農(nóng) 業(yè) 與 技 術 農(nóng) 業(yè) 工 程 基 于 的 智 能 灌 溉 施 肥 機 的 設 計 張 明 宇 劉 峰 王 強 鄭 永 鑫 楊 晶 安 帥 霖 吉 林 省 農(nóng) 業(yè) 機 械 研 究 院 吉 林 長 春 摘 要 通 過 結 合 技 術 觸 摸 屏 技 術 和 傳 感 器 技 術 研 究 設 計 了 一 種 基 于 的 智 能 灌 溉 施 肥 機 解 決 了 施 肥 問 題 提 高 了 水 肥 利 用 率 減 少 了 對 環(huán) 境 的 不 利 影 響 同 時 實 現(xiàn) 了 按 需 灌 溉 施 肥 的 精 確 控 制 為 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 的 標 準 化 自 動 化 和 集 約 化 發(fā) 展 提 供 了 必 要 的 保 證 關 鍵 詞 按 需 灌 溉 精 準 控 制 施 肥 機 中 圖 分 類 號 文 獻 標 識 碼 收 稿 日 期 作 者 簡 介 張 明 宇 男 碩 士 高 級 工 程 師 研 究 方 向 農(nóng) 業(yè) 工 程 與 農(nóng) 業(yè) 節(jié) 水 灌 溉 應 用 等 引 言 智 能 灌 溉 和 施 肥 技 術 是 結 合 養(yǎng) 分 溶 液 和 灌 溉 的 自 動 分 配 的 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 技 術 營 養(yǎng) 液 分 配 的 準 確 性 會 影 響 農(nóng) 作 物 的 養(yǎng) 分 供 應 灌 溉 量 會 影 響 農(nóng) 作 物 水 分 的 供 應 精 確 控 制 施 肥 量 灌 溉 量 和 施 肥 時 間 不 僅 可 以 有 效 提 高 農(nóng) 作 物 的 質(zhì) 量 和 產(chǎn) 量 還 可 以 提 高 水 肥 資 源 利 用 率 節(jié) 約 資 源 減 少 環(huán) 境 污 染 目 前 我 國 的 園 藝 保 護 面 積 已 達 萬 占 世 界 總 面 積 的 以 上 在 各 種 溫 室 中 自 動 灌 溉 和 施 肥 的 應 用 已 變 得 越 來 越 普 遍 同 時 自 動 灌 溉 和 施 肥 技 術 在 田 間 栽 培 物 種 中 的 使 用 也 在 增 加 由 于 不 同 作 物 或 同 一 作 物 不 同 生 長 期 的 營 養(yǎng) 液 濃 度 是 動 態(tài) 變 化 的 因 此 現(xiàn) 有 的 灌 溉 和 施 肥 系 統(tǒng) 很 難 滿 足 生 產(chǎn) 要 求 本 文 設 計 了 一 種 智 能 化 灌 溉 施 肥 機 其 包 含 個 營 養(yǎng) 液 通 道 和 個 酸 液 控 制 通 道 可 以 實 現(xiàn) 對 在 線 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 和 肥 液 流 量 智 能 控 制 從 而 實 現(xiàn) 精 確 地 灌 溉 和 施 肥 系 統(tǒng) 總 體 設 計 智 能 化 灌 溉 施 肥 機 主 要 由 個 水 泵 個 流 量 調(diào) 節(jié) 閥 個 儲 肥 裝 置 套 智 能 控 制 系 統(tǒng) 和 若 干 輸 送 管 道 等 組 成 也 可 以 根 據(jù) 用 戶 的 特 殊 需 要 進 行 相 應 地 定 制 如 圖 所 示 施 肥 控 制 器 根 據(jù) 傳 感 器 反 饋 的 參 數(shù) 和 用 戶 設 置 值 調(diào) 節(jié) 電 磁 閥 的 開 度 使 得 流 量 調(diào) 節(jié) 閥 的 肥 液 吸 收 率 達 到 預 設 值 從 而 實 現(xiàn) 精 確 地 肥 液 分 配 灌 溉 控 制 器 通 過 用 戶 設 定 的 預 期 值 與 土 壤 水 分 傳 感 器 采 集 到 的 數(shù) 據(jù) 進 行 對 比 當 土 壤 水 分 傳 感 器 數(shù) 值 到 達 預 設 值 下 限 灌 溉 控 制 器 指 令 灌 溉 泵 的 開 啟 當 土 壤 水 分 傳 感 器 數(shù) 值 到 達 預 設 值 上 限 灌 溉 控 制 器 指 令 灌 溉 泵 的 閉 合 圖 系 統(tǒng) 總 體 設 計 配 肥 與 灌 溉 系 統(tǒng) 設 計 配 肥 系 統(tǒng) 肥 液 分 配 系 統(tǒng) 主 要 包 括 施 肥 管 路 電 磁 閥 肥 液 罐 流 量 調(diào) 節(jié) 閥 和 施 肥 控 制 單 元 該 系 統(tǒng) 可 以 根 據(jù) 作 物 的 不 同 需 求 進 行 相 應 的 初 始 參 數(shù) 設 置 智 能 灌 溉 施 肥 機 配 有 個 肥 液 儲 存 罐 可 以 添 加 不 同 的 肥 液 每 個 肥 液 儲 罐 都 有 個 獨 立 的 流 量 調(diào) 節(jié) 閥 和 個 通 向 主 管 道 的 電 磁 閥 肥 料 通 過 混 合 泵 和 調(diào) 節(jié) 閥 送 到 混 合 罐 將 肥 料 均 勻 混 合 該 系 統(tǒng) 配 備 了 值 和 值 檢 測 功 能 可 根 據(jù) 植 物 的 不 同 需 求 完 成 不 同 比 例 的 灌 溉 施 肥 在 水 肥 混 合 計 時 模 式 下 工 作 時 先 設 置 值 或 值 目 標 值 然 后 在 參 數(shù) 設 置 項 中 選 擇 或 上 下 限 閾 值 選 擇 灌 溉 泵 灌 溉 時 間 混 合 泵 肥 料 罐 施 肥 時 間 灌 溉 渠 道 選 擇 完 成 后 啟 動 設 農(nóng) 業(yè) 工 程 農(nóng) 業(yè) 與 技 術 備 以 完 成 施 肥 操 作 灌 溉 系 統(tǒng) 灌 溉 系 統(tǒng) 主 要 包 括 灌 溉 管 路 電 磁 閥 灌 溉 泵 和 灌 溉 控 制 單 元 當 需 要 給 作 物 進 行 補 水 時 可 以 開 啟 智 能 化 的 按 需 灌 溉 模 式 也 可 以 開 啟 實 現(xiàn) 常 規(guī) 手 動 操 作 模 式 在 常 規(guī) 模 式 下 僅 需 在 參 數(shù) 設 置 項 目 中 打 開 灌 溉 泵 和 灌 溉 通 道 選 擇 項 即 可 實 現(xiàn) 對 灌 溉 的 手 動 控 制 其 它 無 需 打 開 除 了 手 動 模 式 的 選 擇 參 數(shù) 外 還 可 以 將 計 時 模 式 設 置 為 灌 溉 時 間 以 實 現(xiàn) 計 時 灌 溉 檢 測 與 控 制 系 統(tǒng) 設 計 檢 測 系 統(tǒng) 土 壤 水 分 傳 感 裝 置 傳 感 器 傳 感 器 無 線 網(wǎng) 絡 和 轉 換 模 塊 構 成 了 灌 溉 施 肥 機 的 檢 測 系 統(tǒng) 由 于 作 物 區(qū) 安 置 的 土 壤 水 分 傳 感 器 距 離 灌 溉 施 肥 機 的 控 制 單 元 比 較 遠 因 此 選 用 無 線 傳 感 器 配 合 協(xié) 議 組 成 無 線 網(wǎng) 絡 節(jié) 點 控 制 單 元 接 收 到 遠 端 土 壤 水 分 傳 感 器 采 集 的 信 號 進 行 數(shù) 據(jù) 分 析 對 比 然 后 再 對 整 個 灌 溉 施 肥 系 統(tǒng) 的 執(zhí) 行 機 構 發(fā) 出 指 令 本 檢 測 系 統(tǒng) 還 配 備 了 套 傳 感 器 進 行 測 試 營 養(yǎng) 液 的 濃 度 和 酸 度 個 作 為 系 統(tǒng) 控 制 信 號 個 作 為 監(jiān) 視 信 號 控 制 系 統(tǒng) 控 制 系 統(tǒng) 由 電 氣 控 制 系 統(tǒng) 和 智 能 控 制 器 部 分 組 成 用 于 灌 溉 施 肥 機 工 作 過 程 的 自 動 控 制 控 制 器 主 芯 片 選 用 超 高 速 單 片 機 其 具 有 超 強 抗 干 擾 超 低 價 高 速 低 功 耗 等 特 點 系 統(tǒng) 輸 入 包 含 路 光 電 隔 離 開 關 量 輸 入 路 位 模 擬 量 采 集 路 模 擬 量 輸 出 路 繼 電 器 無 源 輸 出 路 標 準 接 口 通 過 的 與 觸 摸 屏 進 行 通 訊 觸 摸 屏 用 來 顯 示 值 水 泵 電 磁 閥 調(diào) 節(jié) 閥 運 行 狀 態(tài) 可 以 動 畫 直 觀 顯 示 管 網(wǎng) 運 行 圖 并 將 設 置 參 數(shù) 運 行 指 令 傳 給 由 根 據(jù) 運 行 條 件 來 啟 動 相 應 的 水 泵 和 控 制 電 磁 閥 的 動 作 也 可 根 據(jù) 值 的 控 制 調(diào) 節(jié) 閥 來 控 制 營 養(yǎng) 液 濃 度 和 酸 堿 度 具 體 電 氣 原 理 主 控 如 圖 所 示 圖 電 氣 原 理 主 控 圖 軟 件 設 計 編 程 編 程 采 用 觸 摸 屏 自 帶 的 編 程 軟 件 程 序 主 要 功 能 包 括 系 統(tǒng) 啟 動 后 用 戶 可 以 選 擇 種 工 作 模 式 手 動 模 式 自 動 模 式 能 夠 實 時 顯 示 監(jiān) 測 到 的 土 壤 濕 度 壓 力 等 參 數(shù) 一 旦 參 數(shù) 值 超 出 預 期 用 戶 設 定 的 上 下 限 閾 值 會 出 現(xiàn) 預 警 提 示 在 灌 溉 施 肥 機 處 于 自 動 模 式 工 作 狀 態(tài) 下 系 統(tǒng) 會 根 據(jù) 傳 感 器 檢 測 參 數(shù) 反 饋 的 信 號 和 用 戶 設 定 值 進 行 分 析 比 對 最 后 判 定 系 統(tǒng) 做 出 是 否 開 啟 灌 溉 模 式 或 者 施 肥 模 式 在 灌 溉 施 肥 機 處 于 手 動 模 式 工 作 狀 態(tài) 下 系 統(tǒng) 可 以 進 行 灌 溉 施 肥 操 作 以 及 設 置 灌 溉 周 期 施 肥 量 和 灌 溉 施 肥 通 道 的 選 擇 控 制 人 機 界 面 設 計 在 觸 摸 屏 上 用 軟 件 繪 制 和 處 理 功 能 性 任 務 邏 輯 屏 幕 利 用 其 組 態(tài) 軟 件 對 觸 摸 界 面 的 觸 摸 工 作 關 系 進 行 配 置 生 成 個 組 態(tài) 文 件 將 組 態(tài) 文 件 下 載 到 可 以 進 行 測 試 和 修 改 的 觸 摸 屏 的 終 端 使 用 戶 計 劃 監(jiān) 測 到 參 數(shù) 能 夠 和 屏 幕 上 的 變 量 相 匹 配 同 時 得 到 設 備 和 控 制 設 備 的 邏 輯 程 序 設 置 在 操 作 系 統(tǒng) 中 嵌 入 的 任 務 通 過 串 口 與 液 晶 觸 摸 屏 通 信 外 部 設 備 收 集 的 數(shù) 據(jù) 將 被 正 常 工 作 的 邏 輯 模 塊 進 行 處 理 并 轉 換 實 時 顯 示 在 觸 摸 屏 上 其 可 以 負 責 數(shù) 據(jù) 顯 示 和 修 改 如 圖 所 示 農(nóng) 業(yè) 與 技 術 農(nóng) 業(yè) 工 程 圖 人 機 界 面 人 機 界 面 主 要 包 括 檢 測 參 數(shù) 設 置 模 塊 主 要 設 置 值 和 值 壓 力 參 數(shù) 灌 溉 施 肥 模 塊 可 以 選 擇 灌 溉 施 肥 或 者 灌 溉 施 肥 同 時 進 行 以 及 灌 溉 施 肥 通 道 的 參 數(shù) 設 置 等 主 控 制 接 口 模 塊 實 時 顯 示 檢 測 值 壓 力 手 動 自 動 模 式 的 選 擇 和 灌 溉 施 肥 周 期 的 選 擇 等 報 警 設 置 模 塊 設 置 值 和 值 上 下 限 可 以 自 動 進 行 閾 值 預 警 展 望 本 文 以 溫 室 中 的 精 確 灌 溉 和 施 肥 系 統(tǒng) 為 研 究 對 象 應 用 到 當 前 在 生 產(chǎn) 中 的 常 規(guī) 做 法 收 集 和 值 從 而 間 接 判 斷 作 物 的 水 肥 供 應 最 科 學 的 水 肥 管 理 目 標 應 該 是 哪 里 的 農(nóng) 作 物 缺 水 就 補 給 相 應 的 水 量 哪 里 的 農(nóng) 作 物 缺 肥 就 補 給 相 應 的 肥 量 但 這 需 要 能 夠 準 確 檢 測 出 作 物 中 水 分 和 肥 料 的 流 失 情 況 解 決 此 問 題 的 方 法 是 進 行 生 理 學 研 究 研 發(fā) 出 可 直 接 測 量 農(nóng) 作 物 生 理 參 數(shù) 的 傳 感 器 監(jiān) 控 設 備 并 將 間 接 測 量 改 為 直 接 測 量 進 而 為 作 物 的 水 肥 控 制 精 準 化 提 供 技 術 支 持 參 考 文 獻 李 清 明 鄒 志 榮 不 同 灌 溉 上 限 對 溫 室 黃 瓜 初 花 期 生 長 動 態(tài) 產(chǎn) 量 及 品 質(zhì) 的 影 響 西 北 農(nóng) 林 科 技 大 學 學 報 自 然 科 學 版 陳 小 彬 水 肥 一 體 化 技 術 在 設 施 農(nóng) 業(yè) 中 的 應 用 調(diào) 查 福 州 福 建 農(nóng) 林 大 學 張 玉 龍 保 護 地 土 壤 水 分 管 理 及 其 土 壤 退 化 防 治 技 術 研 究 進 展 與 展 望 沈 陽 農(nóng) 業(yè) 大 學 學 報 郭 世 榮 孫 錦 束 勝 等 我 國 設 施 園 藝 概 況 及 發(fā) 展 趨 勢 中 國 蔬 菜 魏 靈 玲 楊 其 長 汪 曉 云 等 多 功 能 水 耕 栽 培 裝 置 營 養(yǎng) 液 自 控 系 統(tǒng) 的 研 制 及 應 用 效 果 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 李 凱 毛 罕 平 李 百 軍 實 時 施 肥 灌 溉 自 動 控 制 系 統(tǒng) 的 研 制 江 蘇 理 工 大 學 學 報 自 然 科 學 版 楊 仁 全 楊 春 園 吳 松 等 精 密 施 肥 機 的 設 計 與 應 用 中 國 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 會 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 北 京 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 會 農(nóng) 業(yè) 生 物 環(huán) 境 與 能 源 工 程 國 際 論 壇 論 文 集 中 國 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 會 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 北 京 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 會 中 國 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 會 吳 玉 發(fā) 水 肥 一 體 化 自 動 精 準 灌 溉 施 肥 設 施 技 術 的 研 究 和 實 現(xiàn) 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 裝 備 鄒 升 毛 罕 平 左 志 宇 基 于 的 灌 溉 施 肥 機 上 位 機 軟 件 系 統(tǒng) 設 計 安 徽 農(nóng) 業(yè) 科 學 張 瓊 趙 春 江 王 成 等 基 于 處 理 器 的 自 動 灌 溉 施 肥 數(shù) 據(jù) 采 集 控 制 系 統(tǒng) 英 文 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 責 任 編 輯 周 康