宋成秀，李合營，王雪瑩

（1.山東鋒士信息技術(shù)有限公司，山東 濟南 270000；2.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054）

水資源短缺和化肥用量高是制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸，實施水肥一體化技術(shù)以提高水肥利用效率對于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要[1]。近年來，我國水肥一體化技術(shù)發(fā)展速度呈現(xiàn)快速增加趨勢。水肥一體化設備是實現(xiàn)水肥一體化技術(shù)的重要基礎設施，現(xiàn)階段我國水肥一體化設備的應用呈現(xiàn)引進國外產(chǎn)品與國內(nèi)自行研制發(fā)展并重的特征。國外水肥一體化設備普遍采用互聯(lián)網(wǎng)、EC/pH綜合控制、氣候控制、循環(huán)加熱降溫、自動排水反沖洗、噴霧控制等技術(shù)，基本實現(xiàn)混配肥精準化、智能化和施肥管控一體化[2-4]。國內(nèi)市場上主要產(chǎn)品有施肥罐、施肥池、壓差式施肥機（如比例泵、文丘里、計量泵、普通泵）等[5]。盡管經(jīng)歷了一定發(fā)展，但是我國水肥一體化設備研制應用仍處于初期階段，質(zhì)量和管理水平與發(fā)達國家仍有差距[6]。在設備質(zhì)量方面，存在自動化程度低及施肥不精準的問題；在管理方面，缺乏與之配套的智能灌溉軟件，控制精度不高，不能實現(xiàn)水肥的精準調(diào)控。

云服務技術(shù)在計算機等行業(yè)中的大量應用為提出基于云服務系統(tǒng)實現(xiàn)水肥一體化灌溉設備性能提升提供了參考，但是仍需要在系統(tǒng)構(gòu)建、關(guān)鍵技術(shù)解析中進行加強，并通過應用實例說明其應用效果。基于此，本文基于云服務技術(shù)云服務技術(shù)進行水肥一體智能灌溉設備設計，討論其中的關(guān)鍵技術(shù)，并舉例說明基于云服務的水肥一體智能灌溉設備應用場景及效果。

1 水肥一體化設計方案

基于云服務的智能水肥一體化解決方案由智慧灌溉云平臺和智能水肥一體系統(tǒng)構(gòu)成。智慧灌溉云平臺是整個方案的數(shù)據(jù)處理中心，它接收采集數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)處理，生成最優(yōu)的施肥、灌溉方案，同時可以將方案下發(fā)到控制中心，指導智慧灌溉。智能水肥一體化系統(tǒng)是整個方案的執(zhí)行系統(tǒng)，主要由核心控制器、數(shù)據(jù)采集單元、灌溉控制單元及肥料控制單元組成。核心控制器是整個水肥一體化系統(tǒng)的控制中心，它負責將采集數(shù)據(jù)上傳到云平臺，也負責接收云平臺計算生成的最優(yōu)施肥、灌溉方案，解析執(zhí)行灌溉、施肥計劃。數(shù)據(jù)采集單元負責將當前種植物的實時墑情、氣象等數(shù)據(jù)采集并上傳到核心控制器，核心控制器再上傳至云服務器。灌溉控制單元主要負責泵閥等的開關(guān)，進而精準控制灌溉用水量。肥料控制單元主要負責肥料的配比、混合、投放等施肥工序的執(zhí)行，進而達到精準施肥的目的。

2 水肥一體化技術(shù)實現(xiàn)

2.1 核心控制器工作原理

核心控制器由主控模塊、無線LoRa模塊、4G移動通信模塊、視頻采集模塊、分控制器控制模塊等組成。核心控制器主控模塊負責協(xié)調(diào)各個模塊之間的運行；無線LoRa模塊負責與無線分控制器進行通信；4G移動通信模塊主要是通過4G網(wǎng)絡與智慧灌溉云平臺通信；視頻采集模塊負責采集視頻信息，并上傳至智慧灌溉云平臺；分控制器主要由標準化傳感器接口模塊、無線LoRa模塊、繼電器模塊、485模塊等組成；分控制器主控模塊負責協(xié)調(diào)各個模塊之間的運行；傳感器接口模塊主要用于采集各種傳感器數(shù)據(jù)；無線LoRa模塊負責與核心控制器通過無線通信；繼電器模塊負責核心控制器下發(fā)命令的執(zhí)行。

2.2 核心控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

核心控制器主要由核心控制單元、移動通信單元、無線組網(wǎng)單元、數(shù)據(jù)采集單元、外圍設備驅(qū)動單元、供電單元、數(shù)據(jù)存儲單元組成。核心控制單元負責解析并執(zhí)行用戶通過人機交互界面或者灌溉云平臺下發(fā)的灌溉計劃，進行灌溉過程控制，并對灌溉過程中的信息進行有效反饋，通過以太網(wǎng)、移動通信、無線LoRa將信息上傳到灌溉云平臺或者下發(fā)到分控制器。

數(shù)據(jù)存儲單元包括內(nèi)部存儲單元與外部存儲單元兩部分。內(nèi)部存儲單元采用先進的串行FLASH芯片，能夠快速完成讀寫程序與數(shù)據(jù)。外部存儲單元采用外掛2T存儲硬盤，能夠?qū)σ曨l數(shù)據(jù)、灌溉計劃等進行存儲。

供電單元中，核心控制器采用交流220V/50Hz市電，然后，經(jīng)由開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成直流12 V電源，再通過電源轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵目刂颇K所需直流12 V電源的5 V、3.3 V、1.5 V、1.2 V等直流電源，進而完成對整個核心控制器的供電。

2.3 核心控制器工作流程

水肥一體智能灌溉設備的嵌入式軟件主要由Linux系統(tǒng)軟件和核心控制應用軟件兩部分組成。Linux系統(tǒng)軟件為核心控制應用軟件提供可靠的運行和操作支撐。核心控制應用軟件由灌溉進程控制程序、多地塊水肥分配程序、灌溉云平臺通信程序、分控制器控制程序、人機交互程序和視頻采集程序組成。

1）灌溉進程控制程序。根據(jù)灌溉計劃或人機交互命令執(zhí)行灌溉流程，在灌溉過程中隨時向分控制器控制程序發(fā)送查詢和操作指令，整個灌溉程序可分為19個階段，直至灌溉完成。灌溉過程中，根據(jù)灌溉計劃生成輪灌組的信息，控制灌溉流程中不同狀態(tài)階段的執(zhí)行和跳轉(zhuǎn)。在施肥過程中，通過檢測傳感器的pH值、EC值自動調(diào)整施肥的濃度。

2）多地塊水肥分配程序。多地塊水肥分配程序是根據(jù)灌溉云平臺下發(fā)的灌溉方案，依據(jù)當前水源泵站的流量、水源水量、地塊支管流量、施肥量、灌水量、施肥配置比、作物類型、地塊分布等情況，將灌溉計劃分成最為合理的幾個灌溉組，把最優(yōu)的灌溉組交給執(zhí)行單元執(zhí)行灌溉計劃，以最高的效率完成灌溉施肥過程。

3）智能灌溉云服務通信程序。灌溉云平臺通信程序負責建立、保持、管理與灌溉云平臺的連接，實時接收云平臺下發(fā)的數(shù)據(jù)包，并解析出指令和數(shù)據(jù)內(nèi)容，分發(fā)給其他各單元，同時向其他各單元開放數(shù)據(jù)共享接口。

4）分控制器控制程序。分控制器控制程序主要創(chuàng)建一個事件服務器，同時監(jiān)聽網(wǎng)絡和串口，為請求連接的有線或無線分控制器程序建立對應的連接，接收分控制器程序消息并解析，同時為其他單元開放數(shù)據(jù)共享接口，監(jiān)控各分控制器工作狀態(tài)。該事件服務器實現(xiàn)有線分控制器和無線分控制器的同時控制，為核心控制器安裝到復雜的地況提供有力保障。

5）人機交互程序。人機交互程序用于呈現(xiàn)人工操作界面。管理人員可通過操作界面對核心控制器進行硬件配置、分控制器配置和軟件參數(shù)配置等操作，可以在本地編輯、執(zhí)行自動灌溉計劃/手動灌溉操作流程，還可以執(zhí)行地塊信息管理、歷史數(shù)據(jù)查詢、傳感器數(shù)據(jù)實時查看、監(jiān)視視頻實時查看、回放視頻查看、灌溉計劃執(zhí)行狀態(tài)查看等功能。

6）視頻采集程序。視頻采集程序負責實時監(jiān)測作物的生長情況，查看設備的運行情況。視頻采集程序包括遠程云臺控制、視頻采集、視頻存儲、視頻回放等程序。

7）過濾控制程序。過濾控制程序負責檢測管道壓力變化情況，根據(jù)用戶設定的時間，控制過濾器進行反沖洗，保證灌溉的正常運行。

8）數(shù)據(jù)采集程序。數(shù)據(jù)采集程序主要由模擬量采集、數(shù)字量輸入、開關(guān)量輸出、RS485通信等程序組成。數(shù)據(jù)采集單元采用進口高精度芯片，能夠精確完成采集外部傳感器數(shù)據(jù)，檢測外部設備狀態(tài)，控制外部設備啟停。

2.4 智能水肥一體化系統(tǒng)工作模式

水肥一體智能灌溉管理設備具備三種工作模式：智能控制模式、定量控制模式和手動控制模式。

1）在智能控制模式下，水肥一體智能灌溉設備下載灌溉方案，設備按照灌溉方案要求自動控制設備各單元的運行，實現(xiàn)灌溉方案的精確執(zhí)行。

2）在定量控制模式下，以設備下載的水肥一體灌溉方案為基礎，通過設備的交互裝置設定灌溉水量、施肥量、灌溉時間等關(guān)鍵參數(shù)，滿足對灌溉方案微調(diào)的使用需要。

3）在手動控制模式下，在參照水肥一體灌溉方案的基礎上，通過操作按鈕人工控制水肥一體化設備進行灌溉施肥作業(yè)，滿足自主進行灌溉施肥的需要。

3 水肥一體化設備的應用案例

萊蕪市致遠林果專業(yè)合作社位于辛莊鎮(zhèn)蔡店村，該合作社擁有林果基地200 hm2，依托高效節(jié)水灌溉示范項目，實施灌溉面積66.67 hm2，其中小管出流灌溉面積54.67 hm2，微噴灌面積12 hm2。在首部泵房內(nèi)安裝水肥一體智能管理設備一套，可同時控制8個地塊。

本文選取1.33 hm2蘋果（樹齡7年）、1.33 hm2（樹齡4年）進行試驗示范，蘋果、桃的目標產(chǎn)量分別為每公頃60 000 kg、37 500 kg，應用水肥一體化智慧灌溉設備后，較常規(guī)大水漫灌方式節(jié)水22.7%～54.3%；施肥量合理控制，節(jié)肥23.3%～40.7%，增產(chǎn)6.4～9.9%，果實品質(zhì)得到有效提升。詳見表1和表2。

表1 折合每畝效益分析

表2 對蘋果、桃品質(zhì)的影響

4 結(jié)語

基于云服務的水肥一體智能灌溉設備實現(xiàn)了對作物種植環(huán)境、生長態(tài)勢信息的實時采集和數(shù)據(jù)上傳，能夠自動接收、解析和執(zhí)行云平臺推薦的水肥一體灌溉方案，并支持人工對方案進行優(yōu)化和參數(shù)調(diào)整。示范工程應用實例表明，水肥一體智能灌溉設備不僅能大幅度降低用水、用肥和人工成本，而且可以提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，增加農(nóng)民收入，具有極大的推廣應用價值。