水肥一體化自動控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了提高農(nóng)業(yè)水肥利用率，設(shè)計了水肥一體化自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)整合了計算機技術(shù)、電子信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和施肥技術(shù)，實現(xiàn)自動化、精準(zhǔn)化灌溉施肥，全面提升農(nóng)田水肥利用效率，不僅節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)能、節(jié)省人力，還可大大提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時減輕了施肥對環(huán)境的污染。以藁城試驗田中的小麥和玉米為例，整體可節(jié)水22%～47%，小麥增產(chǎn)15%～25%，玉米增產(chǎn)20%～35%，同時節(jié)省土地6%～8%，節(jié)省用工58%～76%。

關(guān)鍵詞：水肥一體化；專家知識庫系統(tǒng)；智能操作系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）11-2902-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.049

農(nóng)業(yè)用水約占全國用水總量的73%，以小麥和玉米為例，其用水量占到中國農(nóng)業(yè)總用水量的60%[1，2]，但有效利用率低，水資源浪費十分嚴重。如何踐行2015年中央一號文件提出的“穩(wěn)糧增收、提質(zhì)增效、創(chuàng)新驅(qū)動”的要求，努力在提高糧食生產(chǎn)能力上挖掘新潛力，在優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)上開辟新途徑，在轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式上尋求新突破，在促進農(nóng)民增收上獲得新成效，除了調(diào)整結(jié)構(gòu)發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)外，從技術(shù)環(huán)節(jié)開展節(jié)水設(shè)備研究迫在眉睫[3]。

中國目前水肥一體化自動控制系統(tǒng)主要依靠國外技術(shù)及設(shè)備的引進，存在著配套軟硬件成本高，不適宜中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際情況，難于推廣應(yīng)用等問題。而國內(nèi)現(xiàn)在使用的水肥一體化集中供給系統(tǒng)無法對微滴灌進行定時以及定量等完全自動化處理，并且與農(nóng)藝技術(shù)脫節(jié)，系統(tǒng)應(yīng)用性差、成本高，制約著水肥一體化自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[4，5]。針對以上存在問題，結(jié)合中國農(nóng)作物種植的實際情況，進行水肥一體化自動控制系統(tǒng)的設(shè)計[6，7]。該系統(tǒng)實現(xiàn)了“全面感知、可靠傳送、自動處理”三大功能，可智能采集、數(shù)據(jù)分析、準(zhǔn)確定量、變量施肥、機械化自動灌溉等，解決了農(nóng)作物在傳統(tǒng)生產(chǎn)中存在的管理粗放，水肥利用率低，投入高、勞動力成本高、產(chǎn)量低等問題。

1 水肥一體化自動控制系統(tǒng)的架構(gòu)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，使利用現(xiàn)代信息技術(shù)及自動裝備技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)藝節(jié)水成為可能。當(dāng)今研究大田作物與設(shè)施栽培中的自動灌溉技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點[8，9]。該系統(tǒng)由農(nóng)作物環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、農(nóng)作物專家知識庫模塊、農(nóng)作物水肥一體化自動灌溉操作模塊三部分組成。水肥一體化自動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。農(nóng)作物環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊由環(huán)境土壤溫度采集器、環(huán)境土壤水分采集器組成；農(nóng)作物專家知識庫模塊采用農(nóng)藝與信息技術(shù)，結(jié)合實際種植過程中的經(jīng)驗，針對農(nóng)作物在不同季節(jié)、不同生長階段的根水肥吸收規(guī)律建立而成，并結(jié)合農(nóng)作物在生育期內(nèi)對水肥的不同需求以及對實時種植環(huán)境的數(shù)據(jù)采集分析，制定符合該區(qū)域農(nóng)作物生長的水肥一體化自動控制方案[5]； 農(nóng)作物水肥自動操作模塊集計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、自動化技術(shù)、微電子技術(shù)于一體，開發(fā)出水肥一體化自動運行系統(tǒng)。

1.1 農(nóng)作物專家知識庫模塊設(shè)計

針對農(nóng)作物在不同環(huán)境、不同季節(jié)、不同生長階段的水肥耦合規(guī)律，建立了農(nóng)作物水肥一體化灌溉專家知識庫。結(jié)合農(nóng)作物在生育期內(nèi)對水肥的不同需求以及對種植環(huán)境的數(shù)據(jù)采集分析，制定出農(nóng)作物水肥自動灌溉方案。該模塊按照地塊信息、作物信息進行記錄，分別將農(nóng)作物在不同生長時期的配肥方案和水肥灌溉方案記錄在知識庫內(nèi)，形成該系統(tǒng)的農(nóng)作物專家知識庫模塊。該專家知識庫模塊功能實現(xiàn)示意圖如圖2所示。

該模塊采用三層B/S結(jié)構(gòu)，即用戶顯示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層。用戶顯示層是為咨詢用戶提供應(yīng)用服務(wù)的操作界面，有助于用戶直觀、高效地使用農(nóng)作物專家知識庫模塊，該模塊包括產(chǎn)量預(yù)測、品種選擇、合理施肥、施肥預(yù)測分析、效益分析、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和打印等功能[6]。業(yè)務(wù)邏輯層位于顯示層和數(shù)據(jù)層之間，專門為實現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯提供了一個明確的層次，在這個層次封裝了與系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的應(yīng)用模型，并把用戶表示層和數(shù)據(jù)庫代碼分開。這個層次提供用戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)服務(wù)之間的聯(lián)系，主要功能是執(zhí)行應(yīng)用策略和封裝應(yīng)用模式，并將封裝的模式呈現(xiàn)給用戶應(yīng)用程序，主要包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)顯示和輸出以及數(shù)據(jù)接口，通過一些程序文件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)層和用戶顯示層連接。數(shù)據(jù)層是三層模式中的最底層，它用來定義、維護、訪問和更新數(shù)據(jù)并管理和滿足應(yīng)用服務(wù)對數(shù)據(jù)的請求，包括數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識庫文件以及一些調(diào)用這些庫的程序文件。

1.2 水肥一體化自動灌溉操作模塊設(shè)計

該操作系統(tǒng)以微控器理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合通信技術(shù)，研發(fā)出適宜中國農(nóng)作物水肥一體化自動灌溉操作模塊，該模塊針對系統(tǒng)專家知識庫提供的專家意見，根據(jù)該農(nóng)作物在不同時期的水肥需求規(guī)律，通過控制水量和肥量的供給，實現(xiàn)水肥在土壤的分布層與作物吸收層空間同位供給，作物水肥需求的時間強度同步，從而節(jié)約資源，降低水肥成本，提高效益。

該模塊可分為控制子系統(tǒng)、配肥子系統(tǒng)和灌溉子系統(tǒng)三部分。控制子系統(tǒng)根據(jù)專家知識庫提供的數(shù)據(jù)，設(shè)定配肥比重、灌溉時間、灌溉區(qū)域等數(shù)據(jù)，通過總控制器對多個控制節(jié)點進行控制，進行定量定時施肥輪灌。配肥子系統(tǒng)通過上位機的人機界面、PC機或遠程控制界面設(shè)定配肥方案；配肥控制系統(tǒng)通過控制器對直流變頻器的控制實現(xiàn)對水泵和肥泵的控制，從而完成配肥過程。灌溉子系統(tǒng)通過上位機的人機界面、PC機或遠程控制界面設(shè)定控制方案，來實現(xiàn)定量定時定區(qū)域的灌溉。

該模塊最終根據(jù)專家知識庫提供的水肥灌溉方案及EC/pH實時監(jiān)測值等信息傳至上位機系統(tǒng)，進行定時、定量、定次數(shù)、選模式功能的設(shè)定來實現(xiàn)對水泵、肥泵、微滴灌系統(tǒng)的管控及預(yù)警服務(wù)。結(jié)合農(nóng)藝技術(shù)控制水量和肥量來調(diào)節(jié)EC值、pH，實現(xiàn)水肥同步同位灌溉，并根據(jù)農(nóng)作物生長階段的目標(biāo)值進行自動灌溉。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對多個控制節(jié)點的控制，控制單元及控制面積依據(jù)水泵的出水量與微滴灌系統(tǒng)布局來確定。農(nóng)作物水肥一體化自動灌溉操作模塊示意圖如圖3。

1.3 農(nóng)作物水肥一體化自動控制系統(tǒng)的工作流程

該系統(tǒng)首先根據(jù)實際環(huán)境的采集數(shù)據(jù)以及用戶輸入的農(nóng)作物相關(guān)數(shù)據(jù)，通過專家知識庫查詢，制定出適合該區(qū)域農(nóng)作物種植的最佳灌溉施肥的時間和量，并實時傳遞EC值、pH等數(shù)據(jù)來控制灌溉量，從而達到節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)、增效的目標(biāo)。農(nóng)作物水肥一體化自動控制系統(tǒng)的工作流程圖如圖4。

2 系統(tǒng)操作頁面

水肥一體化智能控制系統(tǒng)專家知識庫模塊顯示操作頁面示意圖如圖5，水肥一體化智能控制系統(tǒng)操作模塊頁面示意圖如圖6。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

該系統(tǒng)在河北廊坊、石家莊藁城、衡水冀州、邯鄲邱縣、邢臺威縣、保定、天津、山東等地的應(yīng)用，結(jié)果表明，增產(chǎn)、增值、節(jié)支效果明顯。以石家莊藁城試驗田的小麥和玉米為例，整體節(jié)水22%～47%，小麥增產(chǎn)15%～25%，玉米增產(chǎn)20%～35%，節(jié)省土地6%～8%，節(jié)省用工58%～76%，提高了勞動生產(chǎn)率，降低了病害發(fā)生率，提高了農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。僅保定地區(qū)2013年應(yīng)用面積9.07 hm2，2014年應(yīng)用面積21 hm2，2015應(yīng)用面積39.1 hm2。平均每公頃每年節(jié)省用工50 550元，節(jié)約用肥675 kg，節(jié)水4 200 t，節(jié)電714元，節(jié)藥1 800元；平均每公頃每年節(jié)約成本58 015元，增加收益22 500元，3年累計新增銷售額155.55萬元，節(jié)約開支401.06萬元，新增利潤556.619萬元。保定地區(qū)水肥一體化自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果如表1。

4 小結(jié)

該系統(tǒng)將信息技術(shù)與農(nóng)藝技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的信息化和自動化控制，完成了農(nóng)作物水肥一體化自動控制生產(chǎn)管理功能。根據(jù)農(nóng)作物水肥需求規(guī)律進行施肥與灌溉，對農(nóng)田水分和養(yǎng)分進行綜合調(diào)控和一體化管理，具有肥隨水走，利于作物吸收的特點，通過以水促肥、以肥調(diào)水，實現(xiàn)水肥耦合，全面提升農(nóng)田水肥利用效率，不僅節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)能、節(jié)省人力，而且還可大大提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時減輕了增施肥料對環(huán)境的污染。

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