水肥一體智能灌溉設備的研發及應用

宋成秀，李合營，王雪瑩

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

水資源短缺和化肥用量高是制約我國農業可持續發展的重要瓶頸，實施水肥一體化技術以提高水肥利用效率對于我國農業發展至關重要[1]。近年來，我國水肥一體化技術發展速度呈現快速增加趨勢。水肥一體化設備是實現水肥一體化技術的重要基礎設施，現階段我國水肥一體化設備的應用呈現引進國外產品與國內自行研制發展并重的特征。國外水肥一體化設備普遍采用互聯網、EC/pH綜合控制、氣候控制、循環加熱降溫、自動排水反沖洗、噴霧控制等技術，基本實現混配肥精準化、智能化和施肥管控一體化[2-4]。國內市場上主要產品有施肥罐、施肥池、壓差式施肥機（如比例泵、文丘里、計量泵、普通泵）等[5]。盡管經歷了一定發展，但是我國水肥一體化設備研制應用仍處于初期階段，質量和管理水平與發達國家仍有差距[6]。在設備質量方面，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，不能實現水肥的精準調控。

云服務技術在計算機等行業中的大量應用為提出基于云服務系統實現水肥一體化灌溉設備性能提升提供了參考，但是仍需要在系統構建、關鍵技術解析中進行加強，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云服務技術進行水肥一體智能灌溉設備設計，討論其中的關鍵技術，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構成。智慧灌溉云平臺是整個方案的數據處理中心，它接收采集數據后進行數據處理，生成最優的施肥、灌溉方案，同時可以將方案下發到控制中心，指導智慧灌溉。智能水肥一體化系統是整個方案的執行系統，主要由核心控制器、數據采集單元、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的控制中心，它負責將采集數據上傳到云平臺，也負責接收云平臺計算生成的最優施肥、灌溉方案，解析執行灌溉、施肥計劃。數據采集單元負責將當前種植物的實時墑情、氣象等數據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，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行，進而達到精準施肥的目的。

2 水肥一體化技術實現

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調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調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據；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命令的執行。

2.2 核心控制器內部結構

核心控制器主要由核心控制單元、移動通信單元、無線組網單元、數據采集單元、外圍設備驅動單元、供電單元、數據存儲單元組成。核心控制單元負責解析并執行用戶通過人機交互界面或者灌溉云平臺下發的灌溉計劃，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、移動通信、無線LoRa將信息上傳到灌溉云平臺或者下發到分控制器。

數據存儲單元包括內部存儲單元與外部存儲單元兩部分。內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據。外部存儲單元采用外掛2T存儲硬盤，能夠對視頻數據、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，經由開關電源轉換成直流12 V電源，再通過電源轉換芯片轉變為核心控制模塊所需直流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系統軟件和核心控制應用軟件兩部分組成。Linux系統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。根據灌溉計劃或人機交互命令執行灌溉流程，在灌溉過程中隨時向分控制器控制程序發送查詢和操作指令，整個灌溉程序可分為19個階段，直至灌溉完成。灌溉過程中，根據灌溉計劃生成輪灌組的信息，控制灌溉流程中不同狀態階段的執行和跳轉。在施肥過程中，通過檢測傳感器的pH值、EC值自動調整施肥的濃度。

2）多地塊水肥分配程序。多地塊水肥分配程序是根據灌溉云平臺下發的灌溉方案，依據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，把最優的灌溉組交給執行單元執行灌溉計劃，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的數據包，并解析出指令和數據內容，分發給其他各單元，同時向其他各單元開放數據共享接口。

4）分控制器控制程序。分控制器控制程序主要創建一個事件服務器，同時監聽網絡和串口，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據共享接口，監控各分控制器工作狀態。該事件服務器實現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配置等操作，可以在本地編輯、執行自動灌溉計劃/手動灌溉操作流程，還可以執行地塊信息管理、歷史數據查詢、傳感器數據實時查看、監視視頻實時查看、回放視頻查看、灌溉計劃執行狀態查看等功能。

6）視頻采集程序。視頻采集程序負責實時監測作物的生長情況，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）數據采集程序。數據采集程序主要由模擬量采集、數字量輸入、開關量輸出、RS485通信等程序組成。數據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據，檢測外部設備狀態，控制外部設備啟停。

2.4 智能水肥一體化系統工作模式

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，實現灌溉方案的精確執行。

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、灌溉時間等關鍵參數，滿足對灌溉方案微調的使用需要。

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，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合作社位于辛莊鎮蔡店村，該合作社擁有林果基地200 hm2，依托高效節水灌溉示范項目，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，較常規大水漫灌方式節水22.7%～54.3%；施肥量合理控制，節肥23.3%～40.7%，增產6.4～9.9%，果實品質得到有效提升。詳見表1和表2。

表1 折合每畝效益分析

表2 對蘋果、桃品質的影響

4 結語

基于云服務的水肥一體智能灌溉設備實現了對作物種植環境、生長態勢信息的實時采集和數據上傳，能夠自動接收、解析和執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化和參數調整。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，而且可以提高農產品品質，增加農民收入，具有極大的推廣應用價值。