總 第 219 期 0 引 言 我國是一個水資源缺乏的國家 農(nóng)業(yè)灌溉用水 約占總用水量的 60 化肥用量占世界的 35 平 均單位面積化肥用量是世界平均的 4 倍 現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 污染占全部污染的 47 農(nóng)業(yè)化肥的利用率低 僅為 30 相比發(fā)達國家低 20 在農(nóng)業(yè)中過度投入化肥 所造成的生態(tài)環(huán)境污染 土壤板結(jié) 作物減產(chǎn)已經(jīng)制 約我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展 水肥一體化灌溉系統(tǒng)節(jié)水 節(jié)肥 節(jié)省成本 減少溫室氣體排放 增加施肥效用 是現(xiàn)代溫室農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域必備裝置和必然選擇 具 有顯著的經(jīng)濟和生態(tài)效益 溫室水肥一體化技術(shù)是根據(jù)作物不同生育期實 際的需水需肥規(guī)律而進行科學(xué)灌溉施肥的技術(shù) 傳 統(tǒng)大田漫灌方式導(dǎo)致水肥混合不均勻 營養(yǎng)肥液易 被水流沖刷到大田一側(cè) 造成作物施肥不均勻現(xiàn)象 制約著農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化 集約型和持續(xù)性方向發(fā)展 水 肥一體化設(shè)備可對水肥混合液進行科學(xué)比例調(diào)控 使水和母液以預(yù)期比例均勻混合 解決施肥不均勻 問題 1 裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理 1 1 整體結(jié)構(gòu) 溫室水肥一體化智能灌溉管控裝置主要由視覺 傳感器 溫度傳感器 pH 值傳感器 EC 值傳感器 微 機系統(tǒng) 攪拌桿 調(diào)配箱 水泵 灌溉噴頭和單片機組 成 微機系統(tǒng)位于溫室內(nèi)壁 與各個傳感器相連 攪 拌桿 調(diào)配箱和水泵位于溫室外部 灌溉噴頭位于溫 室上方 1 攪拌桿 2 調(diào)配箱 3 單片機 4 水泵 5 微機系統(tǒng) 6 灌 溉噴頭 7 視覺傳感器 8 溫度傳感器 9 pH 值傳感器 圖 1 溫室水肥一體化智能管控裝置示意圖 1 2 工作原理 通過視覺傳感器 溫度傳感器 pH 值傳感器 EC 值傳感器對溫室內(nèi)環(huán)境進行信息采集 向微機系 統(tǒng)輸入相關(guān)信息 微機系統(tǒng)分析數(shù)據(jù) 根據(jù)多種地域 土壤和設(shè)施果蔬種類組合成復(fù)雜交錯的數(shù)據(jù)庫 決 策出最佳水肥配比灌溉方案 根據(jù)提供的水肥配液 方案 水肥在調(diào)配箱中均勻混合 再通過水泵將配比 好的水肥輸送到灌溉噴頭從而達到對農(nóng)作物施肥的 目的 實施過程中微機系統(tǒng)根據(jù)溫室植物工廠中環(huán)境 實時顯示作物生長狀態(tài) 溫度 液位 pH 值 EC 值等 信息 并變更配比灌溉策略 從而實現(xiàn)溫室植物智能 管控水肥實施作業(yè)的優(yōu)化調(diào)控與節(jié)肥增效的目標(biāo) 溫室水肥一體化智能灌溉管控裝置設(shè)計 李 爽 1 崔翀翔 2 陳奕萌 1 繆 宏 1 胡小琴 3 徐 杰 2 楊 錚 1 1 揚州大學(xué) 江蘇 揚州 225000 2 揚州大學(xué)廣陵學(xué)院 江蘇 揚州 225000 3 江蘇德利爾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司 江蘇 宿遷 223800 摘 要 針對我國農(nóng)業(yè)化肥的利用率低造成的資源浪費 土壤板結(jié)以及作物減產(chǎn)等問題 設(shè)計溫室水 肥一體化智能灌溉管控裝置 基于樹莓派 3B 為核心的上位機系統(tǒng)和 Arduino 開發(fā)板為核心的下位 機系統(tǒng)設(shè)計一套溫室水肥智能控制系統(tǒng) 根據(jù)溫室植物工廠中環(huán)境實時顯示作物生長狀態(tài) 溫度 液 位 pH 值 EC 值等信息 并變更配比灌溉策略 從而實現(xiàn)溫室植物智能管控水肥實施作業(yè)的優(yōu)化調(diào) 控與節(jié)肥增效的目標(biāo) 關(guān)鍵詞 溫室 水肥 智能化 管控 Agricultural Equipment Technology Vol 46 5 Oct 2020 第 46 卷第 5 期 2020 年 10 月 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) 13 總 第 219 期 圖 2 系統(tǒng)控制原理圖 2 系統(tǒng)設(shè)計 2 1 控制系統(tǒng)設(shè)計 適用于溫室環(huán)境下的水肥一體化智能管控系統(tǒng) 設(shè)計如圖 2 所示 系統(tǒng)主要由電源 上位機 下位機 和手機 APP 組成 系統(tǒng)所用電源為直流轉(zhuǎn)換器 將 220 V 家用交流電轉(zhuǎn)換為直流隔膜所需的直流電 根據(jù)隔膜泵的工作參數(shù) 選用性能穩(wěn)定的直流轉(zhuǎn)換 器可有效保護控制電路 上位機是基于樹莓派 3B 開 發(fā)板所研發(fā)的調(diào)價控制系統(tǒng) 負責(zé)人機交互控制 濕 潤時間控制 水肥混合比例調(diào)節(jié)控制 施肥時間控制 和清洗時間控制等 下位機是基于 Arduino 開發(fā)板 的水速和肥速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 為上位機運行各個控 制階段的控制算法提供實時數(shù)據(jù)支持 下位機也是 手機 APP 與上位機通信的中間設(shè)備 負責(zé)兩者之間 的數(shù)據(jù)傳輸 2 2 上位機系統(tǒng)硬件設(shè)計 上位機以樹莓派 3B 為控制核心的調(diào)節(jié)控制系 統(tǒng) 硬件組成包括樹莓派 3B 調(diào)速控制模塊 直流隔 膜泵 繼電器 蜂鳴器 矩陣按鍵鍵盤 LCD1602 液晶 顯示屏 導(dǎo)線 杜邦線 上位機利用上述硬件模塊完 成灌溉施肥任務(wù)控制 具體控制過程為 上位機控制 通過控制矩陣按鍵鍵盤或接收 APP 所發(fā)送的數(shù)據(jù) 以獲取總的灌溉水量和肥量 通過所獲取的灌溉水 量和肥量計算施肥過程中的標(biāo)準(zhǔn)水肥比例 系統(tǒng)根 據(jù)在潤濕階段所獲取的水速 計算出期望肥速并判 斷該值是否在系統(tǒng)可調(diào)控范圍內(nèi) 若肥速可調(diào)控 系 統(tǒng)將計算潤濕溫室土壤環(huán)境所占用的時間 該時間 段過后 系統(tǒng)通過控制直流隔膜泵開啟施肥過程 根 據(jù)實時水肥比例與標(biāo)準(zhǔn)水肥比例之間的誤差 系統(tǒng) 通過調(diào)速模塊調(diào)控直流隔膜泵的施肥速率 直至兩 者之間的誤差達到系統(tǒng)所設(shè)置的誤差范圍 參考文獻 1 宋新財 溫室輕簡水肥一體化控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) D 泰 安 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 2020 2 賈宋楠 劉勝堯 范鳳翠 等 日光溫室秋冬茬番茄滴灌水肥 一體化技術(shù)規(guī)程 J 河北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 24 3 48 50 3 王振民 溫室水肥一體化灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用 D 大慶 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 2020 4 曹毅 基于物聯(lián)網(wǎng)水肥控制系統(tǒng)的設(shè)施葡萄灌溉施肥模 式研究 D 大慶 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 2020 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) AET 2020 5 14