多功能水肥一體化定額灌溉施肥機的研制

摘要：多功能水肥一體化定額灌溉機是農業(yè)生產中實現(xiàn)節(jié)水灌溉、施肥、施藥等生長管理過程的專用一體化設備，具有水肥一體化的灌溉施肥施藥等多種功能。根據(jù)土壤墑情和作物生長不同階段的水肥需求，對作物定額灌溉和施肥，減少水分和肥料的使用過多浪費或過少影響作物生長的問題，可極大提高節(jié)水施肥灌溉效率。產品采用模塊化組裝，用戶可根據(jù)需要自行更換肥料輸入裝置和供水水泵，或者是用戶可使用已有的水泵，系統(tǒng)可根據(jù)用戶的水泵流量自動調整肥液濃度。具有較好的通用性。

關鍵詞：水肥一體化定額灌溉土壤墑情監(jiān)測

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.19.088

0前言

我國的水資源嚴重短缺，水資源的缺乏對我國農業(yè)的健康發(fā)展造成了極大的影響。在我國的農業(yè)生產中，農業(yè)生產灌溉用水的有效利用水平很低，特別是灌溉節(jié)水效果比較好的噴灌和滴灌等節(jié)水灌溉方式使用的面積占總灌溉面積的比例較小，絕大多數(shù)農業(yè)生產經營者還是習慣性地使用地面漫灌。推進微滴灌等節(jié)水灌溉模式的使用，特別大力發(fā)展水肥一體化的灌溉施肥技術，可以有效地減少農業(yè)生產過程中的水資源的浪費，減少肥料使用，對促進農業(yè)生產提質增效，減少化肥等肥料對土壤等的污染，整體提高農業(yè)生產力有極大的促進作用。提高灌溉用水施肥的效用，如何減少由于土壤缺乏養(yǎng)分和水、肥提供的不同步性而影響農作物產量和質量，是發(fā)展我國農業(yè)生產關鍵問題。滴灌施肥可最大限度地提升水肥利用率，根據(jù)種植的農作物在生長過程中對水肥需求特性，做到有的放矢，既能有效滿足作物生長需要，又不會過量灌溉水分和施肥，實現(xiàn)精準的農業(yè)生產的過程管理，減少管理人員，最大限度地提高農業(yè)生產的效率，通過多年的應用證明，水肥一體化技術能夠有效改善作物水肥的使用量，能夠改善作物生長的土壤狀況，改善土壤板結現(xiàn)象的發(fā)生。在作物生長過程中，有效降低設施大棚內的空氣濕度、增加地溫，減少病蟲害的發(fā)生等不利于作物生長的因素。

灌溉施肥技術是把肥料溶解在水中一起實施的灌溉的農業(yè)新技術。該技術通過由施肥罐、灌溉施肥設備微滴灌管道等組成的灌溉系統(tǒng)，把可溶性固體肥料或液體肥料根據(jù)灌溉需求按照一定比例配兌，直接輸送到作物根系生長所在的土壤里面，使作物根系周圍均勻分布生長所需要的水分和肥料，而在土壤表面很少殘留水分和肥料。

國外的水肥一體化設備，采用了先進的自動化控制技術、計算機技術結合不同作物的生長期水肥需求模型，在水肥一體化灌溉技術方面起步較早，使用時間較長，通過不斷完善技術方案，技術日趨成熟。

國內現(xiàn)有水肥一體化灌溉施肥機能基本滿足目前國內的農業(yè)生產發(fā)展水平的技術要求，但與國外較先進的技術相比，總體技術水平存在一定的差距，生產的產品主要是微滴灌管道、灌水器、過濾器、施肥器和功能比較單一的控制設備，控制的精度不夠，側重于硬件設計制造，但是基于生長模式的軟件設計較差，產品技術低端，控制水肥一體化灌溉的自動化程度較落后。產品的適應性穩(wěn)定性不高，在使用過程中大多只是數(shù)據(jù)采集，缺乏根據(jù)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)控制灌溉過程，產品不夠穩(wěn)定，使用操作界面復雜，用戶應用的積極性不高，產品不能大面積推廣使用。而實現(xiàn)簡單控制的灌溉施肥設備為代表的低端產品占據(jù)市場，設備性能單一，控制方式較落后，控制參數(shù)較少，數(shù)據(jù)采集參數(shù)少并且不夠準確，灌溉施肥過程中精度低等問題，以上問題的普遍存在給智能化設備的發(fā)展帶來了不利因素?，F(xiàn)在已建成投入使用的智能化灌溉施肥項目中，能在實際生產過程中使用智能化設備進行農業(yè)生產的企業(yè)或者種植戶很少，原因之一是農業(yè)生產經營者的傳統(tǒng)觀念，認為以前的種植方式就可以滿足農業(yè)生產的需要，沒必要花費一定的資金進行現(xiàn)代化農業(yè)生產改造，原因之二是國外現(xiàn)代化的設備成本太高，并且在使用過程中出現(xiàn)問題時售后的服務不及時，影響了農業(yè)生產，很難在國內大面積推廣使用。

本文討論的多功能水肥一體化定額灌溉機是能實現(xiàn)灌溉施肥施藥多種功能，設置多種灌溉施肥程序模式的設備，根據(jù)土壤墑情和作物生長階段的水肥需求進行適量灌溉和施肥，避免超量或者欠量灌溉和施肥，有效提高施肥灌溉效率。具有水肥一體化、施藥等多種功能，特別是本系統(tǒng)的適應性好，可根據(jù)用戶需求選擇不同的灌溉施肥方式，特別適合面積較大，種植不同作物的情況下，一次性設置各種灌溉施肥模式，按照不同作物的水肥需求自動灌溉施肥。

1系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)由水肥一體化系統(tǒng)由中心控制系統(tǒng)、人機對話界面、傳感器水肥檢測裝置（土壤水分含量傳感器、PH傳感器、EC傳感器、水流量傳感器）、肥料原液罐、主管路、供水系統(tǒng)及灌溉系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)中，不再需要混肥灌，肥料原液與水的混合在灌溉水泵的進水管道完成。由于從灌溉水泵的進水管道注肥，肥液在水泵葉輪的攪動下，混合非常均勻，如果注入的肥液含有少量沒有完全溶解的細小顆粒肥料，在高速旋轉的葉輪的作用下，會被攪碎溶解于水中，減少了堵塞滴管滴頭的可能性。肥液均勻性和溶解度遠遠高于其他施肥機的混肥裝置，是本系統(tǒng)特有的特點之一。

通過檢測灌溉溶液營養(yǎng)成分及酸堿度，并通過控制系統(tǒng)PID運算進行釋放不同肥料原液參與混合攪拌，達到農作物在本次灌溉時所需要的灌溉肥水濃度，最后通過滴管裝置進行定向位置釋放肥水。系統(tǒng)可實現(xiàn)定向于農作物根系最多的土壤位置進行定時、定量營養(yǎng)液或清水輸灌。系統(tǒng)在灌溉施肥過程中，一般按照灌溉水一段時間后，使土壤含水量達到一定數(shù)值，然后再施肥，最后再灌溉一段時間的水分，用來清洗管道，這個過程可以最大限度地使根系所在土壤的含水含肥量達到所需的最大值，能夠把管道里面的剩余肥料清洗干凈，避免由于管道含有肥料使微生物生長，導致下次灌溉時滴頭被堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。

本產品特點：

（1）人機交互功能：通過觸摸屏菜單的設置參數(shù)，實現(xiàn)灌溉施肥區(qū)域水肥狀態(tài)的監(jiān)測顯示，灌溉水量、施肥量、灌溉時間、施肥時間等參數(shù)的實時數(shù)據(jù)的顯示，用戶設置灌溉施肥等參數(shù)在觸摸屏直接輸入等功能。

（2）灌溉方式設置功能：可以根據(jù)灌溉模式設置兩種灌溉控制的方式，即種植期時鐘方式和定時方式。在本系統(tǒng)中定時方式設置的定時器有8個，用戶可以給每個灌區(qū)設置8個定時時間，滿足分時多頻次灌溉需求。

（3）人工干預灌溉施肥功能：對于一個灌區(qū)，根據(jù)用戶設置的灌溉策略，根據(jù)用戶設置的參數(shù)計算配肥控制參數(shù)，實現(xiàn)自動灌溉施肥控制。

（4）通過控制繼電器組，實現(xiàn)對電磁閥、灌溉泵的控制。特別是根據(jù)用戶設置的施肥量，灌溉水的總時間，確定灌溉水的過程和施肥過程。實現(xiàn)灌溉水浸潤土壤、施肥、灌溉水清洗管道的控制過程。

（5）完成肥液ＥC、PH值檢測和管道壓力檢測的功能。管道壓力檢測的作用是在灌溉過程中，如果管道由于斷裂或者其他管道破損的情況，出現(xiàn)管道水壓力突然降低的狀況，系統(tǒng)會自動報警并停止灌溉，最大限度減少水肥浪費。

本項目設計水肥一體化控制器的核心功能為：用戶可根據(jù)需要輸入控制參數(shù)，選擇自動運行后，系統(tǒng)自動完成灌溉、施肥的過程，同時對灌區(qū)的土壤含水量、灌溉時間、灌溉周期、施肥狀況等數(shù)據(jù)進行存儲，用戶可以隨時查詢歷史數(shù)據(jù)。

2系統(tǒng)硬件

本系統(tǒng)選擇的控制板具有運算速度高，控制使用的外圍接口數(shù)量多的特點，系統(tǒng)硬件使用硬石YS-F4Pro控制板模塊，該模塊主控芯片采用STM32F407，板載工業(yè)以太網、RS232等接口；具有16路光電隔離輸出，12路光電隔離輸出端口，可根據(jù)需要外拓輸入輸出端口。使用4個端口作為施肥4通道控制信號輸出控制，一路水泵啟?？刂菩盘?，一路施肥泵控制信號，10路灌溉控制通道，一路模擬量輸入，一路485數(shù)據(jù)，RS232與組態(tài)屏連接。

3系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件的設計，主要是制訂灌溉計劃實施灌溉過程，控制灌溉設備和肥液輸入控制。灌溉計劃的制定，要根據(jù)作物種類，生長的階段和生長狀態(tài)，以及土壤狀況和氣候條件，確定什么時間灌溉，每次灌溉多長時間，灌溉多少水量，該階段施肥的具體數(shù)量并結合灌溉水量控制施肥濃度，避免出現(xiàn)由于肥液濃度過高而損傷作物根系。在軟件設置施肥參數(shù)時，如果設置的施肥濃度高于設定施肥濃度，則會報警提醒用戶修改對應的參數(shù)。為了達到控制需求的精度，需要實時采集土壤含水量、EC等參數(shù)，作為灌溉參數(shù)設置的依據(jù)。針對不同灌區(qū)，可以分別設置灌溉時間，灌溉周期。根據(jù)每個灌區(qū)的不xxKZ/Jk1huCFPuMqaS63B55HY2jcKYeF0gQMP1ajlTw=同種植作物的水肥需求，設置灌溉模式，灌溉模式包含水量控制設置和施肥配方設置。

對于一個灌區(qū)，根據(jù)用戶設置的灌溉策略設置的配肥控制參數(shù)，實現(xiàn)自動灌溉施肥控制。通過控制繼電器組，實現(xiàn)對電磁閥、灌溉泵的控制，完成肥液ＥC、PH值檢測和管道壓力檢測的功能。在肥料輸入控制，由于本系統(tǒng)設計中沒有使用混肥灌，肥液濃度控制是通過控制四路肥液輸入電磁閥的開關頻率，采用的輸肥泵具有恒流輸出特點，四路肥液輸入電磁閥的控制根據(jù)設置的施肥量和施肥時間，確定開關頻率，一般最小開關頻率設定為每分鐘30次，在整個程序控制中，避免電磁閥開關頻率太高出現(xiàn)電磁閥不動作或者電流太大而損壞。

3.1便捷的人機交互功能

觸摸屏：采用10.2寸大屏顯示，提供圖片及中文顯示。觸摸屏與控制參數(shù)設置和控制設備之間的交互，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、控制設備等的數(shù)據(jù)顯示以及用戶設置參數(shù)的輸入等功能。在界面中可直接設置自動或者手動模式，手動模式是用戶可根據(jù)自己的經驗設置參數(shù)或者控制灌溉時間，自動模式是根據(jù)用戶已設置好的灌溉參數(shù)，自動進行灌溉水量和施肥量的控制。啟停按鈕用于灌溉的控制，用于控制灌溉設備和注肥泵以及灌溉水泵的啟停，開啟后，用戶可根據(jù)時間灌溉情況決定灌溉的水量和施肥量。界面可直接顯示4個施肥電磁閥和灌溉水的水泵工作狀態(tài)，實時顯示管道水流量、施肥量以及肥液PH值和反應混合水肥濃度的電離子數(shù)值等數(shù)據(jù)。在界面右側是灌溉設置、配方設置、自動運行等菜單。

3.2灌溉設置功能

灌溉設置主要用于對各種灌溉參數(shù)的配置，在其中選擇配方號，濃度上限值，水分的上下限值，閥開關延時時間，各閥門的灌溉順序與灌溉時間。灌溉時間以分鐘為單位，其中設備標準配置為11路閥門控制，擴展閥門控制單獨進行配置，通過下一頁來選擇最多可達64路的閥門控制。每一個閥門可控制一個灌區(qū)的水肥灌溉。

3.3施肥配方的編輯設置

共設置9個灌區(qū)的配方程序，通過右側的上下按鈕來進行翻頁切換。每一個灌區(qū)設置4個施肥通道，配方設置主要進行配方的設定，每個通道有通道流量、施肥時間、施肥量3個參數(shù)進行設置。其他配方與通道設置方法相同。

4結論

本文設計的多功能水肥一體定額灌溉機，根據(jù)用戶設置施肥參數(shù)、灌溉時間參數(shù)、灌溉模式等，自動測量管道水流量，根據(jù)用戶設置參數(shù)和管道水流量計算肥液輸入量，保證在一個灌區(qū)灌溉施肥時間內施肥濃度均勻。用戶在使用時，可一次性設置多個灌區(qū)的施肥量和灌溉水量，設備自動運行完成所有灌區(qū)的灌溉施肥過程。具有自動化程度高，灌溉精度高的優(yōu)點。

參考文獻

［1］李紅，宋秀華，陳超，等.注入式水肥一體化裝置研究[J].灌溉排水學報，2023，（1）.

[2]王桂霞，周生霞.淺析水肥一體化應用技術[J].中國農業(yè)綜合開發(fā)，2022，（6）.

[3]榮延軍，劉洪岺，張建凱，等.一種多功能水肥一體化機械設備及其應用[J].農業(yè)技術與裝備，2020，（9）.

[4]錢治丞，宋博，劉勇，等.水肥一體化遠程施肥機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].黑龍江大學自然科學學報，2021，（3）.

[5]李家春，田莉，周茂茜，等.水肥一體化施肥機關鍵部件的設計與試驗[J].中國農村水利水電，2018，（10）.

[6]趙鵬飛，王旭峰，胡燦，等.智能溫室水肥一體化裝備設計與試[J].農機化研究，2022，（9）.

[7]郭強，湯璐，郭佳，等.基于STM32的智能水肥一體化控制系統(tǒng)的設計[J].工業(yè)控制計算機，2015，（4）.

[8]李愛國，宋聰敏，李和平，等.多功能水肥一體定額灌溉機的研制與應用[J].安徽農業(yè)科學，2014，（7）.

[9]王夢陽，李亞敏，曾立華，等.大田卷盤拖管水溶肥平移灌溉控制系統(tǒng)的設計[J].農機化研究，2018，（01）.