溫室智能裝備系列之八十三溫室園藝便攜式遙控施肥機的設(shè)計

馬偉+宋健+王秀

（北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097）

【摘要】針對溫室園藝肥料多采用露天沖施導(dǎo)致利用率低、浪費嚴(yán)重的問題，本文通過充電蓄電池動力和遙控信號終端調(diào)節(jié)水泵的方法，采用肥料注射混合技術(shù)，實現(xiàn)面向溫室園藝的便攜式遙控施肥功能，精度和效率顯著提高。

背景

溫室園藝施肥多采用露天沖施的方式，存在利用率低、浪費嚴(yán)重的問題，新型沼液營養(yǎng)液的引入，對于提高作物品質(zhì)有很大幫助，但對施肥的設(shè)備也提出了更高的要求。精準(zhǔn)控制液體肥料，并按照作物需求投放到根部，是解決這一矛盾的關(guān)鍵點。通過開發(fā)專門的智能施肥農(nóng)用機具，并與滴灌、小管出流和機具等已有的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)設(shè)施相結(jié)合，可提高施肥精準(zhǔn)度和智能化水平，同時由于溫室環(huán)境的限制，如何快速實現(xiàn)施肥機的便攜化和可控性便成為了研究熱點。

原理

溫室園藝便攜式遙控施肥機采用充電蓄電池作為動力，在溫室中完成肥料溶液過濾、加壓和噴射，采用緊湊型結(jié)構(gòu)，方便攜帶以及搬運。采用施肥泵精準(zhǔn)控制，能解決作物施肥無法精確定量、均勻施肥的難題。該裝置控制系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)控制，可遠(yuǎn)程發(fā)送信號控制溫室園藝灌溉施肥作業(yè)，并根據(jù)溫室缺水信息，分區(qū)域自動調(diào)節(jié)水肥用量，實現(xiàn)按需給肥、按需給水，確保作物生長健康，節(jié)水增收。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝置采用鋼板折彎成三角形結(jié)構(gòu)，具有很好的抗壓能力。左側(cè)的支撐板通過螺栓與主安裝板固定，蓄電池的內(nèi)置可以實現(xiàn)蓄電池的方便更換以及可以有效延長蓄電池的壽命。通過電動水泵對沼液等營養(yǎng)液進(jìn)行直接加壓，注射進(jìn)水管支路中，實現(xiàn)營養(yǎng)液的水肥一體化作業(yè)。

管路設(shè)計

施肥機采用便攜式電動裝置，可實現(xiàn)營養(yǎng)液的電動注入以及移動使用，設(shè)計原理見圖1。其通過壓力傳感器能檢測到系統(tǒng)的壓力值，恒壓裝置實現(xiàn)注肥壓力的恒定，避免壓力的相對波動。肥料母液從進(jìn)水口快接處被定量抽入施肥機中，經(jīng)過雙層過濾后被水泵加壓，流向出水口快接，進(jìn)入灌溉管路。通過設(shè)置有恒壓模塊的水泵出水口，可以對水壓進(jìn)行檢測，當(dāng)水壓波動太大時，自動控制水泵進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)水泵加壓后營養(yǎng)液的恒壓注射。主管路的水流壓力發(fā)生變化時，施肥濃度會有波動，通過固定在壓力傳感器和出水口快接之間的調(diào)壓閥自動回流部分營養(yǎng)液，實現(xiàn)濃度的相對穩(wěn)定。裝置實物圖見圖2。

軟件設(shè)計

基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)施肥控制軟件，通過遠(yuǎn)程無線信號將施肥指令發(fā)送給便攜施肥機的控制器，控制器根據(jù)無線信號調(diào)節(jié)施肥效率以及施肥開關(guān)，可實現(xiàn)無人值守的施肥量變量調(diào)節(jié)，也可通過無線信號使蓄電池進(jìn)入休眠狀態(tài)，并自動加鎖，使電源無法使用，提高電池的壽命。軟件界面如圖3所示。

控制器將接收到的手機APP等終端無線控制信號，進(jìn)行糾錯及檢驗后，并根據(jù)信號通過脈沖控制施肥泵的流量線性變化，實現(xiàn)施肥的變量控制。當(dāng)營養(yǎng)液流量的變化信息反饋給控制器后，根據(jù)施肥濃度的比例系數(shù)，調(diào)節(jié)主管道的水流量，實現(xiàn)營養(yǎng)液濃度的恒定不變，同時控制器也可直接關(guān)閉水泵，發(fā)送信號給主管道電磁閥，實現(xiàn)主管路的關(guān)閉。軟件專門設(shè)計節(jié)能策略，軟件發(fā)送指令給控制器來驅(qū)動蓄電池主電路接觸器全部斷開，實現(xiàn)所有電路的切斷，然后每隔1星期發(fā)出信號，根據(jù)控制器的喚醒策略，使得接觸器閉合，啟動水泵轉(zhuǎn)動20 s，實現(xiàn)蓄電池的定期負(fù)載放電，使蓄電池有條件的休眠，提高壽命3倍以上。

應(yīng)用

便攜式遙控施肥機在北京密云、平谷等地的溫室和園藝基地進(jìn)行推廣應(yīng)用，見圖4。其施肥效率可達(dá)到傳統(tǒng)施肥方式的3～6倍，大幅度節(jié)省施肥時間，并有利于沼液的循環(huán)利用。經(jīng)過多重過濾去除沼渣的沼液可直接利用，為沼液對設(shè)施蔬菜和果樹的精準(zhǔn)栽培，探明了一個好的方法。