41 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備第41卷 第6期 2020年12月 VOL 41 No 6 Dec 2020Modern Agricultural Equipment 一種經(jīng)濟(jì)型水肥一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 羅海據(jù) 1 李 越 1 謝秋波 1 2 鐘林憶 1 2 1 廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司 廣東 廣州 510630 2 廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所 廣東 廣州 510630 摘 要 我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó) 農(nóng)業(yè)用水量巨大 占總用水量的70 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)漫灌模式造成了大量不必 要的水資源浪費(fèi) 實(shí)施水肥一體化技術(shù)是減少農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)的重要舉措之一 采用恒壓供水 多級(jí)過濾 器 多通道比例施肥機(jī)和無線網(wǎng)關(guān)等設(shè)備 輔以電導(dǎo)率 EC 酸堿度 pH 田間土壤墑情等土壤傳 感器 結(jié)合遠(yuǎn)程控制等技術(shù) 設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)型水肥一體化系統(tǒng) 該系統(tǒng)在計(jì)算施肥比例時(shí) 施肥量可根 據(jù)主管水流量而變化 同時(shí)利用壓力變送器測(cè)量肥桶液位高度間接得到施肥量 通過增量PID算法減少肥 桶液位波動(dòng)產(chǎn)生的誤差 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥 試驗(yàn)結(jié)果表明 該系統(tǒng)能保證出水器的平均出水量不小于3 85 L h 10 s采樣周期的注肥量和設(shè)定值相比誤差不超過10 手機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不超過3 s 達(dá)到生 產(chǎn)要求的同時(shí)節(jié)水節(jié)肥 關(guān)鍵詞 水肥一體化 智能灌溉 施肥機(jī) 恒壓供水 遠(yuǎn)程控制 中圖分類號(hào) S24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673 2154 2020 06 0041 07 0 引 言 中國(guó)是水資源缺乏的國(guó)家 傳統(tǒng)的灌溉方式下 農(nóng)業(yè)用水量巨大 導(dǎo)致大量不必要的浪費(fèi) 因此 借鑒國(guó)外先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式 實(shí)施水肥一體化技術(shù) 是解決農(nóng)用水資源浪費(fèi)的重要措施 近年來 國(guó)家 對(duì)水肥一體化技術(shù)高度重視 先后出臺(tái)了 國(guó)家農(nóng) 業(yè)節(jié)水綱要 2012 2020 年 國(guó)辦發(fā) 2012 55 號(hào) 關(guān)于加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的意見 國(guó) 辦發(fā) 2015 59 號(hào) 等多個(gè)文件 對(duì)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè) 促進(jìn)水肥一體化技術(shù)推廣應(yīng)用提出明確要求 1 國(guó) 內(nèi)外對(duì)水肥一體化技術(shù)研究較多 也取得了一定的 成果 國(guó)外學(xué)者將數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)應(yīng)用于 農(nóng)業(yè)灌溉調(diào)度 ISSCADA 利用無線傳輸技術(shù)采 集土壤 氣候信息和植物反饋信息進(jìn)行灌溉調(diào)度 明顯地優(yōu)化了畝產(chǎn)量 作物水分生產(chǎn)率和灌溉用水 效率 2 陳滿等 3 以 STM32F103ZET6 微處理器為 核心 搭配 GPS 定位模塊 作物生理信息監(jiān)測(cè)模塊 溫濕度與光照度監(jiān)測(cè)以及施肥機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)模塊 實(shí)現(xiàn) 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的變量施肥控制 李加念等 4 采 用基于脈寬調(diào)制 pulse width modulation PWM 技術(shù)設(shè)計(jì)一種水肥一體化變量施肥裝置 主要由壓 力變送器 文丘里施肥器 脈沖電磁閥及控制器組 成 通過改變 PWM 的占空比對(duì)脈沖電磁閥進(jìn)行控 制 可改變文丘里施肥器的進(jìn)出口壓力差 從而改 變其吸肥量 在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上 本文針對(duì) 實(shí)際生產(chǎn)中需要對(duì)農(nóng)作物按一定比例施多種液態(tài)肥 的需求 5 以水肥一體化在田間灌溉應(yīng)用為對(duì)象 以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉與精準(zhǔn)控肥為目的 研究一種經(jīng)濟(jì) 型水肥一體化系統(tǒng) 收稿日期 2020 11 02 基金項(xiàng)目 廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目 201803020023 廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項(xiàng) 粵財(cái)農(nóng) 2020 39號(hào) 廣州國(guó)家 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新中心創(chuàng)建項(xiàng)目 2018kczx03 作者簡(jiǎn)介 羅海據(jù) 1977 男 碩士研究生 工程師 主要從事水肥一體化系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)研究 E mail luohj e 通訊作者 鐘林憶 1990 男 碩士研究生 信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師 高級(jí) 主要從事農(nóng)業(yè)信息化與智能農(nóng) 業(yè)裝備技術(shù)集成與應(yīng)用 E mail zhongly e 42 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2020年 1 設(shè)計(jì)原理 水肥一體化系統(tǒng)一般由首部 田間管道 電磁 閥工程 施肥模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊等部分組成 首部包括增壓泵 變頻器電柜 過濾器 流量計(jì)等 田間管道包括主管 支管 毛管和出水器等 電磁 閥工程包括田間電磁閥 供電控制線路或者太陽能 供電控制等 施肥模塊包括多通道比例施肥機(jī) 肥 液桶以及壓力變送器等 系統(tǒng)組成如圖 1 所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16171819202122232425 1 水源 2 離心過濾器 3 增壓泵 4 沙石過濾器 5 球閥 6 疊片過濾器 7 流量計(jì) 8 EC儀表 9 pH儀表 10 壓力表 11 主管 12 田間電磁閥 13 支管 14 毛管 15 出水器 16 土壤墑情 17 單向閥 18 注肥泵 19 多通道比例施肥機(jī)入口電磁閥 20 文丘里吸肥器 21 進(jìn)水電磁閥 22 肥桶 23 排水電磁閥 24 壓力變送器 25 吸肥電磁閥 施肥模塊中 多通道比例施肥機(jī)的施肥泵從主 水管抽水 水流過文丘里喉管時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓 從而將 肥水從肥桶吸出 通過調(diào)節(jié)肥水管路的通斷時(shí)間 控制吸肥量達(dá)到設(shè)定的水肥比例 同時(shí)多通道比例 施肥機(jī)用流量計(jì)測(cè)量灌溉主水管的水流速度和灌溉 總量 作為比例施肥和判斷管路故障的重要依據(jù) EC pH 儀表檢測(cè)肥液的電導(dǎo)率和酸堿值 作為配 肥濃度的輔助依據(jù) 田間管路網(wǎng)絡(luò)和出水器將水肥輸送到植物根 部 由于田間面積比較大 為保證水量和水壓滿足 每個(gè)出水器的要求 需要將田間進(jìn)行分區(qū)管理 用 電磁閥控制對(duì)應(yīng)灌區(qū)水流的通斷 離心過濾器過濾較大顆粒的雜質(zhì) 如砂子等 砂石過濾器可以將水源的有機(jī)質(zhì)過濾 疊片過濾器 將水源中 100 目以下的雜質(zhì)過濾 三級(jí)過濾可有效 保護(hù)管道和出水器不被阻塞 6 土壤墑情傳感器通過 4 20 mA 信號(hào)和多通道 比例施肥機(jī)進(jìn)行連接 多通道比例施肥機(jī)可以根據(jù) 田間的土壤墑情判斷灌溉用水量 用戶也能根據(jù)未 來天氣預(yù)報(bào)的情況控制多通道比例施肥機(jī)的運(yùn)行 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉與精準(zhǔn)控肥 基于水肥一體化 系統(tǒng)組成及原理 重點(diǎn)對(duì)恒壓供水 遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān) 多通道比例施肥機(jī) 配肥比例控制算法等環(huán)節(jié)進(jìn)行 研究與設(shè)計(jì) 通過技術(shù)集成形成了一種新的經(jīng)濟(jì)型 水肥一體化系統(tǒng) 2 1 恒壓供水設(shè)計(jì) 恒壓供水技術(shù)比較成熟 一般選用具有 PID 調(diào) 節(jié)功能的變頻器獲得比較穩(wěn)定的水壓和流量 7 灌 溉首部的變頻器電柜 增壓泵和壓力表組成閉環(huán)系 統(tǒng) 為田間管道提供穩(wěn)定的流量和水壓 保證田間 出水器以穩(wěn)定的流量灌溉 變頻器電柜采用 ABB ACS510系列 該變頻器具有PID調(diào)節(jié)功能 壓力 圖1 水肥一體化系統(tǒng)組成 Fig 1 Composition of water and fertilizer integration system 43 第6期 1 鋁型材支架 2 電磁閥 3 空氣閥 4 水管以及管件 5 PLC控制柜 6 注肥泵 7 流量計(jì) 圖2 變頻器電柜邏輯控制圖 Fig 2 Logic control diagram of inverter cabinet 圖4 多通道比例施肥機(jī)機(jī)械部分示意圖 圖3 遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān) Fig 3 Remote control gateway 表的量程為0 1 0 MPa 對(duì)應(yīng) 4 20 mA 的電流信 號(hào)輸出 直接接入變頻器模擬輸入端 變頻器電柜 的主要邏輯功能如圖 2 所示 具有遠(yuǎn)程 本地 工 頻 變頻功能 圖 2 中 1KM 是工頻驅(qū)動(dòng)接觸器 2KM 是變頻驅(qū)動(dòng)接觸器 兩者具有互鎖功能 同一 時(shí)間只能有一個(gè)接觸器接通 1KA 是液位開關(guān) 當(dāng) 水源缺水時(shí) 1KA 斷開 當(dāng)撥盤開關(guān)切換到遠(yuǎn)程控 制時(shí) 遠(yuǎn)程觸點(diǎn)107接通 繼電器2KA的線圈通 電 變頻器 RUN 端子接通 變頻器開始工作 變 頻器檢測(cè)到的壓力可以輸出到 AO 端口 該端口接 入 PLC 的模量輸入端子即可監(jiān)控水壓的變動(dòng)范圍 2 2 遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn) PLC 的遠(yuǎn)程控制功能 設(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)關(guān)用 于 PLC 與手機(jī)通信 如圖 3 所示 網(wǎng)關(guān)的 CPU 采用 STM32F103 系列芯片 CPU 采用基于 RS485 的 PPI 協(xié)議與 PLC 連接 同時(shí)也采用 RS485 與具有 4G 2G GPRS 功能的 DTU 模塊通信 此類硬件組合應(yīng)用廣 泛 可滿足遠(yuǎn)程控制要求 8 網(wǎng)關(guān)構(gòu)建了 PLC 與手 機(jī)進(jìn)行交互連接的橋梁 實(shí)現(xiàn)手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控 PLC 從而控制多通道比例施肥機(jī) 2 3 多通道比例施肥機(jī)設(shè)計(jì) 由于農(nóng)業(yè)的工作環(huán)境大多處于高溫高濕狀態(tài) 作 為整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備 多通道比例施肥機(jī)應(yīng)具有 較高的可靠性 故選用西門子 smart 系列的 SR60 PLC 以及擴(kuò)展模塊 AE08 作為施肥機(jī)的 CPU 威綸通觸 摸屏作為人機(jī)界面 設(shè)計(jì)多通道比例施肥機(jī) 多通 道比例施肥機(jī)整體尺寸為1 000 mm 900 mm 850 mm 按實(shí)現(xiàn)模塊可以分為機(jī)架結(jié)構(gòu) 電氣部分 和水路結(jié)構(gòu) 機(jī)架采用鋁型材結(jié)構(gòu) 通過方管 直 角連接件 螺絲等配件安裝 整機(jī)安裝維護(hù)方便 多通道比例施肥機(jī)機(jī)械部分如圖4所示 羅海據(jù) 等 一種經(jīng)濟(jì)型水肥一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì) Fig 4 Mechanical structure diagram of multi channel proportional fertilizer applicator 1 2 3 4 5 67 44 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2020年 施肥機(jī)的電氣部分采用多種保護(hù)措施保障電氣 安全 在田間野外環(huán)境工作 防雷措施是必不可少 的 因此電氣增加了浪涌保護(hù)裝置 針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū) 電壓不穩(wěn)定的情況 增加了自恢復(fù)過壓欠壓保護(hù)裝 置 為遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)電磁閥 采用 24 V 交流電壓對(duì) 電磁閥供電 2 3 1 多通道比例施肥機(jī)工作機(jī)制 水肥機(jī)工作時(shí) 首先啟動(dòng)吸肥泵 打開入口電 磁閥 水流經(jīng)過文丘里進(jìn)入離心泵的入口 文丘里 的喉管從肥桶中吸肥 通過離心泵的增壓 將混合 的肥水經(jīng)過單向閥注入主水管 9 主要器件的功能 如下 1 壓力變送器 肥桶的底部安裝了壓力變送器 通過測(cè)量溶液的壓力高度 間接測(cè)量肥桶的容量 2 流量計(jì) 主水管安裝流量計(jì)用于測(cè)量水的 流量并判斷管路水流是否正常 此外 可以根據(jù)水 流判斷是否存在管道堵塞 田間管道破裂等情況 3 吸肥電磁閥 根據(jù)用戶設(shè)定的配肥比例 結(jié)合主水管的流量計(jì)算需要從肥桶吸入的注肥量 當(dāng)未達(dá)到需要的注肥量時(shí) 電磁閥接通 反之關(guān)閉 完成按比例注肥 4 進(jìn)水電磁閥 肥桶頂部安裝進(jìn)水電磁閥用 于注入清水 調(diào)和液態(tài)肥的濃度 5 排水電磁閥 肥桶底部安裝排水電磁閥用 于排出肥桶的沉積物 6 EC pH 儀表 EC pH 儀表用于測(cè)量主水 管道的 EC pH 值 作為判斷水肥比例濃度的輔助 依據(jù)和補(bǔ)充 2 3 2 多通道比例施肥機(jī)軟件設(shè)計(jì) 多通道比例施肥機(jī)軟件包含了手動(dòng)控制 自動(dòng) 控制等功能 功能結(jié)構(gòu)如圖 5 所示 1 手動(dòng)控制功能 手動(dòng)控制功能可以直接控 制每個(gè)電磁閥的啟停 包括注水閥門 排水閥門 田間閥門 多通道比例施肥機(jī)閥門等 完成肥桶注 水 排水 灌溉 施肥功能 手動(dòng)灌溉人機(jī)交互界 面如圖 6 所示 2 自動(dòng)控制功能 自動(dòng)控制功能包括自動(dòng)注水 自動(dòng)排水 澆肥小程序等 自動(dòng)注水 用戶設(shè)定肥 桶的絕對(duì)或相對(duì)注水量 控制注水閥門完成該功能 自動(dòng)排水 用戶設(shè)定肥桶的絕對(duì)或相對(duì)排水量 控 圖5 多通道比例施肥機(jī)軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu) Fig 5 Function structure diagram of software system of multi channel proportional fertilizer applicator 圖6 手動(dòng)灌溉界面 Fig 6 Manual irrigation interface 制排水閥門完成該功能 澆肥小程序有兩種模式 一種是定時(shí)模式 用戶設(shè)定一個(gè)或多個(gè)田間灌區(qū)的 灌溉時(shí)長(zhǎng) 然后設(shè)定施肥總量 系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算施肥 速度完成施肥 另外一種是定量模式 用戶先設(shè)定 一個(gè)或多個(gè)田間分區(qū)的用水量 然后設(shè)定每個(gè)肥桶 的比例 系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出施肥量 在這兩種模式啟 動(dòng)灌溉之前 檢測(cè)田間反饋的土壤墑情 系統(tǒng)根據(jù) 土壤墑情的設(shè)定值決定是否進(jìn)行灌溉 自動(dòng)灌溉設(shè) 置界面如圖 7 所示 2 4 PID算法設(shè)計(jì) 自動(dòng)模式下澆肥小程序的兩種模式都需要計(jì)算 施肥比例 也是多通道比例施肥機(jī)的核心功能 配肥比例中灌溉用水量檢測(cè)依靠主水管的流量計(jì)直 45 第6期 圖7 自動(dòng)灌溉界面 Fig 7 Automatic irrigation interface 圖8 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝圖 Fig 8 Automatic irrigation interface 接得到 肥水的含量檢測(cè)依靠肥桶的高度變化量間 接得到 通過控制施肥通道電磁閥的通斷頻率來控 制施肥量 電磁閥的啟停若過于頻繁 容易造成電 磁閥損壞及吸肥流量的不穩(wěn)定 10 經(jīng)過多次試驗(yàn) 選擇 10 s 為單個(gè)注肥的采樣周期 得到比較穩(wěn)定 的吸肥量 施肥器同時(shí)檢測(cè)水管得 EC pH 值 當(dāng) EC pH 值超過設(shè)定范圍 將報(bào)警并停止灌溉 由于吸肥時(shí) 文丘里的吸肥量隨著主水管的流 量變化而變化 引起肥桶的液位高度產(chǎn)生波動(dòng) 導(dǎo) 致實(shí)際施肥量和理論施肥量產(chǎn)生誤差 為了彌補(bǔ)該 誤差 引入增量式 PID 控制 11 當(dāng)前周期的實(shí)際注 肥量計(jì)算方式如下 U k K p e k e k 1 K i e k 1 K d e k 2 e k 1 e k 2 1 式中 U k 為當(dāng)前周期的實(shí)際注肥量 m 3 e k 為與 當(dāng)前周期的偏差值 e k 1 為與上一周期的偏差值 e k 2 為與上上周期的偏差值 K p 為比例系數(shù) K i 為積 分系數(shù) K d 為微分系數(shù) 主水管在 K 周期灌水量 Q k 的計(jì)算公式 為 Q k V ik t 2 式中 Q k 為灌水量 m 3 T k 為采樣次數(shù) 取值為 10 t為采樣時(shí)間 s 取值為1 V ik 為當(dāng)前 ik秒的采 樣流量 m 3 s 該參數(shù)通過讀取流量計(jì)得到 當(dāng)前周期的需要注肥量 Q Fk Q k R F 其中 R F 是用戶設(shè)定的注肥比例 當(dāng)前周期注肥桶反饋的 注肥量為 Q Rk 則 e k Q Fk Q Rk e k 1 Q Fk 1 Q Rk 1 e k 2 Q Fk 2 Q Rk 2 式中 Q Fk 1 是上周期的需要注肥量 Q Rk 1 是上周期注肥桶反饋的注肥量 Q Fk 2 是上上周期的 需要注肥量 Q Rk 2 是上上周期注肥桶反饋的注肥量 1K ik 1 3 系統(tǒng)實(shí)施與測(cè) 試 本文設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型水肥一體化系統(tǒng) 于 2019 年 8 月在江門新會(huì)陳皮村的三產(chǎn)融合產(chǎn)業(yè)園水肥一 體化項(xiàng)目中進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)施與測(cè)試 系統(tǒng)覆蓋了 150 畝 1 畝 0 067 hm 2 的陳皮柑橘田 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 安裝情況如圖 8 所示 主要設(shè)備參數(shù)如表 1 所示 多通道比例施肥機(jī) 增壓泵 過濾系統(tǒng) 灌溉方式 5通道 每個(gè)通道最大流量1 m 3 h 2臺(tái)離心水泵 1臺(tái)備用 7 5 kW 揚(yáng)程40 m 流量25 m 3 h 自動(dòng)反沖洗疊片過濾 自動(dòng)反沖洗砂 石過濾 離心過濾器 尺寸均為2寸半 1寸 0 033 m 滴灌 4 L壓力補(bǔ)償?shù)晤^ 表1 系統(tǒng)配置 Tab 1 System configuration 項(xiàng)目 參數(shù) 整個(gè)水肥系統(tǒng)的管路在 0 30 MPa 的壓力下 管 路沒有發(fā)生滲漏現(xiàn)象 通過 3 種壓力下的測(cè)試 得 到變頻器輸出管道水壓的變化情況 如表 2 所示 羅海據(jù) 等 一種經(jīng)濟(jì)型水肥一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 0 2 5 3 0 1 86 2 40 2 83 2 12 2 65 3 14 7 0 6 0 5 6 表2 管道壓力最大變動(dòng)范圍 Tab 2 Maximum variation range of pipeline pressure 壓力設(shè)定 MPa 最小值 MPa 最大值 MPa 最大變動(dòng) 范圍 本次試驗(yàn)選取 20 000 L 灌溉總量 變頻器壓力 設(shè)定在 0 25 MPa 采用定量模式施肥 管道流量穩(wěn) 定的流量約是 20 000 L h 整個(gè)試驗(yàn)過程約 1 h 經(jīng) 過對(duì)最末端的10個(gè)滴頭采樣 平均出水量約3 85 L h 達(dá)到設(shè)計(jì)要求 末端出水器流量如表3所示 46 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2020年 3 79 3 90 3 82 3 85 3 91 3 87 3 82 3 79 3 93 3 86 表3 末端出水器流量采樣值 Tab 3 Flow sampling value of end outlet 滴頭編號(hào) 流量 L 3 85 平均1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 第一個(gè)肥桶的配比是 1 50 第二個(gè)肥桶的配 比是 1 75 第三個(gè)肥桶的配比是 1 100 得到的曲 線如圖 9 所示 配肥比例的肥水輸出量在 100 s 左 右趨向穩(wěn)定 系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間是100 s 在該次試驗(yàn)中 系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間過后 比較注肥量與設(shè)定值 在 1 個(gè) 采樣周期兩者的誤差不超過 10 管道的肥水基本 充分混合 滿足生產(chǎn)要求 圖9 不同配比情況下注肥量曲線 Fig 9 Fertilizer injection curves under different ratios 圖10 手機(jī)遠(yuǎn)程控制界面 Fig 10 Remote control interface of mobile phone 4 結(jié) 論 1 本文研究的水肥一體化系統(tǒng) 采用恒壓供 水和多重過濾器為田間出水器提供穩(wěn)定壓力和干凈 水源 離泵房最末端的滴頭出水量平均約為 3 85 L 基本保證每個(gè)出水器均勻出水 使得目標(biāo)獲得足夠 的肥水 2 多通道比例施肥機(jī)和變頻控電柜聯(lián)動(dòng) 通 過本地觸摸屏或手機(jī)遠(yuǎn)程控制多通道比例施肥機(jī) 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉和施肥 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不超過 3 s 且在多種注肥比例的運(yùn)行過程中 10 s 的注肥量與 設(shè)定值相差不超過 10 3 以壓力變送器作為測(cè)量施肥量的傳感器 結(jié)合增量 PID 算法得到配肥比例 滿足生產(chǎn)要求 性價(jià)比高 實(shí)用性較強(qiáng) 手機(jī)遠(yuǎn)程控制測(cè)試中 手機(jī)界面可以控制各電 磁閥的通斷 設(shè)置自動(dòng)灌溉參數(shù)并采集傳感器數(shù) 據(jù) 整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約 3 s 手機(jī)控制界面如圖 10 所示 a 1 50的注肥量曲線 b 1 75的注肥量曲線 c 1 100的注肥量曲線 體積 L 體積 L 時(shí)間 S 時(shí)間 S 體積 L 時(shí)間 S 47 第6期 Design of an Economic Water and Fertilizer Integration System Luo Haiju 1 Li Yue 1 Xie Qiubo 1 2 Zhong Linyi 1 2 1 Guangzhou Joinken Network Technology Development Co Ltd Guangzhou 510630 China 2 Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment Guangzhou 510630 China Abstract China has relative scarcity of water resources but as a agricultural power it needs large amount of water in agriculture accounting for 70 of total water consumption which causes a lot of unnecessary waste of water resources under the traditional diffuse irrigation mode of agriculture Implementing integrated water and fertilizer technology is one of the important measures to reduce the waste of water in agriculture An economical integrated water and fertilizer system was designed combined with remote control technology with equipment such as constant pressure water supply multi stage filter multi channel proportional fertilization machine and wireless gateway supplemented by electrical conductivity EC pH soil moisture in the field and other soil sensors When calculating the fertilization ratio the amount of fertilizer applied to the system varies according to the flow of water in charge Meanwhile it measures the liquid level height of fat barrel the amount of fertilizer applied indirectly with pressure transmitter realizing accurate fertilization by reducing the error of liquid level fluctuation in fat barrel with incremental PID algorithm Finally the system was tested The result showed that the system can ensure that the average water output of the outlet was not less than 3 85 L h the error between the fertilizer injection for 10 s and the set value was not more than 10 and the response time of the mobile phone remote control system was not more than 3s which met the production requirements as well as save water and fertilizer Key words integral control of water and fertilization intelligent irrigation fertilizer applicator constant pressure water supply long range control 參考文獻(xiàn) 1 易文裕 程方平 熊昌國(guó) 等 農(nóng)業(yè)水肥一體化 的發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策分析 J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2017 38 10 111 115 2 O SHAUGHNESSY S A KIM M ANDRADE M A et al Site specific irrigation of grain sorghum using plant and soil water sensing feedback Texas high plains J Agricultural Water Management 2020 240 106 273 3 陳滿 金誠(chéng)謙 倪有亮 等 基于多傳感器的 精準(zhǔn)變量施肥控制系統(tǒng) J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2018 39 1 59 60 4 李加念 洪添勝 馮瑞玨 等 基于脈寬調(diào)制的 文丘里變量施肥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué) 報(bào) 2012 28 8 105 110 5 徐瑞強(qiáng) 徐海東 董合林 等 液態(tài)有機(jī)肥與氮 肥配施對(duì)棉花生理特性及產(chǎn)量的影響 J 中國(guó)農(nóng) 學(xué)通報(bào) 2019 35 13 42 47 6 邵偉 侯加林 李天華 等 肥水一體化滴灌系 統(tǒng)中過濾器技術(shù)的研究與進(jìn)展 J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué) 報(bào) 2018 39 10 45 49 7 白蕾 孟嬌嬌 辛旗 基于PLC與變頻器的恒壓供 水系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 電子測(cè)量技術(shù) 2018 41 4 61 65 8 趙振宇 張國(guó)鈞 基于PPI協(xié)議和GPRS網(wǎng)絡(luò)的供 水管網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 儀表技術(shù)與傳感 器 2017 5 84 86 9 張曉明 鮑安紅 謝守勇 等 基于Fluent的文丘 里管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸肥性能的影響 J 江蘇農(nóng)業(yè)科 學(xué) 2017 45 18 208 210 10 周良富 金永奎 薛新宇 電磁閥開關(guān)模式下文 丘里施肥器吸肥特性研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2019 35 22 277 284 11 劉金琨 先進(jìn)PID控制MATLAB仿真 M 北京 電子工業(yè)出版社 2004 羅海據(jù) 等 一種經(jīng)濟(jì)型水肥一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)