2025 年 第 8 期 第 47 卷 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 Journal of Agricultural Mechanization esearch Vol 47 No 8 Aug 2025 潮汐式育苗營養(yǎng)液循環(huán)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 朱錦新 1 2 范鵬飛 2 翟長遠(yuǎn) 1 2 高欣娜 3 康藝凡 3 王 秀 1 2 1 江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013 2 北京市農(nóng)林科學(xué)院 智能裝備技術(shù)研究中心 北京 100097 3 石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院 石家莊 050041 摘 要 我國水資源稀缺 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉水肥用量大 營養(yǎng)液利用率低 灌溉廢液對(duì)環(huán)境污染大 針對(duì)以上問題 設(shè)計(jì)了 一種潮汐式育苗營養(yǎng)液循環(huán)灌溉系統(tǒng) 以質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)為灌溉依據(jù) 通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)采集現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù) 結(jié)合用 戶設(shè)置的灌溉參數(shù) 實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液的自動(dòng)調(diào)配和智能灌溉 灌溉后的營養(yǎng)液通過營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)的過濾 消毒等一系列處 理后回收到儲(chǔ)液桶中備用 提高了水肥利用率 減少了環(huán)境污染 同時(shí) 對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì) 結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng) 技術(shù) 實(shí)現(xiàn)人機(jī)遠(yuǎn)距離的信息交互 制成樣機(jī)后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析 開展了稱重傳感器的標(biāo)定校核試驗(yàn)和系統(tǒng)灌溉響 應(yīng)精度的試驗(yàn) 結(jié)果表明 質(zhì)量與電流線性相關(guān)度高 稱重傳感器精確度較高 系統(tǒng)灌溉響應(yīng)精度高 達(dá)到 98 以上 系 統(tǒng)能夠較好地進(jìn)行循環(huán)灌溉作業(yè) 作業(yè)過程穩(wěn)定可靠 人機(jī)交互便捷 可為節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考 關(guān)鍵詞 潮汐式育苗 營養(yǎng)液循環(huán) 智能化灌溉 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 中圖分類號(hào) S274 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1003 188X 2025 08 0084 08 DOI 10 13427 j issn 1003 188X 2025 08 012 0 引 言 我國水資源匱乏 且在多樣的自然氣候和復(fù)雜的 地形地貌影響下水資源分布極其不均 這是農(nóng)業(yè)發(fā)展 面臨的重大難題 1 4 傳統(tǒng)溫室灌溉大多依靠工作人 員的經(jīng)驗(yàn) 沒有考慮作物的實(shí)際需求 這種粗放的水肥 管理模式存在水肥利用率低下等問題 過量的營養(yǎng)液 排入水體和基質(zhì) 造成大量浪費(fèi)的同時(shí)也帶來了水體 污染嚴(yán)重 基質(zhì)結(jié)構(gòu)惡化等危害 5 8 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要向 現(xiàn)代化發(fā)展 節(jié)水省肥的農(nóng)業(yè)灌溉更是大勢(shì)所趨 9 10 目前 我國學(xué)者對(duì)節(jié)水灌溉裝備進(jìn)行了不少研究 王薇等 11 以物聯(lián)網(wǎng) 云計(jì)算 人工智能和自動(dòng)控制理論 為指導(dǎo) 建立了基于氣象的水肥一體智能灌溉模型 構(gòu) 建水肥一體智能灌溉云服務(wù)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)了一套蘋果水 肥一體化系統(tǒng) 晁陽等 12 研究設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定性高 操作簡單 成本低廉 功能夠用的水肥一體化灌溉控制 器 采用傳感技術(shù) 微電腦技術(shù) 以 PLC 為核心 配合滴 灌技術(shù) 根據(jù)作物生長過程中土壤濕度和所需肥水的 閾值 進(jìn)行自動(dòng)灌溉和施肥 王杰等 13 針對(duì)個(gè)體農(nóng)戶溫 收稿日期 2023 08 14 基金項(xiàng)目 河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 21327408D 石家莊市科技計(jì)劃 項(xiàng)目 231490822 作者簡介 朱錦新 1998 男 四川瀘州人 碩士研究生 E mail 361592011 qq com 通訊作者 王 秀 1965 男 河北萬全人 研究員 碩士生導(dǎo)師 E mail wangx nercita org cn 室大棚灌溉設(shè)備 設(shè)計(jì)了溫室大棚智能水肥一體機(jī) 集 成 STM32 單片機(jī)通信模塊與手機(jī) APP 通過控制進(jìn)水 口和吸肥口閥門開度 實(shí)現(xiàn)了水肥比例精確控制 這些 研究大多針對(duì)滴灌 頂部噴灌 田間漫灌 潮汐式灌溉是一種模擬潮汐的周期波動(dòng) 利用營 養(yǎng)液的循環(huán)供給 為作物補(bǔ)充水肥的新型灌溉方式 與 傳統(tǒng)的頂部灌溉方式相比 具有節(jié)約水肥 提高作物產(chǎn) 量和質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn) 14 16 新型的灌溉方式需要新型的配 套裝備 但是目前由于潮汐灌溉并沒有在國內(nèi)大范圍 推廣 缺乏專業(yè)的配套設(shè)備 自動(dòng)化程度不高 對(duì)整個(gè) 灌溉過程沒有精確的監(jiān)測(cè)和調(diào)控 沒有形成規(guī)范的行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 17 18 目前 農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中大多都是利用土 壤濕度傳感器來探測(cè)土壤實(shí)時(shí)濕度狀態(tài) 進(jìn)而判斷是 否需要進(jìn)行灌溉操作 19 21 潮汐育苗采用的是不需要 土壤的基質(zhì)栽培 這一栽培方式讓以土壤濕度傳感器 為判斷依據(jù)的方法不再適用 需要探索出一種與基質(zhì) 栽培相契合的灌溉判斷依據(jù) 針對(duì)上述問題 設(shè)計(jì)了 一種以穴盤質(zhì)量為灌溉依據(jù)的潮汐式育苗營養(yǎng)液循環(huán) 灌溉系統(tǒng) 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 遠(yuǎn)程監(jiān)控育苗環(huán)境各項(xiàng)參 數(shù) 對(duì)營養(yǎng)液配比進(jìn)行精確把控 提高水肥的循環(huán)利用 率 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和智能化管理 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 1 1 系統(tǒng)需求分析 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的精確把控 需要配置精度 48 第 8 期 朱錦新等 潮汐式育苗營養(yǎng)液循環(huán)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 47 卷 較高的傳感器 并對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定校核 使其能夠 準(zhǔn)確收集營養(yǎng)液循環(huán)灌溉工作現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)信息數(shù) 據(jù) 22 24 營養(yǎng)液循環(huán)管路需密閉性好 不漏水 管路 設(shè)計(jì)需合理規(guī)范 控制系統(tǒng)需在各種工作狀態(tài)下均能 穩(wěn)定運(yùn)行 精準(zhǔn)地打開或關(guān)閉繼電器 電磁閥 電機(jī) 實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的智能調(diào)控和自動(dòng)控制 保證作物生 長在最適宜的溫室環(huán)境內(nèi) 需要一個(gè)合理的灌溉依據(jù) 來判斷是否應(yīng)該進(jìn)行灌溉作業(yè) 且在需要灌溉時(shí)能夠 及時(shí) 精準(zhǔn)地進(jìn)行灌溉作業(yè) 在完成灌溉作業(yè)后 多余 的營養(yǎng)液能夠經(jīng)過過濾 消毒 殺菌等一系列處理后 被多次循環(huán)利用 提高水肥的利用率 整個(gè)灌溉和循 環(huán)的工作過程都能被實(shí)時(shí)監(jiān)控 用戶可隨時(shí)都可通過 配套 APP 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制 整個(gè)系統(tǒng)能夠在各 種工況下平穩(wěn)地運(yùn)行 系統(tǒng)也可根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)狀況 做出對(duì)應(yīng)的控制決策 1 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 根據(jù)目標(biāo)需求 構(gòu)建了潮汐式育苗營養(yǎng)液循環(huán)灌 溉系統(tǒng) 主要由水肥一體化系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境信息監(jiān) 測(cè)系統(tǒng) 智能灌溉系統(tǒng) 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)和中央控制 系統(tǒng)組成 如圖 1 所示 1 水源 2 主管路球閥 3 水源過濾器 4 進(jìn)水球閥 5 進(jìn)水電磁閥 6 儲(chǔ)液桶浮球開關(guān) 7 儲(chǔ)液桶液位傳感器 8 儲(chǔ)液桶 9 過濾器 10 水泵 11 補(bǔ)水球閥 12 補(bǔ)水電磁閥 13 PH 傳感器 14 EC 傳感器 15 水射器 16 母液電磁閥 17 手動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥 18 流量計(jì) 19 母液過濾器 20 母液桶 21 母液桶補(bǔ)水球閥 22 灌溉泵 23 灌溉管路 24 上水球閥 25 上水電磁閥 26 潮汐灌溉苗床 27 回水電磁閥 28 回水管路 29 未消毒營養(yǎng)液桶浮球開關(guān) 30 排污電磁閥 31 未消毒營養(yǎng)液桶 32 未消毒營養(yǎng)液桶液位傳感器 33 未消毒營養(yǎng)液泵 34 營養(yǎng)液消毒電磁閥 35 紫外線消毒殺菌裝置 36 已消毒營養(yǎng)液泵 37 營養(yǎng)液儲(chǔ)存電磁閥 38 pH 傳感器 39 EC 傳感器 40 單向閥 41 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 42 水肥一體系統(tǒng) 圖 1 潮汐式育苗營養(yǎng)液循環(huán)灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig 1 Structure diagram of tidal nursery nutrient solution circulating irrigation system 水肥一體化系統(tǒng)主要由水肥一體機(jī) 水肥管路 手動(dòng)球閥 水泵 電磁閥 過濾器 浮子流量計(jì) EC 傳 感器 pH 傳感器和文丘里水射器組成 系統(tǒng)的主要功 能是按照用戶設(shè)定的 EC pH 值來配制灌溉營養(yǎng)液 用戶可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)流量閥或設(shè)置流量參數(shù)的方式 來控制各個(gè)水肥管路的流量 做到 按需配肥 定 量施肥 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器 數(shù)據(jù)采 集模塊 4G 傳輸模塊 物聯(lián)網(wǎng)軟件組成 主要功能是 通過各個(gè)傳感器采集溫室內(nèi)各種環(huán)境參數(shù) 將采集到 的參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集模塊處理后利用 4G 傳輸模塊無 線傳輸?shù)皆贫朔?wù)器 物聯(lián)網(wǎng)軟件可以儲(chǔ)存和記錄 云端服務(wù)器的數(shù)據(jù) 用戶可通過物聯(lián)網(wǎng)軟件與系統(tǒng)進(jìn) 行交互 智能灌溉系統(tǒng)主要由灌溉控制系統(tǒng) 潮汐苗床 上水電磁閥 排水電磁閥 灌溉泵和灌溉管路組成 灌 58 第 47 卷 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 8 期 溉控制系統(tǒng)對(duì)比設(shè)定的參數(shù)和數(shù)據(jù)采集模塊采集的 參數(shù) 發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制指令 通常狀態(tài)下 電磁閥和 灌溉泵均處于關(guān)閉狀態(tài) 判斷需要灌溉時(shí) 上水電磁 閥和灌溉泵打開 灌溉作業(yè)開始 灌溉結(jié)束后 上水電 磁閥和灌溉泵關(guān)閉 排水電磁閥打開 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)由回流營養(yǎng)液池 回流管道 儲(chǔ) 液桶 母液桶 浮球開關(guān) 過濾器 紫外線殺毒裝置 反 沖洗裝置 水泵和電磁閥等組成 主要功能是將回流 營養(yǎng)液經(jīng)過過濾 消毒 殺菌等一系列處理后儲(chǔ)存起 來循環(huán)使用 中央控制系統(tǒng)能夠?qū)Ω鱾€(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù) 系 統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析 在各個(gè)系統(tǒng)和設(shè) 備之間起著重要的協(xié)調(diào)和聯(lián)動(dòng)作用 保證了整個(gè)系統(tǒng) 的智能化運(yùn)作 1 3 系統(tǒng)的工作流程 在系統(tǒng)工作前 需要預(yù)先設(shè)置好穴盤質(zhì)量的灌溉 下限 儲(chǔ)液桶液位高度范圍 回流營養(yǎng)液池的液位高 度范圍 灌溉營養(yǎng)液的 EC 值和 pH 值 灌溉流量大小 灌溉時(shí)間等參數(shù) 灌溉區(qū)域有 21 個(gè)潮汐式營養(yǎng)液灌 溉育苗床 呈七行三列分布 每個(gè)苗床上鋪上 1 層紗 網(wǎng) 起到初步過濾的作用 避免流失的基質(zhì)或其他大 顆粒雜質(zhì)堵塞排水口 影響循環(huán)系統(tǒng)的正常工作 每 列選擇 1 個(gè)苗床放置 1 個(gè)稱重傳感器 在稱重傳感器 上放置 1 個(gè)穴盤 以該穴盤的質(zhì)量變化代表該列所有 穴盤的質(zhì)量變化 作為灌溉的依據(jù) 質(zhì)量檢測(cè)裝置的 放置方式如圖 2 所示 圖 2 質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的放置方式 Fig 2 Placement mode of weight detection system 控制器上外部聯(lián)動(dòng)通道的輸出繼電器控制著水 肥一體機(jī)的電源 該通道繼電器的開閉受質(zhì)量檢測(cè)系 統(tǒng)通道輸出的模擬信號(hào)影響 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境信息監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集作物生長的各項(xiàng)參數(shù)和各路通道的信 息數(shù)據(jù) 當(dāng)穴盤質(zhì)量未超過設(shè)定的灌溉下限時(shí) 外部 聯(lián)動(dòng)通道上的繼電器保持?jǐn)嚅_狀態(tài) 當(dāng)穴盤質(zhì)量低于 設(shè)置的閾值時(shí) 控制器上控制水肥一體機(jī)通道的繼電 器吸合 灌溉命令執(zhí)行 電磁閥打開 水泵啟動(dòng)抽水 肥泵啟動(dòng) 母液被文丘里效應(yīng)的水射器抽取到主肥管 路與水混合 在 EC pH 傳感器監(jiān)測(cè)下按照預(yù)設(shè)值配 置后 經(jīng)過灌溉管路流到灌溉區(qū)域 在灌溉到達(dá)預(yù)設(shè) 的灌溉時(shí)間后 上水電磁閥關(guān)閉 排水電磁閥打開 營 養(yǎng)液從排水管道流入回流營養(yǎng)液池中 從灌溉區(qū)域回收到的營養(yǎng)液會(huì)暫時(shí)儲(chǔ)存在地下 營養(yǎng)液池中 當(dāng)營養(yǎng)液液位高度超過設(shè)定的高度時(shí) 加壓水泵和回液循環(huán)電磁閥打開 營養(yǎng)液經(jīng)過濾器過 濾掉泥沙等雜質(zhì)后 流入紫外線殺菌消毒裝置中 該 裝置主要通過特定波長范圍內(nèi)的紫外線光照射營養(yǎng) 液 來破壞營養(yǎng)液中各種細(xì)菌 病毒 寄生蟲 水藻和 其它病原的 DNA 結(jié)構(gòu) 達(dá)到消毒殺菌 防止?fàn)I養(yǎng)液污 染等目的 25 經(jīng)過殺菌消毒后的營養(yǎng)液流入儲(chǔ)肥桶中儲(chǔ)存?zhèn)?用 當(dāng)?shù)叵挛聪緺I養(yǎng)液池液位恢復(fù)到正常范圍內(nèi) 或儲(chǔ)液桶液位高于上限時(shí) 回液循環(huán)加壓水泵和電磁 閥關(guān)閉 停止向儲(chǔ)液桶中供給營養(yǎng)液 若未消毒營養(yǎng) 液池和儲(chǔ)液桶中營養(yǎng)液液位均超過最大液位高度 排 污水泵和排污電磁閥打開 多余的營養(yǎng)液通過處理后 流入排污管道 待液位恢復(fù)正常后排污作業(yè)停止 當(dāng) 儲(chǔ)液桶營養(yǎng)液液面高度低于液面高度下限時(shí) 水泵和 補(bǔ)水電磁閥開啟 外部水源的清水流入儲(chǔ)液桶中 當(dāng) 液位超過最低液位高度后 水泵和補(bǔ)水電磁閥關(guān)閉 整個(gè)作業(yè)過程的信息由傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 作業(yè)設(shè) 備由控制系統(tǒng)控制和協(xié)調(diào) 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)由物聯(lián)網(wǎng)模塊匯 聚整合后傳輸?shù)皆贫朔?wù)器 便于用戶與作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的 遠(yuǎn)程交互 2 硬件設(shè)計(jì) 2 1 中央控制器 控制器是系統(tǒng)的核心元件 本系統(tǒng)的中央控制器 采用聚 英 DAMFFF2 MT 數(shù) 采 控 制 器 該 控 制 器 24VDC 供電 包括 16 路模擬量輸入通道 16 路開關(guān)量 輸入通道 2 路模擬量輸出通道和 16 路繼電器控制的 開關(guān)量輸出通道 具有結(jié)構(gòu)緊湊 性能穩(wěn)定 抗干擾能 力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 可接收處理傳感器采集的環(huán)境信息 并 對(duì)不同的信息執(zhí)行對(duì)應(yīng)的控制決策 附帶物聯(lián)網(wǎng)功 能 能將收集到的信息通過 4G 無線傳輸模塊傳遞到 68 第 8 期 朱錦新等 潮汐式育苗營養(yǎng)液循環(huán)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 47 卷 云端服務(wù)器 用戶在被管理員授權(quán)后可通過手機(jī)或電 腦 APP 從云端獲取這些信息數(shù)據(jù) 可通過物聯(lián)網(wǎng)模 塊 在客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控作業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 手動(dòng)操作發(fā)布相應(yīng) 的操作指令 用戶也可預(yù)先向控制器中導(dǎo)入指令 設(shè) 定好相應(yīng)的參數(shù) 使控制器能在不同的工作場(chǎng)景下執(zhí) 行對(duì)應(yīng)預(yù)期的控制指令 實(shí)現(xiàn)智能化控制 數(shù)采控制 器模塊結(jié)構(gòu)如圖 3 所示 圖 3 控制模塊結(jié)構(gòu)圖 Fig 3 Structure diagram of control module 2 2 質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng) 潮汐式灌溉育苗的基質(zhì)是由草炭 珍珠巖 蛭石 按照一定的比例混合而成的 與傳統(tǒng)育苗的土壤基質(zhì) 相比 兩者在物理特性上有著很大的差異 因此不能 以土壤濕度傳感器作為判斷是否灌溉的依據(jù) 26 針 對(duì)上述問題 設(shè)計(jì)了一種質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)作為灌溉的 依據(jù) 質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 4 所示 傳感器采用美 78 第 47 卷 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 8 期 國 Load Cell 公司的 PE 2 型稱重傳感器 量程為 5 kg 具有體積小 抗干擾能力強(qiáng) 精度高等優(yōu)點(diǎn) 傳感 器輸出的信號(hào)為脈沖信號(hào) 需要在稱重傳感器后接上 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊 將稱重傳感器輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?4 20 mA 的模擬量信號(hào) 傳遞給數(shù)采控制器模塊 數(shù) 模轉(zhuǎn)換模塊采用大和電氣有限公司自主研發(fā)的 DH BSQ A 型精密放大器 性價(jià)比較高 滿足功能的需求 能夠較好地與稱重傳感器耦合 1 平衡螺母 2 稱重傳感器 3 穴盤 4 篩網(wǎng)板 5 底座 6 支撐架 7 吊索 8 承重框 圖 4 質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig 4 Structure diagram of weight detection system 平衡螺母用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的平衡 確保篩網(wǎng)板上的 穴盤處于水平狀態(tài) 使承重框受力均衡 避免不均勻 的受力帶來的質(zhì)量偏差 篩網(wǎng)板被鋼絲吊索懸掛 與 底座之間保持著約 3 5 mm 的距離 篩網(wǎng)板過高會(huì) 導(dǎo)致穴盤底部和潮汐苗床的距離過大 使秧苗在第一 時(shí)間不能得到營養(yǎng)液的補(bǔ)充 對(duì)灌溉時(shí)間也會(huì)造成錯(cuò) 誤的判斷 若篩網(wǎng)板高度調(diào)節(jié)得過低 灌溉完成后 穴 盤中的基質(zhì)在吸滿營養(yǎng)液后質(zhì)量得到了極大的增加 承重框會(huì)產(chǎn)生微小的形變 導(dǎo)致篩網(wǎng)板與潮汐苗床接 觸 稱重傳感器的讀數(shù)變得不再準(zhǔn)確 因此 調(diào)節(jié)平 衡螺母 使篩網(wǎng)板處于一個(gè)合適的高度 是系統(tǒng)可靠 運(yùn)行的重要前提 質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)輸出的模擬量信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)采控 制器 信號(hào)的大小影響著水肥一體系統(tǒng)的啟停 用戶 可通過 APP 實(shí)時(shí)檢測(cè)穴盤的質(zhì)量變化情況 計(jì)算得出 作物的水分消耗量 2 3 水肥一體系統(tǒng) 水肥一體系統(tǒng)的主控制器為海為 T16S0T 簡稱 PLC 該 PLC 外部 24VDC 供電 有 8 路開關(guān)量輸入 8 路開關(guān)量輸出 自帶 S232 和 S485 兩個(gè)通訊接口 為了分別控制 21 個(gè)苗床上的上水電磁閥 排水電磁 閥和各個(gè)母液桶的攪拌電機(jī) 并實(shí)現(xiàn)水肥一體系統(tǒng)和 重量檢測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng) PLC 外加海為 H16DO 海為 H36DO 海為 S04AI3 個(gè)擴(kuò)展模塊 中間繼電器選用 德力西 CDZ9 52PL 交流接觸器選用施耐德電氣 LC1D09 型號(hào) 觸摸屏選擇海為 B10S G 采用 S232 串口與 PLC 建立通訊 水肥一體系統(tǒng)能夠自動(dòng)配制營養(yǎng)液 有手動(dòng)和自 動(dòng)兩種工作模式 手動(dòng)模式下用戶可與觸摸屏進(jìn)行 人機(jī)交互 實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制水泵 肥泵 母液桶攪拌電 機(jī) 每個(gè)苗床對(duì)應(yīng)的上水電磁閥和排水電磁閥 自動(dòng) 模式下 當(dāng)未達(dá)到灌溉條件 控制水肥一體系統(tǒng)的繼 電器處于斷開狀態(tài) 當(dāng)達(dá)到灌溉條件時(shí) 控制水肥一 體系統(tǒng)的繼電器吸合 水肥機(jī)開始工作 母液桶的攪 拌電機(jī)啟動(dòng) 對(duì)應(yīng)灌溉苗床的上水電磁閥開啟 灌溉 開始 水肥一體系統(tǒng)的工作流程如圖 5 所示 圖 5 水肥一體系統(tǒng)工作流程圖 Fig 5 Work flow chart of water and fertilizer integrated system 3 軟件設(shè)計(jì) 3 1 水肥系統(tǒng)上位機(jī)軟件 水肥系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用海為云組態(tài)軟件 88 第 8 期 朱錦新等 潮汐式育苗營養(yǎng)液循環(huán)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 47 卷 該軟件是廈門海為科技有限公司研發(fā)的工業(yè)自動(dòng)化 監(jiān)控管理平臺(tái)軟件 具有非常強(qiáng)大的界面顯示組態(tài)功 能 通過顯示畫面的各種圖元與點(diǎn)位圖 可直觀地觀 察到水肥一體系統(tǒng)工作的現(xiàn)場(chǎng)情況 同時(shí)對(duì)其進(jìn)行實(shí) 時(shí)監(jiān)控 27 觸摸屏畫面包括 環(huán)境數(shù)據(jù) 狀態(tài)顯示 變頻參數(shù) 手動(dòng)操作 自動(dòng)參數(shù) 數(shù)據(jù)記錄 等各 種子畫面 用戶可手動(dòng)點(diǎn)擊觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互 進(jìn) 行畫面的切換 環(huán)境數(shù)據(jù) 界面可以查看到各個(gè)肥液通道的流 量 水泵壓力 肥泵壓力 營養(yǎng)液 pH 和 EC 值等參數(shù) 狀態(tài)顯示 界面可以查看到 PLC 采集到的工作現(xiàn)場(chǎng) 各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài) 以圖像或者文字的形式顯示 變頻參數(shù) 界面可設(shè)置水泵和肥泵的壓力 量程 輸 出電流和輸出頻率等參數(shù) 用戶可以采用觸摸點(diǎn)擊的 方式 在 手動(dòng)操作 界面對(duì)水肥系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)控制 也可在 自動(dòng)參數(shù) 界面預(yù)先設(shè)置灌溉觸發(fā)方式 營養(yǎng) 液 EC 和 pH 值 灌溉時(shí)間等相關(guān)參數(shù) 實(shí)現(xiàn)水肥系統(tǒng) 的自動(dòng)灌溉 數(shù)據(jù)記錄 界面可直觀地顯示一些重要 的記錄參數(shù) 用戶可以將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)出下載 3 2 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 將傳感器采 集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器 使用戶能夠通過電 腦或手機(jī)客戶端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作信息實(shí)時(shí)掌控 系統(tǒng)也 可在用戶設(shè)定的邏輯指令下自動(dòng)進(jìn)行作業(yè) 軟件主 要分為用戶管理 數(shù)據(jù)監(jiān)控 參數(shù)設(shè)置和歷史數(shù)據(jù)等 功能板塊 用戶管理模塊用于切換登錄賬號(hào) 更改賬號(hào)信息 等 在消息提示頁面可以查看各個(gè)通道打開或關(guān)閉 的歷史記錄 報(bào)警通知頁面會(huì)對(duì)超過閾值的通道進(jìn) 行報(bào)警提示 便于用戶及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)問題 做出 對(duì)應(yīng)的調(diào)整策略 數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊主要用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各傳感器采集的 模擬量信號(hào)和設(shè)備的開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程檢 測(cè) 也可在線開啟或關(guān)閉數(shù)采控制器輸出通道的繼電 器 達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的 參數(shù)設(shè)置模塊手動(dòng)設(shè)置數(shù)采控制器每個(gè)獨(dú)立通 道在每天的某個(gè)時(shí)刻固定開啟或關(guān)閉一定的時(shí)間 可 設(shè)置 DO 通道之間的互鎖 DO 通道開啟或關(guān)閉的觸發(fā) 條件和觸發(fā)持續(xù)時(shí)間 也可設(shè)置多觸發(fā)條件下的邏輯 控制 使用戶不需要編程就能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制 歷史數(shù)據(jù)模塊用于導(dǎo)出指定日期范圍內(nèi)的數(shù)據(jù) 信息 可自動(dòng)繪制曲線圖 便于用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 和處理 環(huán)境參數(shù)的歷史曲線如圖 6 所示 圖 6 環(huán)境參數(shù)的歷史曲線圖 Fig 6 Historical curve of environmental parameters 4 系統(tǒng)測(cè)試分析 在河北石家莊趙縣農(nóng)業(yè)科技園連棟溫室內(nèi)搭建 潮汐式育苗營養(yǎng)液循環(huán)灌溉系統(tǒng) 并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn) 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)如圖 7 所示 圖 7 系統(tǒng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)圖 Fig 7 System operation site map 98 第 47 卷 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 8 期 為了保證傳感器的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)準(zhǔn)確無誤 試驗(yàn) 前對(duì)所有傳感器進(jìn)行標(biāo)定和校核 保證精確度在 90 以上 質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)作為控制灌溉的重要依據(jù) 其使 用的傳感器精確度更應(yīng)得到保證 于是在溫室內(nèi)進(jìn)行 質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定試驗(yàn) 使用 DA 轉(zhuǎn)換器將質(zhì)量檢 測(cè)系統(tǒng)輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為 4 20 mA 的模擬量 信號(hào) 依次在質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)上放置不同質(zhì)量的砝碼 使用電流表測(cè)量不同質(zhì)量對(duì)應(yīng)的電流值 對(duì)質(zhì)量和電 流信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定 做出標(biāo)定曲線 如圖 8 所示 圖 8 質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定曲線 Fig 8 Calibration curve of weight detection system 為了檢驗(yàn)系統(tǒng)灌溉性能是否達(dá)標(biāo) 依次設(shè)置 3 個(gè) 不同的灌溉下限 測(cè)試系統(tǒng)是否能在穴盤質(zhì)量達(dá)到灌 溉下限時(shí)及時(shí)進(jìn)行灌溉 每組試驗(yàn)重復(fù) 5 次 計(jì)算灌 溉啟動(dòng)的精度 取平均值為最終灌溉啟動(dòng)精度 精度 計(jì)算公式為 1 M m M 100 1 式中 為灌溉啟動(dòng)精度 m 為灌溉啟動(dòng)時(shí)實(shí)際穴 盤質(zhì)量的數(shù)值 單位 g M 為設(shè)置的灌溉下限穴盤質(zhì)量 的數(shù)值 單位 g 試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示 表 1 系統(tǒng)灌溉啟動(dòng)精度試驗(yàn)結(jié)果 Table 1 Flow test results of system irrigation start accuracy 灌溉下限 g 實(shí)際啟動(dòng)質(zhì)量 g 精度 1 200 1 189 99 1 1 000 984 98 4 600 590 98 3 為了保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定 可靠地運(yùn)行 通入肥液 對(duì)比 EC 傳感器檢測(cè)的 EC 值與設(shè)定的 EC 值誤差是 否低于 10 檢測(cè)各個(gè)電磁閥 水泵能否正常開關(guān) 手 動(dòng)打開 關(guān)閉輸出通道繼電器 檢驗(yàn)?zāi)芊裾＿\(yùn)行 設(shè) 置繼電器自動(dòng)觸發(fā)條件 檢測(cè)到達(dá)條件是能否正常觸 發(fā)繼電器開關(guān) 運(yùn)行或停止相應(yīng)的設(shè)備 測(cè)試各個(gè)設(shè) 備能否穩(wěn)定 可靠地工作 循環(huán)系統(tǒng)能否在設(shè)定的液 位閾值范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行 檢測(cè)各個(gè)設(shè)備是否能夠準(zhǔn) 確 及時(shí)地運(yùn)行軟件端下達(dá)的指令 歷史數(shù)據(jù)能否正 常記錄 通過一系列試驗(yàn)驗(yàn)證 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度較高 灌溉能夠精準(zhǔn) 及時(shí)地執(zhí)行 灌溉管路和各灌溉模式 功能正常 循環(huán)系統(tǒng) 中央控制系統(tǒng) 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件均 穩(wěn)定 可靠 5 結(jié) 論 1 針對(duì)目前面臨的問題 結(jié)合實(shí)際需求 設(shè)計(jì)了 一種潮汐式育苗營養(yǎng)液循環(huán)灌溉系統(tǒng) 具有自動(dòng)配 肥 智能灌溉 營養(yǎng)液循環(huán)利用等功能 提高了水肥的 利用率 減少了環(huán)境污染 提高了灌溉的智能化程度 2 設(shè)計(jì)了一種質(zhì)量檢測(cè)裝置 并以此作為灌溉的 依據(jù) 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件與軟件設(shè)計(jì) 運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和人機(jī)的智能交互 3 在河北石家莊趙縣農(nóng)業(yè)科技園連棟溫室內(nèi)完 成樣機(jī)搭建與系統(tǒng)試驗(yàn) 結(jié)果表明 設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定 系 統(tǒng)性能可靠 灌溉響應(yīng)精度在 98 以上 參考文獻(xiàn) 1 馮筱 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室花卉智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) D 曲 阜 曲阜師范大學(xué) 2015 2 趙鵬飛 王旭峰 胡燦 等 智能溫室水肥一體化裝備設(shè)計(jì) 與試驗(yàn) J 農(nóng)機(jī)化研究 2022 44 9 224 228 235 3 婁松濤 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的灌溉系統(tǒng)智能優(yōu)化研 究 J 農(nóng)機(jī)化研究 2023 45 8 231 234 4 逄煥成 我國節(jié)水灌溉技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析 J 中 國土壤與肥料 2006 5 1 6 5 安勝鑫 王曉麗 薛寶松 等 基于云平臺(tái)的智能水肥一體 機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā) J 農(nóng)業(yè)工程 2022 12 7 29 34 6 袁洪波 程曼 龐樹杰 等 日光溫室水肥一體灌溉循環(huán)系 統(tǒng)構(gòu)建及性能試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2014 30 12 72 78 7 郎朗 馮曉蓉 基于 STM32 的水肥一體機(jī)智能控制系統(tǒng)優(yōu) 化研究 J 農(nóng)機(jī)化研究 2022 44 3 116 119 8 孫景生 康紹忠 我國水資源利用現(xiàn)狀與節(jié)水灌溉發(fā)展對(duì) 策 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2000 16 2 1 5 9 王恒 韓慶祥 水資源合理保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展策略研究 J 工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2020 4 157 158 09 第 8 期 朱錦新等 潮汐式育苗營養(yǎng)液循環(huán)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 47 卷 10 張兵 袁壽其 成立 節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展及趨勢(shì) J 排灌機(jī)械 2003 21 2 37 41 11 王薇 陳恩典 黃乾 等 蘋果水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng) 用 J 中國農(nóng)學(xué)通報(bào) 2023 39 7 122 128 12 晁陽 李培東 黃林剛 基于 PLC 的水肥一體化灌溉控制 器設(shè)計(jì) J 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021 60 6 115 118 13 王杰 馬軍 宋昌博 等 溫室大棚智能水肥一體機(jī)的設(shè) 計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)機(jī)化研究 2021 43 12 98 103 109 14 王寶駒 佟靜 梁浩 等 蔬菜潮汐灌溉育苗技術(shù) J 中 國瓜菜 2021 34 12 125 128 15 莊團(tuán)結(jié) 蔬菜潮汐式穴盤育苗營養(yǎng)液濃度及水分吸持特 征的研究 D 北京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 2021 16 康藝凡 高欣娜 黃媛 等 基于基質(zhì)配比的潮汐式育苗 水肥吸持規(guī)律研究 J 中國瓜菜 2023 36 3 85 91 17 田雅楠 曹玲玲 趙立群 等 潮汐式灌溉技術(shù)在蔬菜育 苗上的應(yīng)用 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2021 41 7 26 30 18 吳國娟 智能化潮汐式灌溉系統(tǒng)的研究 J 天津農(nóng)業(yè)科 學(xué) 2018 24 4 53 56 19 王媛媛 一品紅的灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) D 鎮(zhèn)江 江蘇大 學(xué) 2021 20 馬福生 劉洪祿 吳文勇 等 不同灌水下限對(duì)設(shè)施滴灌 無土栽培紅掌水分利用和生長的影響 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué) 報(bào) 2012 28 8 65 70 21 呂愛華 PLC 控制下的溫室灌溉裝置應(yīng)用研究 J 農(nóng)機(jī) 化研究 2023 45 11 217 221 22 沈建煒 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的藍(lán)莓園智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) D 鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué) 2019 23 呂東 王新忠 劉飛 等 管式土壤水分傳感器探頭的研 制 J 農(nóng)機(jī)化研究 2016 38 6 69 73 24 楊進(jìn) 高世華 馬慧敏 等 基于監(jiān)測(cè)技術(shù)的葡萄水肥混 合灌 溉 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) J 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 2023 45 7 256 260 25 文尚勝 左文財(cái) 周悅 等 紫外線消毒技術(shù)的研究現(xiàn)狀 及發(fā)展趨勢(shì) J 光學(xué)技術(shù) 2020 46 6 664 670 26 崔秀敏 王秀峰 蔬菜育苗基質(zhì)及其研究進(jìn)展 J 天津 農(nóng)業(yè)科學(xué) 2001 1 37 42 27 段彬 海為云組態(tài)軟件和 PLC 在污水處理控制系統(tǒng)中的 應(yīng)用 J 焦作大學(xué)學(xué)報(bào) 2022 36 1 92 96 Design of Circulating Irrigation System for Tidal Nursery Nutrient Solution Zhu Jinxin 1 2 Fan Pengfei 2 Zhai Changyuan 1 2 Gao Xinna 3 Kang Yifan 3 Wang Xiu 1 2 1 Institute of Agricultural Engineering Jiangsu University Zhenjiang 212013 China 2 Intelligent Equipment Technolo gy esearch Center Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences Beijing 100097 China 3 Shijiazhuang Academy of Agriculture and Forestry Sciences Shijiazhuang 050041 China Abstract Traditional agricultural irrigation consumes a large amount of water and fertiliser the utilisation rate of nutrient solution is low and irrigation waste liquid pollutes the environment A tidal nutrient solution circulating irrigation system was designed to address the aforementioned issues Based on the weight detection system the system collected various en vironmental data on the spot via the Internet of Things monitoring platform which was then combined with the irrigation parameters set by users to realise automatic nutrient solution allocation and intelligent irrigation The irrigated nutrient so lution was recycled to the liquid storage barrel for later use after a series of treatments in the nutrient solution circulation system which improved the utilisation rate of water and fertiliser and reduces environmental pollution The system s hardware and software were designed and Internet of Things technology was used to realise long distance information in teraction between man and machine Following the creation of the prototype the system was tested and analysed as well as the calibration test of the weighing sensor and the irrigation response accuracy test of the system The results of the tests showed that the linear correlation between weight and current was strong and the weighing sensor was highly accurate The system s irrigation response precision was high reaching over 98 The system is capable of performing circulating irrigation operations well with a stable and reliable operation process and simple man machine interaction and it can provide certain technical references for the design of water saving irrigation systems Key words tidal seedling raising nutrient solution circulation intelligent irrigation Internet of Things technology 19