第卷第期年月西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版 ） （） 網(wǎng)絡(luò)出版時間 ： ： ：網(wǎng)絡(luò)出版地址 ：溫室輕簡式灌溉施肥機(jī)的設(shè)計收稿日期 基金項目 國家自然科學(xué)基金項目 “基于作物信息融合的多尺度溫室環(huán)境控制系統(tǒng)研究 ”（）作者簡介 狄嬌 （），女 ，江蘇溧陽人 ，在讀碩士 ，主要從事農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境模擬與控制研究 。：通信作者 汪小 禙（），男 ，安徽懷寧人 ，教授 ，博士 ，博士生導(dǎo)師 ，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境模擬與調(diào)控研究 。狄嬌，汪小 旵，孫國祥，施印炎，王煊（南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 ，江蘇 南京；江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實驗室 ，江蘇 南京）摘要 【目的 】設(shè)計一款基于比例施肥泵和嵌入式控制器的輕簡式灌溉施肥機(jī) ，為實現(xiàn)溫室大棚無土栽培的肥水一體化灌溉與施肥提供支持 ?！痉椒?】灌溉施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)采用輕型的鋁型材配以萬向輪進(jìn)行設(shè)計 ，硬件主要包括比例施肥泵 、嵌入式控制器 、觸控屏 、多路傳感器 、電磁閥及營養(yǎng)液混合泵等 ，實現(xiàn)種肥水信息的在線監(jiān)測 、多路執(zhí)行設(shè)備的實時控制與人機(jī)交互 ；同時為實現(xiàn)肥水精準(zhǔn)混合建立營養(yǎng)液稀釋模型 ?！窘Y(jié)果 】成功設(shè)計了溫室輕簡式灌溉施肥機(jī) ，在溫室進(jìn)行的肥水混合灌溉試驗表明 ，灌溉施肥機(jī)作業(yè)前營養(yǎng)液母液自混合以上 ，能夠消除營養(yǎng)液母液沉淀產(chǎn)生的肥水不均勻問題 ，灌溉施肥機(jī)電導(dǎo)率 （）控制精度誤差，標(biāo)準(zhǔn)偏差為，能夠滿足溫室無土栽培作物的灌溉施肥要求 ?！窘Y(jié)論 】所設(shè)計的灌溉施肥機(jī)具有較高的肥水混合精度 ，能有效提高肥水利用率 ，建立的營養(yǎng)液稀釋模型為確定作物不同生長期適宜的肥水混合比例提供了一種快速 、簡便的方法 。關(guān)鍵詞 無土栽培 ；灌溉施肥機(jī) ；機(jī)械設(shè)計 ；營養(yǎng)液稀釋模型中圖分類號 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 文章編號 （） ， ， ， ， （ ， ，； ，）：【】 【】 ， ， ， ， ， ， 【】 ， 【】 ， ， ： ； ； ； 溫室無土栽培作物所需的養(yǎng)分和水分均需從灌溉營養(yǎng)液中汲取 ，所以肥水一體化灌溉是溫室無土栽培的核心技術(shù)之一 ，肥水一體化灌溉配套機(jī)具的研制符合我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求 ，具有極其重要的意義。傳統(tǒng)肥水灌溉設(shè)備通常采用文丘里施肥器 ，但其肥水均勻性和濃度無法精確控制 。目前以色列 、荷蘭等設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家肥水一體化技術(shù)已相當(dāng)成熟 ，已開發(fā)應(yīng)用了新型的水溶肥料和功能完善成熟的灌溉施肥機(jī)具，如荷蘭公司生產(chǎn)的灌溉施肥機(jī)和以色列公司生產(chǎn)的自動灌溉施肥機(jī) ，均能有效地控制灌溉水和肥液的混合 ，實現(xiàn)對電導(dǎo)率 （ ，）、酸堿度 （ ，）的精確控制 ，但其價格較貴 。我國肥水一體化技術(shù)的研究與應(yīng)用還處于起步階段 ，國內(nèi)學(xué)者對肥水灌溉設(shè)備也有較多研究，如楊仁全等研制的精密施肥機(jī) ，能精確控制肥液的值和值 ，實現(xiàn)定時 、定量的自動灌溉施肥 ；姚舟華等研制的型溫室自動灌溉施肥機(jī)及俞衛(wèi)東等研制的基于的智能灌溉施肥機(jī) ，均能實現(xiàn)多路營養(yǎng)液 、酸液的動態(tài)配比 ，但這些設(shè)備大多適用于大型溫室多路肥料的混合與施用 ，存在體積大 、營養(yǎng)液沉淀和自動化管理水平不高等問題 。為此 ，本研究采用嵌入式控制器與觸控系統(tǒng)相結(jié)合的硬件控制平臺 ，設(shè)計了一種輕簡式灌溉施肥機(jī) ，擬實現(xiàn)對肥水信息的在線監(jiān)測和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實時控制 ，以解決小型溫室大棚的肥水灌溉一體化問題 ，并以黃瓜為研究對象 ，依據(jù)其不同生長時期的營養(yǎng)需求建立營養(yǎng)液稀釋模型 ，對其各個生長時期適宜的肥水比例進(jìn)行分析 ；同時 ，為了驗證灌溉施肥機(jī)的穩(wěn)定性與可靠性 ，在溫室進(jìn)行了灌溉施肥性能與控制精度測試 ，以期為溫室無土栽培的肥水一體化灌溉與施肥提供支持 。 輕簡式灌溉施肥機(jī)的設(shè)計 灌溉施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理灌溉施肥機(jī)主要由部分組成 ：傳感器 、控制器 、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備 ，其中傳感器包括液位傳感器 、傳感器 、傳感器 、流量傳感器和土壤濕度傳感器 ，控制器包括上位機(jī)觸控系統(tǒng)和下位機(jī)控制器 ，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括比例施肥泵 、進(jìn)水泵 、電磁閥和營養(yǎng)液混合泵 ，輔助設(shè)備包括控制箱 、營養(yǎng)液母液桶 、滴灌帶 、過濾器等 。灌溉施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖所示 。圖 灌溉施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖 第期 狄嬌 ，等 ：溫室輕簡式灌溉施肥機(jī)的設(shè)計當(dāng)進(jìn)行施肥作業(yè)時 ，開啟進(jìn)水泵 、進(jìn)水閥 、進(jìn)肥閥和施肥閥 ，灌溉水經(jīng)過濾器進(jìn)入比例泵 ，同時在水壓的驅(qū)動下 ，吸肥管吸取相應(yīng)比率的肥液和灌溉水一起經(jīng)滴灌帶輸送到作物根部 。比例施肥泵的比例調(diào)節(jié)范圍為，肥水混合前可以根據(jù)作物所需的肥水比例轉(zhuǎn)動 “”型調(diào)節(jié)鎖調(diào)節(jié)比例 ，肥水混合的比例在工作中保持恒定 。營養(yǎng)液母液桶內(nèi)部設(shè)有液位傳感器 ，控制器可實時讀取當(dāng)前母液液位并顯示在觸控界面上 ，當(dāng)液位低于時 ，施肥閥自動關(guān)閉 ，并提示用戶添加母液 。灌溉施肥機(jī)的試驗樣機(jī)如圖所示 。圖 灌溉施肥機(jī)試驗樣機(jī) 營養(yǎng)液與水的均勻混合是均勻施肥的先決條件 。研究中選用固體肥料配制營養(yǎng)液母液 ，多種肥料之間的兼容性問題會使混合溶液產(chǎn)生沉淀 ，導(dǎo)致比例混合后的灌溉營養(yǎng)液值和值不夠準(zhǔn)確 ，從而影響灌溉施肥機(jī)肥水混合的控制精度 ，故在灌溉施肥機(jī)中配置有營養(yǎng)液母液混合泵 ，在施肥作業(yè)前啟動該泵循環(huán)混合營養(yǎng)液母液 ，形成 “自混合 ”，為比例混合泵提供混合均勻的肥液 ，可以有效地提高灌溉施肥機(jī)的控制精度 。 灌溉施肥機(jī)的控制電路灌溉施肥機(jī)控制電路如圖所示 ，控制器上位機(jī)采用型觸控屏 ，下位機(jī)采用基于 內(nèi)核的控制器 ，各傳感器信號經(jīng)模擬量電壓轉(zhuǎn)換模塊接入控制器的模數(shù)接口，控制器對采集到的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ，數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)觸控系統(tǒng) ，上位機(jī)偵聽到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并通過人機(jī)界面直觀顯示 ，實現(xiàn)對各肥水信息的在線監(jiān)測 。通過向觸控系統(tǒng)輸入控制信號 ，選擇施肥機(jī)的工作模式 ：灌溉 、施肥和監(jiān)測 ，同樣控制信號經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給下位機(jī)控制器 ，控制器對信號進(jìn)行解析 ，相應(yīng)地驅(qū)動各執(zhí)行設(shè)備 （電磁閥和營養(yǎng)液混合泵 ）。圖 灌溉施肥機(jī)的控制電路圖 灌溉施肥機(jī)的觸控系統(tǒng)觸控系統(tǒng)通過接口連接下位機(jī)控制器 ，實時顯示與存儲肥水信息 ，其觸控系統(tǒng)界面如圖所示 。利用該觸控系統(tǒng) ，可觸控設(shè)置灌溉施肥機(jī)的工作模式 、查詢系統(tǒng)工作狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)等 。灌溉施肥機(jī)通過觸控系統(tǒng)設(shè)置其控制模式 ，如手動控制與自動控制 ：手動控制模式下 ，實現(xiàn)手動觸控灌溉 、施肥 ，其灌溉時間和灌溉量 、施肥時間和施肥量由用戶決定 ；自動控制模式下 ，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的濕度下限實現(xiàn)自動灌溉 ，即濕度傳感西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版 ） 第卷器實時監(jiān)測基質(zhì)濕度 ，當(dāng)其低于時觸發(fā)中斷 ，定時滴灌。通過在線分析灌溉營養(yǎng)液與前一次灌溉后回收液之間的（，其中表示灌溉液的，表示前一次灌溉后回收液的，參考國內(nèi)外專家推薦固體基質(zhì)栽培的灌溉施肥原則設(shè)計）實現(xiàn)自動施肥 ，設(shè)定對作物進(jìn)行施肥 ，反之不施肥 。圖 灌溉施肥機(jī)觸控系統(tǒng)界面 營養(yǎng)液母液稀釋模型的建立灌溉施肥系統(tǒng)可實現(xiàn)水與營養(yǎng)液母液的自動精確比例混合 ，而營養(yǎng)液母液稀釋模型是實現(xiàn)高效混肥的基礎(chǔ) 。不同作物在不同生長發(fā)育時期對營養(yǎng)液的濃度要求存在一定差異 ，以溫室黃瓜營養(yǎng)液灌溉為例，黃瓜定植前期適宜灌溉營養(yǎng)液的值為，定植后期為，營養(yǎng)生長期為，開 花 期 為，坐果期為，而整個生長發(fā)育時期營養(yǎng)液的最適宜值為。本研究以新津春號黃瓜為研究對象 ，參考黃瓜灌溉營養(yǎng)液的成熟配方，選定相應(yīng)元素肥料配制營養(yǎng)液母液 ，標(biāo)定營養(yǎng)液母液稀釋模型 ，確定適合黃瓜不同生長發(fā)育時期營養(yǎng)需求的稀釋比例 ，為系統(tǒng)肥水混合精準(zhǔn)控制提供決策依據(jù) 。采用凈化水稀釋營養(yǎng)液母液 ，每次取樣本母液 ，稀釋倍數(shù)依次從增加至，標(biāo)定營養(yǎng)液母液在不同稀釋倍數(shù)下的值和值 ，重復(fù)次 ，取其均值為最終標(biāo)定值 ，標(biāo)定液溫度為。標(biāo)定結(jié)果如圖所示 。圖 黃瓜營養(yǎng)液值 、值與稀釋倍數(shù)的關(guān)系 研究中采用不同稀釋倍數(shù)下值和值的次標(biāo)定結(jié)果均值 ，分別建立營養(yǎng)液、值與稀釋倍數(shù)的擬合方程 ，結(jié)果為 ：； （） ； （）式中 ：為營養(yǎng)液母液稀釋倍數(shù) ，為營養(yǎng)液值（），為營養(yǎng)液值 。擬合方程 （）、（）的決定系數(shù)分別為 和 ，該營養(yǎng)液母液稀釋模型方程為黃瓜不同生長期適宜的肥水混合比例提供了參考 。由營養(yǎng)液、值與稀釋倍數(shù)的擬合方程可以得出 ：黃瓜定植前期 、定植后期 、營養(yǎng)生長期及開花坐果期適宜的肥水比例分別為，與。第期 狄嬌 ，等 ：溫室輕簡式灌溉施肥機(jī)的設(shè)計 灌溉施肥機(jī)肥水混合試驗 灌溉施肥機(jī)自混合性能穩(wěn)定試驗 試驗方法試驗在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院的三脊型溫室中進(jìn)行 。具體試驗方案為 ：分別在黃瓜定植前期 、定植后期 、營養(yǎng)生長期及開花坐果期等個不同階段進(jìn)行灌溉營養(yǎng)液的性能測試 ，肥水比例分別為，及，每個階段測試次 ，取次試驗結(jié)果的均值進(jìn)行分析 ，試驗周期貫穿黃瓜的整個生長周期 。每次測試系統(tǒng)運行，每對灌溉營養(yǎng)液采樣次 ，連續(xù)采樣次 ，用精度為的便攜式電導(dǎo)率筆測定樣品的，最后分析系統(tǒng)自混合時間對不同肥水比例灌溉營養(yǎng)液達(dá)到穩(wěn)定值的影響 。系統(tǒng)自混合時間分別設(shè)置為，和。 試驗結(jié)果與分析如圖所示 ，不同肥水比例灌溉營養(yǎng)液的值隨系統(tǒng)自混合時間的不同而變化 。試驗表明 ：滴灌施肥作業(yè)前不開啟自混合功能時 ，肥水比例為，和的灌溉營養(yǎng)液的依次在，和后達(dá)到穩(wěn) 定 值 ，分 別 是，和。而開啟自混合功能，和時 ，各肥水比例營養(yǎng)液的均分別在，和后達(dá)到相應(yīng)穩(wěn)定值 。因此 ，灌溉施肥機(jī)不開啟自混合功能時 ，營養(yǎng)液值的穩(wěn)定與肥水比例有關(guān) ，營養(yǎng)液濃度越大 ，值穩(wěn)定所需時間越長 ；而當(dāng)開啟自混合功能后 ，營養(yǎng)液值的穩(wěn)定與自混合的時間直接有關(guān) ，受肥水比例影響較小 。因此 ，施肥作業(yè)前 ，灌溉施肥機(jī)自混合以上 ，營養(yǎng)液母液即混合均勻 ，灌溉營養(yǎng)液的可達(dá)穩(wěn)定值 ，有效解決了因營養(yǎng)液沉淀帶來的測量誤差 。圖 不同肥水比例灌溉營養(yǎng)液值隨系統(tǒng)自混合時間的變化 灌溉施肥機(jī)肥水混合控制精度試驗 試驗方法選定不同的肥水比例 ，測定肥水混合后相應(yīng)比例的值 ，每種比例重復(fù)試驗次 ，計算實測均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差 ，分析值的控制精度 。每次試驗前 ，灌溉施肥機(jī)自混合，確保營養(yǎng)液混合均勻 。 試驗結(jié)果與分析值控制精度試驗的具體數(shù)據(jù)如表所示 ，其結(jié)果表明 ：本灌溉施肥機(jī)對不同肥水比例營養(yǎng)液的值均具有較好的控制精度 ，控制 精 度 誤 差，標(biāo) 準(zhǔn) 偏 差 為，試驗期間樣機(jī)運行正常 ，性能穩(wěn)定 ，能滿足作物不同生長發(fā)育時期的灌溉施肥需求 。西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版 ） 第卷表 灌溉施肥機(jī)肥水不同比例混合后值控制精度試驗結(jié)果 肥水比例 稀釋后標(biāo)定值 （·） 灌溉時實測均值 （·） 標(biāo)準(zhǔn)偏差 結(jié)論）本研究設(shè)計了基于嵌入式控制器和觸控系統(tǒng)的輕簡式智能灌溉施肥機(jī) ，實現(xiàn)了肥水一體化灌溉施肥 。本灌溉施肥機(jī)體積小 ，使用便捷 ，肥水利用率高 ，能靈活地在溫室大棚中移動使用 ，具有一定的推廣意義 ，尤其適用于溫室無土栽培肥水一體化灌溉施肥 。）研究中對灌溉施肥機(jī)的運行性能進(jìn)行了試驗設(shè)計與分析 ，結(jié)果表明 ：施肥作業(yè)前 ，營養(yǎng)液母液自混合以上 ，即可有效解決因營養(yǎng)液沉淀產(chǎn)生的肥水不均勻問題 ；灌溉施肥機(jī)對灌溉營養(yǎng)液值有較好的控制精度 ，精度誤差，標(biāo)準(zhǔn)偏差，能夠滿足溫室無土栽培作物的灌溉施肥要求 。）由于比例泵的肥水比例在施肥作業(yè)前按作物生育期需求設(shè)定 ，施肥過程中不能更改 ，故對應(yīng)作物不同生育期所需的肥水比例需定期調(diào)節(jié) ，肥水比例的在線調(diào)節(jié)功能還有待進(jìn)一步完善 。參考文獻(xiàn) 張承林 ，郭彥彪灌溉施肥技術(shù) 北京 ：化學(xué)工業(yè)出版社 ， ， ： ，（ ）郭世榮無土栽培學(xué) 北京 ：中國農(nóng)業(yè)出版社 ， ： ，（ ） ， ， ， ，（）： ， ： ，（）： ， ，（）： ， ， ，：李加念 ，洪添勝 ，馮瑞玨 ，等柑橘園水肥一體化滴灌自動控制裝置的研制 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ，（）： ， ， ， ，（）：（ ）韓麗娜 ，汪小 禙文丘里施肥器水肥分布分析 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) ，（）： ， ，（）：（ ）孫艷琦 ，牛文全文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)對其水力性能的影響 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版 ），（）： ， （ ），（）：（ ）吳松 ，楊春園 ，楊仁全 ，等智能施肥機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)上海交通大學(xué)學(xué)報 （農(nóng)業(yè)科學(xué)版 ），（）： ， ， ， （ ），（）：（ ）聶晶 ，芩紅蕾精準(zhǔn)滴灌施肥自動控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)節(jié)水灌溉 ，（）： ， ，（）：（ ）李加念 ，洪添勝 ，馮瑞玨 ，等基于模糊控制的肥液自動混合裝置設(shè)計與試驗 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ，（）： ， ， ， ，（）：（ ）（下轉(zhuǎn)第頁 ）第期 狄嬌 ，等 ：溫室輕簡式灌溉施肥機(jī)的設(shè)計 ， ，（）：（ ） ， ， ，（）：潘濤小麥免耕播種機(jī)防堵裝置的設(shè)計研究 蘭州 ：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) ， ： ，（ ）趙旭 ，張祖立 ，唐萍 ，等被動式傾斜波紋圓盤破茬刀工作性能試驗 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 ，（）： ， ， ， ，（）：（ ）包文育東北壟作免耕播種機(jī)關(guān)鍵部件研究與整機(jī)設(shè)計 沈陽 ：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) ， ： ，（）白曉虎免耕播種機(jī)關(guān)鍵部件及其參數(shù)化設(shè)計方法研究 沈陽 ：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) ， ： ，（ ）李衛(wèi) ，李問盈 ，孫先鵬幾種圓盤驅(qū)動破茬開溝性能的土槽試驗比較 農(nóng)機(jī)化研究 ，（）：， ， ， ，（）：，（ ）林維宣試驗設(shè)計方法 遼寧大連 ：大連海事大學(xué)出版社 ，： ，： ，：（ ）（上接第頁 ）黃素群 ，徐宏利 ，劉從軍光電旋轉(zhuǎn)編碼器在自動化生產(chǎn)線的應(yīng)用 現(xiàn)代顯示 ，（）： ， ， ，（）：（ ）畢立海 ，王靜 ，金紅兵解決控制系統(tǒng)應(yīng)用中干擾問題的方法 機(jī)械制造與自動化 ，（）： ， ， ，（）：（ ）張存禮控制系統(tǒng)的干擾源分析及抑制干擾對策 電力自動化設(shè)備 ，（）： ，（）：（ ）（上接第頁 ）楊仁全 ，王綱 ，周增產(chǎn) ，等精密施肥機(jī)的研究與應(yīng)用 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ，（）： ， ， ， ，（）：（ ）姚舟華 ，魏新華 ，左志宇自動灌溉施肥機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 ，（）： ， ， ，（）：（ ）俞衛(wèi)東 ，劉永華 ，孔德志 ，等基于的智能灌溉施肥機(jī)的研制 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 ，（）： ， ， ， ，（）：（）蔡象元現(xiàn)代蔬菜溫室設(shè)施和管理 上海 ：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 ， ： ，（ ）西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版 ） 第卷