設(shè)施蔬菜水肥一體化智能控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

胡靈云，張曉晶，張圣微，姚丁文，楊晨曦

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程建筑學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010018）

近年來，我國(guó)的蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，尤其在自然氣候條件較差的地區(qū)，設(shè)施農(nóng)業(yè)成為人們“菜籃子”需求的重要保障[1]。我國(guó)設(shè)施蔬菜水肥管理普遍存在“高水高肥”、灌水施肥方法粗放、時(shí)間隨意等問題，沒有按照蔬菜各生育期對(duì)水肥的需求規(guī)律補(bǔ)充水分和養(yǎng)分，使得水肥利用率低，未被作物利用的水肥進(jìn)入地下水，造成環(huán)境污染或引起土壤次生鹽堿化。我國(guó)化肥用量高居世界第一，但肥料利用率僅30%；人均水資源量?jī)H為世界平均水平的1/4，灌溉水利用率僅0.6；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在資源不足與浪費(fèi)嚴(yán)重并存的現(xiàn)象，急需提高水肥利用率[2]。蔬菜生產(chǎn)對(duì)施肥和灌溉要求高，按作物需求提供養(yǎng)分和水分不但可以提高產(chǎn)量、品質(zhì)，也可提高水肥利用率和效益，減少環(huán)境污染[3]。

利用微灌技術(shù)，達(dá)到精準(zhǔn)灌溉施肥、提高水肥利用率的目的[4]。由于我國(guó)設(shè)施蔬菜種植多為一家一戶分散經(jīng)營(yíng)，規(guī)模小、蔬菜種類多，目前水肥一體化設(shè)備價(jià)格較高、多用于種植面積較大的地方，造成設(shè)備投放使用困難[5]。因此，研發(fā)價(jià)格合理、操作和管理便捷、因地制宜、適用于大棚的小型設(shè)施蔬菜水肥一體化設(shè)備，根據(jù)水土情況與作物需求配置施肥液體，通過水肥智能控制系統(tǒng)，采取定時(shí)、定量、定向的灌水施肥方式，能減少肥料揮發(fā)、流失，實(shí)現(xiàn)集中施肥和平衡施肥，對(duì)實(shí)現(xiàn)蔬菜灌溉、施肥的精準(zhǔn)管理、減少農(nóng)業(yè)面源污染具有實(shí)用價(jià)值。

1 設(shè)施蔬菜水肥一體化智能控制系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)設(shè)施蔬菜管理要求，水肥一體化智能控制系統(tǒng)主要由設(shè)施灌溉施肥系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中設(shè)施灌溉施肥系統(tǒng)包括：水源、動(dòng)力（水泵）、壓力表、過濾器和施肥器、肥料罐、干支管及毛管（滴灌管等）；信息采集系統(tǒng)包括：溫度傳感器、濕度傳感器（空氣）、土壤水分傳感器、養(yǎng)分傳感器、管道壓力等；控制系統(tǒng)包括：信息顯示、灌水定額計(jì)算模塊、施肥量計(jì)算模塊、灌溉決策系統(tǒng)和施肥決策系統(tǒng)、閥門控制系統(tǒng)等，通過實(shí)時(shí)采集作物生長(zhǎng)環(huán)境溫度、濕度、土壤含水量和養(yǎng)分信息，結(jié)合不同作物不同生長(zhǎng)期需水需肥指標(biāo)，控制設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)灌水和施肥，提供準(zhǔn)確施肥和灌溉服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)按作物所需“喂養(yǎng)”的目的。

圖1 設(shè)施蔬菜水肥一體化智能控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated intelligent control system of water and fertilizer for facility vegetables

系統(tǒng)基于云計(jì)算、節(jié)水灌溉原理和植物營(yíng)養(yǎng)原理，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)電一體化基礎(chǔ)理論和管理技術(shù)手段，通過相關(guān)設(shè)備、管理系統(tǒng)，檢測(cè)環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)，并根據(jù)作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)及生長(zhǎng)過程中對(duì)水分、養(yǎng)料的需求量，做出相關(guān)決策和控制，達(dá)到信息采集、傳輸、管理與設(shè)施控制、自動(dòng)化灌水施肥控制于一體的目的。

2 工藝技術(shù)

2.1 工藝設(shè)計(jì)思路

水肥一體化智能控制系統(tǒng)通過大棚中布設(shè)的土壤水分、養(yǎng)分傳感器及溫度濕度傳感器，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的土壤養(yǎng)分、水分等數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC中進(jìn)行檢測(cè)，由PLC通過云平臺(tái)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，通過內(nèi)置軟件處理數(shù)據(jù)，結(jié)合作物生長(zhǎng)狀況視覺采集信息，分析作物水分、養(yǎng)分狀況，根據(jù)設(shè)置的判別標(biāo)準(zhǔn)，確定是否需要灌溉、施肥及灌水量、施肥種類及施肥量，并將決策結(jié)果反饋到PLC；通過PLC控制系統(tǒng)自動(dòng)打開灌溉施肥系統(tǒng)的電磁閥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉、施肥。當(dāng)各傳感器數(shù)值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，可以自動(dòng)停止灌溉施肥。

2.2 智能控制系統(tǒng)

信息采集部分，通過無線傳感器結(jié)合協(xié)議形式與將所采集的信息傳輸至PLC，該傳輸模式的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)連接多個(gè)傳感器并采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，省去傳感器的各種連接線，降低了設(shè)備的安裝要求，并提高了整套裝備運(yùn)行的可靠性。由于溫室大棚作物定植后，灌溉施肥系統(tǒng)及通風(fēng)降溫等設(shè)備均已固定，在PLC輸出方面這里都采用直接連接線的方式，方便控制各種設(shè)備（見圖2）。PLC通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器，由服務(wù)器(WEB服務(wù)器)對(duì)云端服務(wù)器發(fā)送GET/POST請(qǐng)求，云端服務(wù)器收到請(qǐng)求后作出響應(yīng)，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，WEB服務(wù)器將獲取到的數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)與云端無縫對(duì)接，將信息返回PLC后，對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)灌水施肥。

圖2 設(shè)施蔬菜智能水肥一體控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of integrated control system of intelligent water and fertilizer for facility vegetables

系統(tǒng)通過485通訊線將觸摸屏與PLC連接，用戶在終端可直觀的看到當(dāng)前大棚作物種植的各種數(shù)據(jù)，工作模式為自動(dòng)、手動(dòng)模式，2種模式相輔相成，由用戶自行確定。自動(dòng)模式下，由智能控制系統(tǒng)執(zhí)行判斷并發(fā)出指令；手動(dòng)模式下，用戶通過登錄賬號(hào)進(jìn)入控制系統(tǒng)，切換到手動(dòng)控制模式。根據(jù)觸摸屏上的相關(guān)控制按鍵，顯示所需數(shù)據(jù)及大棚中施肥罐和滴灌管進(jìn)行施肥灌溉等。

2.3 系統(tǒng)核心部件技術(shù)參數(shù)及工作方式

2.3.1 溫濕度傳感器

土壤溫濕度采用RS485數(shù)字溫濕度傳感器測(cè)定，技術(shù)參數(shù)詳見表1。溫度傳感器采用熱敏電阻原理測(cè)量，根據(jù)種植作物設(shè)定適宜生長(zhǎng)溫度范圍，當(dāng)溫度偏離此范圍時(shí)，電阻會(huì)調(diào)整電流強(qiáng)度，間接地調(diào)整溫度；土壤水分設(shè)置RP1為水分下限預(yù)制點(diǎn)，RP2為上限預(yù)制點(diǎn)，當(dāng)水分超出（低于）設(shè)置的上限點(diǎn)（下限點(diǎn)）時(shí)，傳感器會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，將信號(hào)編碼傳至主控制器，由主控制器決定控制狀態(tài)。長(zhǎng)度不同的若干溫濕度傳感器探針插入土壤，測(cè)量不同深度的土壤水分及溫度。

表1 RS485數(shù)字溫濕度傳感器技術(shù)參數(shù)Tab.1 RS485 digital temperature and humidity sensor technical specifications

2.3.2 總控制器

設(shè)施蔬菜智能水肥一體控制系統(tǒng)的總控制器主要由PCL和顯示屏組成。數(shù)據(jù)控制臺(tái)根據(jù)預(yù)設(shè)或用戶選定的作物灌溉施肥方案，系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)采集的土壤環(huán)境溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)解析計(jì)算，對(duì)水分?jǐn)?shù)據(jù)、養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)與“合適喂養(yǎng)”狀態(tài)進(jìn)行比較，確定是否需要灌溉、施肥，如需灌溉施肥，計(jì)算灌溉施肥量，并發(fā)出指令。

2.3.3 文丘里吸肥器及電磁閥

系統(tǒng)施肥裝置采用文丘里吸肥器[6]，當(dāng)流體通過文丘里吸肥器收縮段時(shí)，由于管徑變小導(dǎo)致工作流體的一部分壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，流體速度變大，在喉部形成負(fù)壓區(qū)，待負(fù)壓達(dá)到一定值后可以把肥液罐中的肥液吸入，肥液與灌溉水混合后進(jìn)入滴灌管滴入作物根部。

灌溉及施肥量采用DC24V水用電磁閥控制，技術(shù)參數(shù)見表2。當(dāng)電磁閥處于常位時(shí)，活動(dòng)鐵芯封住導(dǎo)閥口，閥腔內(nèi)壓力平衡，主閥口封閉。當(dāng)控制端發(fā)出指令、線圈通電時(shí)，電磁力將活動(dòng)鐵芯吸上，主閥腔內(nèi)產(chǎn)生壓力差，膜片或閥杯被迅速托起，主閥口開啟。線圈斷電時(shí)，磁場(chǎng)消失，活動(dòng)鐵芯復(fù)位，導(dǎo)閥口封閉，主閥腔內(nèi)壓力平衡后，閥口關(guān)閉。

表2 DC24V水用電磁閥技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parametersof DC24V water solenoid valve

3 智能系統(tǒng)應(yīng)用

以呼和浩特市賽罕區(qū)某溫室大棚為例進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用，溫室12 m×60 m，其中種植面積約0.067 hm2，土壤為砂壤土，供試土壤的基本理化性質(zhì)見表3。

表3 供試土壤的基本理化性質(zhì)Tab.3 Basic physicochemical properties of tested soil

該農(nóng)戶近2年溫室種植的蔬菜有黃瓜、茄子、西紅柿，以黃瓜為例說明系統(tǒng)運(yùn)行過程中灌水量和施肥量的確定方法。該溫室黃瓜株距25 cm，行距80 cm，采用水肥一體化滴灌系統(tǒng)灌溉施肥，一行一管，管徑Φ16，滴頭間距25 cm，流量2 L/h。為防止滴頭堵塞采用滴灌專用水溶肥進(jìn)行水肥一體化施肥作業(yè)，其他蔬菜方案以此為參考。

3.1 灌水量的確定

黃瓜為淺根系，主要分布于表土下25～30 cm，集中于植株半徑30 cm內(nèi)，適宜土壤含水量為田間持水率的60%～90%。通過土壤水分傳感器所測(cè)得的土壤含水率及作物生長(zhǎng)階段適宜土壤含水率，根據(jù)水量平衡方程式計(jì)算溫室黃瓜的灌溉量[7，8]。溫室中無大氣降水量，采用滴灌技術(shù)無地表徑流量和深層土壤滲漏量；當(dāng)土壤含水率低于下限時(shí)灌溉，上限按作物各階段適宜含水率確定，灌水定額為：

式中：M——灌溉定額，m3/0.067 hm2；H——計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，mm；θmax、θmin——土壤體積含水率上、下限，%。

在黃瓜幼苗期根系10 cm以內(nèi)，θmin為60%θ田，抽蔓期、結(jié)果初期及盛期根系深度約30 cm，θmin為70%θ田，上限均為100%θ田；結(jié)果末期θmin為60%θ田，上限90%θ田。計(jì)算所得灌水量見表4。

3.2 施肥量的確定

施肥量通過土壤養(yǎng)分傳感器所測(cè)得的肥料含量和作物需肥量確定。黃瓜對(duì)氮、磷、鉀的需求比例一般是1∶0.56∶1.38[9]。該溫室黃瓜每0.067 hm2的目標(biāo)產(chǎn)量為10 000 kg，需要N 28～32 kg、P2O58～13 kg、K2O 36～44 kg。黃瓜結(jié)果期需肥量大，養(yǎng)分吸收量可占整個(gè)生育期吸收量的80%以上。盛果期是黃瓜養(yǎng)分需求的最大時(shí)期，也是追肥的關(guān)鍵時(shí)期，此時(shí)施肥能大幅度提高黃瓜產(chǎn)量。土壤的基礎(chǔ)肥力可以提供N 974 g、P2O580 g、K2O 2.7 kg。根據(jù)黃瓜各生育階段需肥量，由式3計(jì)算各個(gè)時(shí)期中土壤供肥量，二者的差值即為施肥量。

表4中給出了試驗(yàn)溫室黃瓜需要的施肥量，通過主控制器進(jìn)行施肥。采用水肥一體化技術(shù)，肥料利用率較高，氮肥、磷肥、鉀肥的利用效率分別為40%、25%、45%。基于目標(biāo)產(chǎn)量及黃瓜的養(yǎng)分吸收規(guī)律具體的施肥方案見下表4，以每個(gè)階段3次隨水施肥為基準(zhǔn)。

表4 黃瓜不同時(shí)期的灌水定額及施肥量Tab.4 Irrigation quota and fertilizer amount of cucumber in different periods

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

根據(jù)用戶提供的相關(guān)信息調(diào)試試統(tǒng)，在自動(dòng)模式下可以對(duì)土壤水分及養(yǎng)分的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過有線傳輸?shù)姆绞絺魉椭罰LC，云端以設(shè)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析所獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算所需的灌水施肥量并將這一信息傳導(dǎo)至PLC，PLC會(huì)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)控制不同的設(shè)備運(yùn)行，使得農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境保持最佳狀態(tài)。

在自動(dòng)模式期間，用戶可以每天觀察農(nóng)作物生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)，如果此時(shí)數(shù)據(jù)偏離理想設(shè)定值，則啟動(dòng)設(shè)備動(dòng)作進(jìn)行補(bǔ)給，圖3給出了該系統(tǒng)的交互界面。針對(duì)生產(chǎn)情況隨時(shí)調(diào)整各要素。當(dāng)切換至手動(dòng)模式，用戶可以通過觸摸屏上的按鍵，控制PLC輸出端的所連設(shè)備，比如滴灌管流量，施肥罐所投放化肥含量等一系列操作，在手動(dòng)模式時(shí)傳感器依然會(huì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將會(huì)以表格的形式儲(chǔ)存下來，用戶可以將數(shù)據(jù)通過U盤等存儲(chǔ)設(shè)備導(dǎo)出，也可隨時(shí)查詢歷史數(shù)據(jù)。

圖3 設(shè)施蔬菜智能水肥一體控制系統(tǒng)交互界面Fig.3 Interactive interface of integrated control system of intelligent water and fertilizer for facility vegetables

采用Modbus協(xié)議將PLC和物聯(lián)網(wǎng)云盒子相連，將數(shù)據(jù)經(jīng)4G網(wǎng)絡(luò)傳遞到電腦端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，體現(xiàn)智能種植一體化。與此同時(shí)可以使用手機(jī)小程序監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及生長(zhǎng)狀態(tài)，隨時(shí)隨地即可種植，減輕勞動(dòng)力并縮短務(wù)農(nóng)時(shí)間，幫助用戶找到最佳作物生長(zhǎng)環(huán)境，提高大棚種植的經(jīng)濟(jì)效益，更加體現(xiàn)精準(zhǔn)種植優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于不同的溫室規(guī)模、作物等，該系統(tǒng)可根據(jù)種植情況及作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)灌溉施肥模式，通過自動(dòng)采集土壤信息，確定作物所需的灌溉量、灌溉頻次、施肥量等技術(shù)指標(biāo)的個(gè)性化技術(shù)指導(dǎo)服務(wù)和跟蹤反饋，實(shí)現(xiàn)設(shè)施蔬菜精準(zhǔn)灌溉施肥，使溫室環(huán)境保持在作物生長(zhǎng)所需的最佳條件。

4 結(jié)語

根據(jù)我國(guó)北方設(shè)施蔬菜種植多為分散經(jīng)營(yíng)、規(guī)模小、蔬菜種類多的特點(diǎn)，開發(fā)了設(shè)施蔬菜智能水肥一體控制系統(tǒng)，并在內(nèi)蒙古呼和浩特呼和浩特市賽罕區(qū)溫室黃瓜種植中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，得到以下主要結(jié)論。

（1）設(shè)計(jì)研發(fā)了設(shè)施蔬菜水肥一體化智能控制系統(tǒng)，主要由設(shè)施灌溉施肥系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，通過實(shí)時(shí)采集作物生長(zhǎng)環(huán)境溫度、濕度、土壤含水量和養(yǎng)分信息，結(jié)合不同作物不同生長(zhǎng)期需水需肥指標(biāo)，精準(zhǔn)灌水和施肥，提供準(zhǔn)確施肥和灌溉服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)按作物所需“喂養(yǎng)”作物。

（2）通過內(nèi)蒙古呼和浩特市賽罕區(qū)某溫室大棚黃瓜種植進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，系統(tǒng)根據(jù)溫室種植條件、土壤特性、作物特征和作物產(chǎn)量模式等，在自動(dòng)模式下采集所需土壤信息數(shù)據(jù)，通過有線傳輸至PLC，由PLC對(duì)所采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)，云端以設(shè)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析所獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算所需的灌水施肥量并將這一信息反饋至PLC，PLC根據(jù)收到的數(shù)據(jù)控制不同的設(shè)備動(dòng)作，使作物生長(zhǎng)環(huán)境保持最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)施蔬菜精準(zhǔn)灌溉施肥。