机等，如果控制器不能够收到来自于手机APP端指令，则控制器依据前次设置或出厂设置，按内部预定数学模型进行精准灌溉。
3技术关键
3.1手机APP和现场控制器互联技术
网络地址转换（NAT）设备采用的类型对TCP穿越NAT十分重要，根据端口映射方式，NAT可分为4种类型：全克隆（ Full Cone）、限制性克隆（Restricted Cone）、端口限制性克隆（ Port Restricted Cone）、对称式NAT（ Symmetric NAT）。前3种NAT类型可统称为cone类型。该研究设计的番茄水肥一体化智能精准灌溉系统NAT设备采用的类型为第4种类型，第4种类型的NAT优点在于当同一内部主机使用相同的端口与不同地址的外部主机进行通信时，NAT对该内部主机的映射会有所不同。对称式NAT不保证所有会话中的私有地址和公开IP之间绑定的一致性。相反，它为每个新的会话分配一个新的端口号。
安徽农业科学2017年
3.2传感器技术配合番茄不同生长周期所需的精准灌溉技术
利用氮磷钾离子传感器及土壤湿度传感器，能够感知在番茄生长的不同时期土壤肥料等参数，然后依据温室空气参数，配合风机进行定时定量换风，利用自创的数学模型，结合滴灌系统为番茄提供一整套精准水肥滴灌[17-20]，为温室番茄提供一个理想的生长环境。不但节省了肥料，而且增加了产量。
4结语
该研究设计的智能系统可以有效地提高温室番茄生产力和肥水利用效率，节约肥水资源的使用量。手机APP和现场控制器互联技术为农业发展方式提供新途径、新方法，是现代农业发展的新方向、新趋势。通过传感器技术配合番茄不同生长周期所需的精准灌溉技术提升了番茄温室生产智能化、精准化、自动化水平，实现节本增效。
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[18] 李清明，邹志荣，郭晓东，等.不同灌溉上限对温室黄瓜初花期生长动态、产量及品质的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2005，33（4）：47-51.
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