陳毅飛，楊會(huì)民，喻 晨，王學(xué)農(nóng)，馬 艷

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆烏魯木齊830091；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部林果棉裝備科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站；3.新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

新疆水資源缺乏，據(jù)統(tǒng)計(jì)2019年全疆用水量農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?yàn)?11.4億m3，已超過全疆總用水量的87%[1-2]，顯著超出了2012年《新疆可持續(xù)發(fā)展中有關(guān)水資源的戰(zhàn)略研究》中提到的灌溉用水400億m3[3]，由此可見，新疆水資源使用量嚴(yán)重超支，必須加以節(jié)制。同時(shí)，新疆為響應(yīng)國家“雙減”政策不斷深入開展化肥農(nóng)藥減量增效工作?，F(xiàn)代水肥管控技術(shù)能有效將肥料管控與灌溉節(jié)水相結(jié)合[4]，針對南疆設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉施肥現(xiàn)狀，發(fā)展水肥精準(zhǔn)管控技術(shù)是促進(jìn)節(jié)水節(jié)肥、優(yōu)化生態(tài)環(huán)境的可靠途徑[5]。

當(dāng)前，設(shè)施農(nóng)業(yè)中智能連棟溫室使用的水肥一體化設(shè)備大多從國外進(jìn)口，例如以色列Galcon公司的Fertimix水肥一體機(jī)和丹麥Senmatic公司的AMI Penta水肥一體機(jī)等[6]，該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是能有效對水肥溶液進(jìn)行Ec（電導(dǎo)率）及pH值精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，但需專業(yè)維護(hù)團(tuán)隊(duì)定期維護(hù)，且價(jià)格高昂，使用場景一般為大型連棟溫室和智能玻璃溫室。南疆日光溫室目前主要采用壓差罐進(jìn)行水肥一體化施用，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、操作簡單、易維修，但無法調(diào)控水肥比例及集群式智能管控。

結(jié)合南疆實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種適用于南疆日光溫室的基于物聯(lián)網(wǎng)的具有精準(zhǔn)水肥調(diào)控功能的輕簡型水肥一體系統(tǒng)。首先，該水肥一體化系統(tǒng)采用特制的大流量文丘里吸肥裝置，其次利用隔膜式肥量調(diào)節(jié)閥根據(jù)水肥比例要求及施肥時(shí)間調(diào)節(jié)注肥速率，系統(tǒng)可通過對水肥機(jī)水路配置的控制實(shí)現(xiàn)肥料自動(dòng)攪拌。此外，加入物聯(lián)網(wǎng)水肥控制系統(tǒng)，用戶可通過手機(jī)APP對多個(gè)水肥一體系統(tǒng)進(jìn)行集群式操作。因此，該水肥一體化系統(tǒng)具有水肥比例調(diào)節(jié)精準(zhǔn)可控、使用便捷、吸肥量大、成本低廉、多功能融合、結(jié)構(gòu)簡單、可集群式作業(yè)、易于推廣普及等優(yōu)點(diǎn)，水肥利用率也能得到一定比例的提升。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文針對南疆日光溫室水肥管理過程中的實(shí)際需求設(shè)計(jì)了一款具有大流量、水肥比例可調(diào)、自動(dòng)混肥及可遠(yuǎn)程集群式作業(yè)的輕簡型水肥一體化系統(tǒng)，主要設(shè)計(jì)思路如下：

（1）大流量吸肥通道。本系統(tǒng)采用大流量文丘里射流器，該射流器具有防堵、防倒吸、易安裝、高吸肥量功能，以解決水肥一體化系統(tǒng)中肥料溶解不充分、水流倒灌、吸肥量不足等問題。

（2）水肥比例可調(diào)控。日光溫室原有施肥裝置大多為壓差式施肥罐，該施肥罐會(huì)造成施肥時(shí)注肥不均勻的問題。本系統(tǒng)將按照清水灌溉、水肥混合施肥、管道清水沖洗的步驟進(jìn)行操作。首先清水灌溉時(shí)灌溉泵使管道充盈后持壓確保灌水均勻、避免直接施肥導(dǎo)致高濃度肥料燒苗；其次系統(tǒng)可線性調(diào)節(jié)水肥比例，水肥濃度波動(dòng)較小、注肥時(shí)間可精準(zhǔn)掌控；最后為清洗模式，利用清水將肥桶中剩余肥液注入主管道，防止肥液殘留在肥桶中發(fā)酵滋生細(xì)菌，防止化肥殘余溶液滯留[6]。

（3）為便于操作，設(shè)置手動(dòng)、定時(shí)和遠(yuǎn)距離操作3種模式以滿足不同的應(yīng)用場景。用戶可現(xiàn)場手動(dòng)操作水肥一體化設(shè)備，也可用定時(shí)模式，例如夜晚需要施肥、灌溉時(shí)可在白天提前將肥料備好后利用定時(shí)模式在夜間進(jìn)行施肥、灌溉等操作。

本文所設(shè)計(jì)的輕簡水肥一體化系統(tǒng)分為水肥一體化管控云平臺(tái)、水肥一體化控制網(wǎng)絡(luò)和水肥管控終端3部分，如圖1。水肥一體化管控云平臺(tái)主要負(fù)責(zé)水肥一體化控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上傳下達(dá)及存儲(chǔ)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集灌溉泵、施肥泵等設(shè)備的工作狀態(tài)，并反饋給云平臺(tái)，用戶可通過云平臺(tái)進(jìn)行主水啟停功能、肥料攪拌功能、注肥比例調(diào)節(jié)、清洗功能、分區(qū)閥門控制等集群式操作。用戶可使用微信小程序進(jìn)行設(shè)備參數(shù)查詢、錄入、統(tǒng)計(jì)曲線查詢等操作。在日光溫室施肥灌溉過程中，用戶根據(jù)實(shí)際生長情況確定灌溉持續(xù)時(shí)間、施肥持續(xù)時(shí)間，利用水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行灌溉、注肥、管道清洗等操作。

圖1 輕簡型水肥一體化系統(tǒng)示意

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 輕簡型水肥一體機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

輕簡式水肥一體機(jī)管路結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：混肥系統(tǒng)、注肥系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)和支撐機(jī)構(gòu)，其中混肥系統(tǒng)包括肥料桶、混肥閥門、過濾器。注肥系統(tǒng)包括大流量文丘里射流器、網(wǎng)式過濾器、隔膜式肥量調(diào)節(jié)閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、施肥泵。灌溉系統(tǒng)包括主水泵、支路電磁閥/電動(dòng)閥和壓力計(jì)、疊片過濾器[5]。灌溉施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖2，樣機(jī)如圖3。

圖2 灌溉施肥機(jī)結(jié)構(gòu)原理

圖3 輕簡型水肥一體機(jī)樣機(jī)

2.2 輕簡型水肥一體機(jī)的控制系統(tǒng)

輕簡型水肥一體機(jī)電路控制如圖4，該設(shè)備主控器采用基于STM32集成度較高的物聯(lián)網(wǎng)控制器，物聯(lián)網(wǎng)控制器對輸入的控制信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，該設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)自定義Socket通信協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給水肥管控云平臺(tái)，云平臺(tái)通過TCP/IP協(xié)議實(shí)時(shí)偵聽并對集群式物聯(lián)網(wǎng)控制器的設(shè)備進(jìn)行上線識(shí)別與在線監(jiān)測。用戶通過手機(jī)APP、微信小程序、WEB網(wǎng)頁都可對單個(gè)或多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)控制器發(fā)送控制指令。最后控制信號(hào)經(jīng)自定義Socket通信協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給物聯(lián)網(wǎng)控制器，物聯(lián)網(wǎng)控制器根據(jù)協(xié)議進(jìn)行控制信號(hào)解析，相應(yīng)地驅(qū)動(dòng)支路電磁閥/電動(dòng)閥、灌溉電機(jī)、注肥電機(jī)等。

圖4 輕簡型水肥一體機(jī)電路控制系統(tǒng)

3 水肥一體機(jī)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

水肥管控云平臺(tái)通過自定義Socket通信協(xié)議連接基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)控制器，實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)水肥管控?cái)?shù)據(jù)，手機(jī)APP的展示界面如圖5。使用水肥一體化管控平臺(tái)，可綁定多個(gè)水肥一體機(jī)，設(shè)置水肥一體機(jī)的工作模式、查詢設(shè)備工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)歷史曲線等。水肥一體機(jī)通過手機(jī)APP設(shè)置其控制模式，如遠(yuǎn)程點(diǎn)動(dòng)控制、定時(shí)控制。遠(yuǎn)程點(diǎn)動(dòng)控制模式下，用戶在溫室勞作過程中可通過手機(jī)控制主水泵與灌溉分區(qū)閥開啟進(jìn)行灌溉操作，需要施肥時(shí)可遠(yuǎn)程啟動(dòng)施肥泵進(jìn)行水肥一體化作業(yè)，灌溉量、灌溉時(shí)間、施肥量、施肥時(shí)間由用戶遠(yuǎn)程點(diǎn)動(dòng)控制；定時(shí)控制模式下，灌溉作業(yè)時(shí)用戶可設(shè)定單個(gè)或多個(gè)溫室主水泵開啟及持續(xù)時(shí)間，同時(shí)設(shè)定單個(gè)或多個(gè)輪灌組進(jìn)行分區(qū)灌溉，水肥一體化作業(yè)時(shí)可提前設(shè)定注肥泵開啟及持續(xù)時(shí)間，該設(shè)備就會(huì)按時(shí)按比例完成注肥任務(wù)。灌溉及水肥一體化定時(shí)控制可脫機(jī)操作，控制參數(shù)設(shè)置完成后即使斷網(wǎng)情況下，水肥一體機(jī)也會(huì)執(zhí)行相關(guān)定時(shí)灌溉、施肥程序。

圖5 手機(jī)APP展示界面

4 結(jié)語

（1）利用物聯(lián)網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)了水肥一體機(jī)遠(yuǎn)程控制，使日光溫室內(nèi)的水肥一體化施用做到了單體控制和集群式管理，提高了日光溫室的灌溉、施肥一體化管控水平。

（2）設(shè)計(jì)的水肥一體機(jī)解決了日光溫室水肥比例不可控的問題，實(shí)現(xiàn)了水肥比例穩(wěn)定可控，同時(shí)對硬件結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)進(jìn)行了輕簡化設(shè)計(jì)，具有體積小、重量輕、肥桶與管路一體化設(shè)計(jì)、成本較低、使用便捷等特點(diǎn)。

（3）設(shè)計(jì)的水肥一體機(jī)貼近南疆日光溫室農(nóng)戶使用習(xí)慣，具備吸肥量大、肥料自動(dòng)化攪拌、易操作、易維修等特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用及推廣前景。

（4）由于隔膜式肥量調(diào)節(jié)閥需要用戶根據(jù)實(shí)際作物生長周期進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，施肥過程中無法通過物聯(lián)網(wǎng)控制器進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，故該注肥比例遠(yuǎn)程調(diào)控功能應(yīng)繼續(xù)開發(fā)。