草莓水肥一體化立體栽培灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 現(xiàn),李傳輝,雷錦桂,蔡淑芳,林營(yíng)志

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所 350003)

草莓為薔薇科草莓屬多年生草本植物，果實(shí)紅色，外觀呈心形，具有濃郁的水果芳香，含有豐富的維生素C、纖維素及果膠，有助消化、潤(rùn)澤喉部、促進(jìn)胃腸蠕動(dòng)、預(yù)防痔瘡及腸癌等功效，被稱為“水果皇后”，深受人們喜歡。草莓立體栽培是一種省力、高效的現(xiàn)代無(wú)土栽培方式，通過(guò)豎立的栽培柱或其他栽培形式作為植物生長(zhǎng)的載體，充分利用有限空間，不僅能節(jié)約土地，還能提高產(chǎn)量。水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，在灌溉的同時(shí)將肥料配成的肥液一起輸送到作物根部，實(shí)現(xiàn)水和肥一體施用和管理，具有省肥節(jié)水、省工省力、降低濕度、減輕病害、增產(chǎn)提質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。為了提高草莓的水肥利用率及其產(chǎn)量，福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所以自主研發(fā)的水肥機(jī)AB920為控制核心，設(shè)計(jì)一套水肥一體草莓立體栽培灌溉控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)草莓灌溉的自動(dòng)控制，大幅提高工作效率，同時(shí)降低勞動(dòng)力成本，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)立體培栽培用水需求，將溫室草莓種植分成8個(gè)區(qū)域，采用分區(qū)輪灌方式。每個(gè)區(qū)域面積330 m2，種植草莓7200株，估算用水量為1 t/d，峰值流量為2 t/h，最長(zhǎng)間隔期為180 min。

系統(tǒng)以自主研發(fā)的水肥機(jī)AB920為控制核心，簡(jiǎn)單易學(xué)、成本低廉、易于擴(kuò)展。具有輔助配肥、分區(qū)輪灌、定時(shí)輪灌等功能，可結(jié)合種植作物的實(shí)際需水情況制定灌溉計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)灌溉；可以手動(dòng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操控，實(shí)現(xiàn)單個(gè)組件功能檢測(cè)；可對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的異常，在較短時(shí)間內(nèi)通知系統(tǒng)維護(hù)人員排除故障，保障系統(tǒng)高效運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 首部管路

在草莓立體栽培灌溉系統(tǒng)中，肥液存放于儲(chǔ)液池，在一個(gè)相對(duì)封閉的管路內(nèi)流動(dòng)。采用一次配置、循環(huán)灌溉、按需補(bǔ)水補(bǔ)料、整體更換的方式，肥液在使用之初即稀釋配制完成，比在線混肥灌溉系統(tǒng)簡(jiǎn)單。用戶根據(jù)儲(chǔ)液體積計(jì)算出所需的肥料用量，肥料先在肥料桶中溶解，然后送入儲(chǔ)液池稀釋即可，母液濃度不可太高，注肥速率無(wú)須精準(zhǔn)控制，但要注意肥料間的相互作用和影響。

系統(tǒng)首部管路設(shè)計(jì)見圖1。配備3個(gè)帶攪拌溶肥功能的肥料母液桶(A、B、C)，母液經(jīng)球閥、Y型過(guò)濾器、流量計(jì)，通過(guò)文丘里吸入儲(chǔ)液池，同時(shí)完成稀釋和混合，根據(jù)肥料特性可并行吸入或分步吸入，若肥料溶解速度慢，也可以交替溶解注入。

圖1 水肥一體草莓立體栽培灌溉控制系統(tǒng)首部管路設(shè)計(jì)

使用潛水泵作為循環(huán)灌溉主泵，通過(guò)灌溉球閥和配肥球閥形成兩個(gè)管路子系統(tǒng)。灌溉子系統(tǒng)中，肥液在灌溉泵的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)灌溉球閥、主過(guò)濾器、分區(qū)電磁閥送入各個(gè)輪灌區(qū)后，經(jīng)回流管路、滅菌燈、過(guò)濾系統(tǒng)回到儲(chǔ)液池；在配肥子系統(tǒng)中，肥水在灌溉泵驅(qū)動(dòng)下通過(guò)文丘里回流到儲(chǔ)液池，在此過(guò)程中吸入肥料母液，吸取速度可通過(guò)流量計(jì)和球閥調(diào)節(jié)；儲(chǔ)液補(bǔ)水也通過(guò)配肥子系統(tǒng)管路進(jìn)入。

2.2 電氣控制

水肥一體草莓灌溉系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)見圖2，以自主研發(fā)的水肥機(jī)AB920為控制核心，主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)為灌溉主泵、攪拌混合泵和分區(qū)閥門。水培主機(jī)信號(hào)經(jīng)灌溉泵控制柜來(lái)控制大功率灌溉泵的啟閉，通過(guò)控制分區(qū)電磁閥實(shí)現(xiàn)8個(gè)分區(qū)的輪灌，在滿足灌溉間隙的情況下，可擴(kuò)展分區(qū)數(shù)量。主機(jī)通過(guò)液位傳感器監(jiān)測(cè)儲(chǔ)液池的液位情況，使用流量傳感器監(jiān)測(cè)管路流量。

圖2 水肥一體草莓立體栽培灌溉控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水肥機(jī)AB920以LEVI777A觸摸屏為人機(jī)界面，開發(fā)環(huán)境基于Windows中文操作系統(tǒng)，采用維控公司開發(fā)的LEVIStudio組態(tài)軟件。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了草莓立體栽培灌溉的自動(dòng)控制與手動(dòng)控制的功能，主要功能模塊包括狀態(tài)查看、水肥配制、輪灌控制、組件手動(dòng)。灌溉控制系統(tǒng)見圖3。

3.1 狀態(tài)查看

用戶可在觸摸屏上查看當(dāng)前系統(tǒng)各部分的工作狀態(tài)，包括灌溉周期、當(dāng)前輪灌區(qū)等信息，便于用戶隨時(shí)了解灌溉狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。

3.2 水肥配制

水肥配制包括肥料溶解和儲(chǔ)液配制兩部分功能，前者用于肥料溶解，肥料溶解攪拌和其他事務(wù)可以并行執(zhí)行，在肥料攪拌中系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)肥料桶攪拌泵，可大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖3 水肥一體草莓立體栽培灌溉控制系統(tǒng)功能邏輯

由于儲(chǔ)液配制屬于低頻事務(wù)，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，水肥配制采用人工輔助操作的半自動(dòng)方案。配肥時(shí)需要先手動(dòng)將灌溉水流轉(zhuǎn)至配肥回流通道，再?gòu)南到y(tǒng)中啟動(dòng)配肥操作；并在配肥結(jié)束后恢復(fù)為灌溉狀態(tài)。在配肥操作中，啟動(dòng)灌溉泵驅(qū)動(dòng)水流經(jīng)文丘里吸入肥液后回流到儲(chǔ)液池中，在此過(guò)程中完成水肥混合。在水肥配制過(guò)程中灌溉計(jì)劃被禁用。

3.3 輪灌控制

通過(guò)制定符合實(shí)際情況的灌溉計(jì)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)輪灌控制。用戶可設(shè)定最多24個(gè)啟動(dòng)時(shí)間點(diǎn)，每個(gè)時(shí)點(diǎn)設(shè)“灌溉周期”“灌溉時(shí)間”參數(shù)和啟用選項(xiàng)，同時(shí)在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)設(shè)定啟用分區(qū)及其灌溉時(shí)長(zhǎng)(以分鐘為單位)，建立起自動(dòng)灌溉計(jì)劃。例如，用戶設(shè)置啟用1個(gè)時(shí)間點(diǎn)，將啟動(dòng)時(shí)間設(shè)定為20：30，灌溉周期為1 d，2區(qū)啟用4 min、4區(qū)啟用3 min、6區(qū)啟用5 min，則每天的20：30系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)灌溉，首先開啟2區(qū)電磁閥，灌溉2區(qū)4 min后關(guān)閉，開啟4區(qū)電磁閥，灌溉4區(qū)3 min關(guān)閉，開啟6區(qū)電磁閥，灌溉5 min后結(jié)束任務(wù)。

3.4 組件手動(dòng)

該功能用于組件檢修和應(yīng)急灌溉，用戶可通過(guò)開啟組件手動(dòng)功能人為地對(duì)某個(gè)組件進(jìn)行調(diào)試，也可直接控制水泵、電磁閥進(jìn)行灌溉。因手動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)未啟動(dòng)安全監(jiān)測(cè)，因此僅限熟悉系統(tǒng)的用戶使用。在該模式下，計(jì)劃灌溉暫停運(yùn)行。

3.5 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

系統(tǒng)運(yùn)行主界面見圖4。系統(tǒng)投入使用后，運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)界面友好，操作便捷，簡(jiǎn)單實(shí)用，主要畫面包括狀態(tài)查看、水肥配制、計(jì)劃管理、組件手動(dòng)、密碼修改等(圖5-9)。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)水資源總量不足、時(shí)空分布不均，干旱缺水嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)發(fā)展。鑒此，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，實(shí)施化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)，推廣普及水肥一體化等農(nóng)田節(jié)水技術(shù)，全面提升農(nóng)田水肥利用率，是保障國(guó)家糧食安全、發(fā)展現(xiàn)代節(jié)水型農(nóng)業(yè)、轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所以自主研發(fā)的水肥機(jī)AB920為控制核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套水肥一體草莓立體栽培灌溉控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水肥一體化自動(dòng)管理，節(jié)水省肥，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足了水肥一體草莓立體栽培灌溉的實(shí)際生產(chǎn)需求，有效提高草莓栽培灌溉的效率，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣應(yīng)用。