移動式灌溉施肥機設計

張 青，栗方亮，孔慶波

(福建省農業科學院土壤肥料研究所，福建 福州 350013)

0 引言

水肥一體化技術因其具有節水、節肥、省工和高效等顯著優點，在發達國家已得到廣泛應用[1-6]。水肥一體化實現了作物在吸收水分的同時吸收養分[7-9]。首部加壓系統是整個灌溉施肥系統中的動力核心，目前常用的首部加壓系統是建設在泵房內，根據種植場大小規模設計，但一旦規格確定下來，就很難更改移動[10-11]。另外，泵房式首部加壓系統是固定在果園的某個位置，其特點為體積龐大、投資成本高，在小面積的農田上難以推廣應用[12-13]。

針對以上問題，本文設計開發了一種能在小面積農田上實現遠程遙控灌溉施肥的低成本可移動式灌溉施肥機。該裝置通過小車與水肥一體化設備相結合，在車底盤上安裝灌溉施肥設備及遠程控制器。其工作原理：當移動小車工作時，通過小車的手柄和車輪，人為推動小車向前移動至所需灌溉區域，通過車上的灌溉裝置進行人為灌溉或者遠程遙控灌溉。整個裝置采用移動式的小車結構，能夠滿足小面積田塊灌溉施肥系統的要求，操作移動方便、迅速，且占地空間小。同時整套設備的規格大小可以根據田塊面積的大小而靈活調整，成本低廉、操作方便且便于推廣。

1 總體方案設計

本研究設計了一套面向農田灌溉的移動式灌溉施肥機，系統按模塊劃分為移動式小車模塊、灌溉施肥模塊、遠程控制模塊及信息采集4個部分。灌溉施肥模塊包括儲水罐(貯存水分的容器或水池，可作為獨立的一部分)、施肥罐、電子打火汽油泵、過濾器及文里丘等。遠程控制模塊采用遠程遙控器操作技術，在適合的距離內，實現片區管理灌溉施肥。由于研究目標是將灌溉系統放置在可移動的小車上，實現減少占地面積，方便移動且可遠程控制的功能，因此對操作便攜性具有較高的要求。遙控器遠程控制具有經濟、方便且容易操作等優點，非常適用于農田灌溉設備的控制，可為下一步進行更多農田目標的水肥灌溉打好基礎。系統結構如圖1所示。

信息采集部分由肥液傳感器、水位傳感器、電源電量傳感器和土壤溫濕度傳感器構成。肥液傳感器用于肥料罐中肥位的低位報警；水位傳感器用于儲水罐水位的低位報警；電源電量傳感器用于檢測電量的多少；土壤溫濕度傳感器用來測量土壤環境的溫濕度信息，同時在控制顯示面板中顯示相關信息。其中，控制顯示面板還具有顯示系統使用記錄的功能，如系統開啟時間的顯示。

2 系統子模塊設計

2.1 移動式小車模塊

移動式小車模塊由車輪、車底盤、車手柄及車上配屬的水肥一體化設備等組成。移動式小車側面結構如圖2所示，俯視結構如圖3所示。

車底盤上設置有主水管、三通管、文里丘、控制面板、混肥管、三角閥門和空氣閥等灌溉施肥裝置。控制面板內設置有控制器，用于控制電子閥門和電子打火汽油泵，并通過車底盤設置的電池為其和電子閥門供電，同時管路中設置有壓力表，起到水壓的檢測功能。整個裝置中，儲水罐分別通過主水管、混肥管與三通管的兩個輸入口相連通，三通管連接至電子打火汽油泵，混肥管經出料管與施肥罐相連通，混肥管與出料管之間的連接處設有文丘里，起到將容器內的氣體抽吸出來的作用。電子打火汽油泵輸出端經管路連接至過濾器的輸入端，過濾器的輸出端經管路連接三角閥門的輸入端，其中，三角閥門的另一個輸入端與施肥罐相連通，三角閥門的輸出端連接至田間管道系統的出管，且出管上設置有空氣閥。

2.2 灌溉施肥模塊

控制裝置通過電子打火汽油泵和電磁閥的開關操作，分別控制清水管道和肥液管道的通斷，從而控制汽油泵對水和肥液的抽吸。當系統與遙控器功能初始化后，在合適距離內進行遠程控制灌溉。根據農藝專家的建議，將灌溉施肥程序分為以下3個階段[14]。

(1)尋管。選擇片區，打開水池出水閥和電子打火汽油泵進行清水滴灌，在滴灌過程中，查看田間管網是否損壞，如果有損壞，及時更換，防止肥液的浪費。

(2)水肥一體化。尋管結束后，打開肥料閥門，按比例注入肥料母液，經出料管至過濾器，通過水壓監控，后經片區閥門水肥混合液進入田間管道系統。

(3)清管。關閉肥池出水閥停止肥液注入，進行清水滴灌灌水，以使管道中殘留的肥液全部流出，達到較理想的水肥一體化施用效果。

按此程序，輪流選擇其他片區進行灌溉施肥。該水肥滴灌控制程序可根據當地農作物的土壤類型、氣候及農作物生長狀況等實際情況進行定制，如果土壤已經很濕潤則可以省略第1階段的清水滴灌。灌溉施肥流程如圖4所示。

2.3 遠程控制模塊

移動式灌溉施肥機灌溉/施肥工作過程的遠程控制主要依靠各傳感器和遙控器裝置實現對片區開關、電子打火汽油泵及肥料罐閥門的控制。通過距離測試傳感器檢測出遙控器與系統的實際距離，與遙控距離的要求進行比較。如果實際距離超過預定限度，則遙控器按鍵控制系統無反應，且遙控器指示燈亮提示遙控距離過遠；如果實際距離在預定限度之內，則相繼判斷水位、肥位及電量的實時信息。若其中有一個低位報警，則遙控器主動發出報警信號，并在1 min后，水肥一體化系統自動將其關閉。遠程控制流程如圖5所示。

3 性能測試試驗與分析

3.1 灌溉施肥性能測試

按照圖2～3所示的安裝方法，將移動式灌溉施肥機安裝在試驗田中進行了約3個月的水肥一體化控制試驗。試驗期間，灌溉施肥機每1 d進行一次清水滴灌，每5 d進行一次水肥滴灌，按照表1進行備肥、尋管、灌溉施肥及清管等一系列操作，并且不定時地通過手動或者遠程遙控方式啟動清水或水肥滴灌。

試驗結果表明，控制裝置在整個試驗期間穩定運行、未出現故障。各電子閥門可靠地進行多次的開關動作。控制裝置不僅能夠按所需要的水肥一體化灌溉地點，準確地移動小車到達目的地，還能根據實際灌溉需求進行手動或遠程控制灌溉。

表1 水肥一體化電磁閥啟閉狀態

3.2 遠程控制性能測試

為驗證遠程遙控控制系統效果，對研制的移動式灌溉施肥機在試驗田中先后進行多次試驗。試驗測試時做如下約束。

(1)測量灌溉施肥機的控制距離時，將遙控器分別至于距離系統50、100、200、400、800、1 000、1 200和1 400 m處，進行遠程遙控控制。

(2)測試灌溉施肥機的控制指令性能時，對汽油泵和肥料閥的開關及片區選擇進行指令操作，從而得到控制指令執行性能的情況。

從表2可看出，在遙控規定距離的800 m內，系統對遙控器所做出的控制指令全部執行，當遙控距離超過800 m后，系統對控制指令的執行不穩定。

試驗證明，在遙控規定的距離內，遙控器遠程控制系統能夠有效執行。

表2 遙控器遠程控制性能測試

4 討論與結論

本文采用移動式小車加載水肥一體化首部加壓系統，代替首部固定模式，實現水肥一體化首部樞紐的移動性，其做法為車底盤上放置水肥一體化首部系統，使用遠程遙控器模式，實現對汽油泵、肥料罐的開關操作及灌溉片區的選擇功能，從而實現移動式水肥一體化。試驗表明，移動式灌溉施肥機的移動性能良好，灌溉裝置穩定有效，遙控器控制精度高。該系統具有可靠性和可行性，對于推進水肥一體化節水灌溉施肥控制技術的發展，研究農作物灌溉制度、施肥制度具有實際意義。