設(shè)施草莓精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫昌權(quán)，黃 鋒

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇句容 212400）

0 引言

中國(guó)耕地面積約占世界耕地面積的9%，人口約占世界人口的21%，人口與耕地面積的不平衡關(guān)系日益加重[1]。隨著我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，水肥資源浪費(fèi)現(xiàn)象愈加突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年我國(guó)化肥產(chǎn)量6 620萬 t/年，化肥施用量4 124萬 t/年，總產(chǎn)量和總消費(fèi)量均占世界的1/3以上，單位面積農(nóng)用化肥施用量434.4 kg/hm2，是國(guó)際公認(rèn)單位面積施肥量安全上限的1.93倍[2]。過度施用肥料導(dǎo)致土壤次生鹽漬化和酸化、土壤營(yíng)養(yǎng)失衡、產(chǎn)量和品質(zhì)下降，嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

針對(duì)以上問題，亟需加強(qiáng)水肥一體化灌溉技術(shù)研究[3-8]，開發(fā)出高效率、高精度的水肥一體化系統(tǒng)。設(shè)施產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如荷蘭、以色列等，大力推廣水肥一體化技術(shù)，其中以色列的耐特菲姆（NETAFM）公司研制的Netajet系列施肥機(jī)，目前已發(fā)展到第四代，配合其自主研發(fā)的模擬肥料閥，保證施肥機(jī)輸出肥水的EC和pH值一致。我國(guó)隨起步較晚，但是也取得了許多高質(zhì)量的成就，其中劉永華、沈明霞等人利用CFD仿真對(duì)文丘里吸肥器進(jìn)行模擬優(yōu)化，經(jīng)過試驗(yàn)相對(duì)傳統(tǒng)吸肥器在吸肥流量等方面顯著提升[9]。

筆者基于目前現(xiàn)有技術(shù)，結(jié)合設(shè)施草莓水肥供應(yīng)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)和開發(fā)設(shè)施草莓精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于作物生長(zhǎng)過程對(duì)水分和肥料的動(dòng)態(tài)需求，精確控制灌水流量、施肥流量及時(shí)間，并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物遠(yuǎn)程水肥管理與監(jiān)控，可以有效提高水肥資源利用率，提高養(yǎng)分的有效性，有助于提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，節(jié)省資源、減少環(huán)境污染、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者根據(jù)市場(chǎng)上已有的產(chǎn)品和現(xiàn)有技術(shù)，結(jié)合用戶需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。如圖1為設(shè)備的三維設(shè)計(jì)圖，該設(shè)備外框使用鋁型材搭建、混合桶使用不銹鋼材料防止?fàn)I養(yǎng)液腐蝕、控制箱使用防火的有機(jī)材料。智能精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)備設(shè)計(jì)三路吸肥，EC、pH、流量等數(shù)據(jù)采集，最大程度上實(shí)現(xiàn)作物的智能水肥一體化管理。

圖1?三維設(shè)計(jì)圖

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括供肥系統(tǒng)、灌溉施肥回路系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)備實(shí)物圖如3所示。

供肥系統(tǒng)包括母液桶、酸液桶、堿液桶、過濾器、電磁閥、文丘里吸肥器、混合罐等。配肥過程，由文丘里吸肥器將母液罐、酸液罐、堿液罐中的溶液吸入混合罐內(nèi)，PLC控制系統(tǒng)通過控制電磁閥的通斷時(shí)間，改變占空比，從而調(diào)整母液、酸堿液的吸入量。

控制系統(tǒng)包括PLC、模擬量模塊、智能遠(yuǎn)程控制器、觸摸屏等。其中PLC作為控制執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對(duì)離心泵、電磁閥的關(guān)斷，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)噴灌量、配肥濃度等。模擬量模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的周期性采集，并對(duì)采集信息進(jìn)行分析處理。PLC通過串口1與觸摸屏進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控，同時(shí)通過串口2實(shí)現(xiàn)與智能遠(yuǎn)程控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)WEB端的數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)下置。

圖3?智能精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)備實(shí)物圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)配肥軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制指令由專家控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)發(fā)出，其中專家控制系統(tǒng)布置在云服務(wù)器端，其生成的控制指令由遠(yuǎn)程控制器轉(zhuǎn)發(fā)至PLC中，如圖4所示為系統(tǒng)控制流程圖。系統(tǒng)判斷EC、pH值是否在允許范圍內(nèi)，如果EC值低于下限則增大施肥閥流量，如果EC值高于上限則減少施肥閥流量；如果pH值低于下限增加堿性調(diào)節(jié)液，如果pH值高于上限增加酸性調(diào)節(jié)液。

在手動(dòng)模式下，系統(tǒng)可控部件依靠操作人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行水肥管理。在設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)時(shí)，需將水泵與灌溉電磁閥做電氣互鎖，保證至少有一路灌溉區(qū)域打開時(shí)，水泵被允許工作，防止灌溉系統(tǒng)因無法出水導(dǎo)致出水回路壓力過大，損壞設(shè)備。

自動(dòng)模式下，PLC控制系統(tǒng)按照自動(dòng)控制程序，并結(jié)合專家系統(tǒng)給的控制決策，進(jìn)行動(dòng)態(tài)水肥管理。

圖4?系統(tǒng)控制流程圖

2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由本地觸摸屏和計(jì)算機(jī)WEB端兩個(gè)人機(jī)交互端口。其中本地觸摸如圖5所示，可選擇手自動(dòng)切換，其中自動(dòng)模式下是按照預(yù)先在PLC控制器中編寫的邏輯控制指令運(yùn)行，手動(dòng)狀態(tài)下可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前灌溉施肥設(shè)備的工作狀態(tài)及水肥信息，對(duì)水泵、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)控制。WEB端水肥管理頁(yè)面如圖6所示，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水肥管理運(yùn)維，極大地提高了生產(chǎn)效率。

圖2?智能精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)備機(jī)械本體結(jié)構(gòu)示意圖

圖5?本地觸摸屏操作界面

圖6?WEB端管理界面

3 系統(tǒng)測(cè)試

以江蘇農(nóng)博園草莓基地溫室高架基質(zhì)栽培草莓為研究對(duì)象，使用研發(fā)的智能精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)備控制不同的出水量、配肥量，分別探究低水低肥、低水中肥、中水中肥、中水高肥等不同水肥量對(duì)草莓單果質(zhì)量、產(chǎn)量等產(chǎn)生的影響。

3.1 材料與方法

3.1.1?實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)于2020年9月—2020年4月在江蘇農(nóng)博園草莓基地的玻璃溫室大棚中進(jìn)行。該溫室建筑全部采用鋼架結(jié)構(gòu)加鋼化雙層玻璃，溫室內(nèi)草莓種植模式采用高架基質(zhì)栽培，其栽培模式如圖7，栽培槽上方鋪設(shè)PE管用于滴灌，滴灌所需的水肥由智能精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)備供應(yīng)。

圖7?高架基質(zhì)栽培模式

3.1.2?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

草莓試驗(yàn)選用N、P2O5、K2O比例為14：6：30的復(fù)合肥。本試驗(yàn)的草莓品種“紅顏”是日本靜岡縣用章姬與幸香雜交育成的早熟栽培品種良種，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)兩個(gè)變量因素：3種滴灌量（低水W3：50%、中水W2：75%、高水W1：98%）3種施肥量（低肥：1 321.46 kg/hm2、中肥：1 733.15 kg/hm2、高肥F1：2 198.79 kg/hm2），分別探究：W1F1、W1F2、W1F3、W2F1、W2F2、W2F3、W3F2、W3F1、W3F2、W3F3十組變量對(duì)草莓產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，每組變量設(shè)計(jì)十株草莓苗共100株苗，一隴種植20株共5隴，考慮到草莓對(duì)生長(zhǎng)空間的需求，每株苗間距25 cm。

草莓苗于2020年9月7日定植，智能精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)備控制系統(tǒng)，控制出水量與施肥量，實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓苗的精準(zhǔn)灌溉施肥與水肥管理。環(huán)境信息監(jiān)測(cè)終端對(duì)溫室環(huán)境信息進(jìn)行周期監(jiān)測(cè)，如圖8所示為溫室安裝的環(huán)境信息監(jiān)測(cè)終端，可以監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤墑情等信息。

圖8?環(huán)境監(jiān)測(cè)終端

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過對(duì)比，100株草莓產(chǎn)量、品質(zhì)各不相同。草莓產(chǎn)量由大到小依次為F1、F2、F3；草莓品質(zhì)由大到小依次為G1、G2、G3。在同等施肥量下，在高肥和低肥處理時(shí)的產(chǎn)量隨灌水量的增加而上升。

在草莓生長(zhǎng)階段，參考安裝在智能溫室大棚的環(huán)境傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，調(diào)整營(yíng)養(yǎng)液濃度、灌溉時(shí)間和灌溉量，根據(jù)草莓變化的生長(zhǎng)情況做出響應(yīng)的調(diào)整，同時(shí)采集的PH值、EC值參數(shù)保持在PC機(jī)中，繪制AB液系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如9所示。

可知增加灌水量可以提高草莓的單果質(zhì)量和產(chǎn)量，減少灌水量有利于增加草莓的可溶性固形物含量、維生素C、含量及水肥利用效率，中等灌溉水平有利于草莓可溶性糖含量、糖酸比和可溶性蛋白質(zhì)含量提升；較低施肥量可以提升草莓的品質(zhì)及水分利用效率，中等施肥水平有利于增加草莓的單果質(zhì)量、產(chǎn)量和肥料利用效率。

圖9?AB液系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

3.2.2?結(jié)果分析

傳統(tǒng)草莓種植模式，主要依靠人工進(jìn)行水肥管理。不僅費(fèi)時(shí)、肥力而且灌溉施肥精度不高，容易造成作物徒長(zhǎng)。經(jīng)過三個(gè)月實(shí)驗(yàn)栽培，使用智能精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)備的草莓苗與傳統(tǒng)種植模式下的生長(zhǎng)情況草莓的可溶性糖含量、糖酸比和可溶性蛋白質(zhì)含量的對(duì)比表如表1所示?？芍褂弥悄芫珳?zhǔn)灌溉施肥設(shè)備與傳統(tǒng)人工灌溉施肥在各方面都有較好的表現(xiàn)。

表1?四種水肥模式下的草莓營(yíng)養(yǎng)成分表