水肥一體化管控系統設計和實現

金永奎,盛斌科,孫 竹,張 祎

(1.農業部南京農業機械化研究所,南京 210014;2.江西沃邦農業科技有限公司,江西 鷹潭 335000)

0 引言

我國水資源總量僅為世界的6%,人均不足世界平均水平的1/4,嚴重短缺。每年農業灌溉用水缺口超過300億m3,約有667萬hm2面積得不到有效灌溉[1-2]。主要糧食作物水分生產效率與發達國家相比僅為其1/2左右,存在較大差距。同時,因化肥施用量過高,化肥利用率偏低。水肥已成為制約農業可持續發展的瓶頸因素,因而大力發展節水農業、實施化肥使用量零增長行動及推廣普及水肥一體化技術是促進農業可持續發展的必由之路[3-4]。根據農業部《推進水肥一體化實施方案(2016—2020年)》,到2020年水肥一體化技術推廣面積將達到1 000萬hm2,發展空間巨大。

近年來,隨著產業結構調整,我國水肥一體化應用面積已超過500萬hm2,灌溉形式主要以噴、滴灌為主,相配套的管控技術也得到一定的應用,開發了多種灌溉和施肥控制系統[5]。隨著信息技術的發展,傳統的灌溉方式被自動化、智能化的水肥管理模式替代[6-8],但目前一般仍以1個泵站為1個控制單元,或是建成投入較大的集中式信息化管理系統,沒有快捷方便、投資小的管控平臺供操作管理[9-10]。隨著云端服務平臺和移動端APP、微信小程序的出現,控制方式轉向了管理平臺和移動端[11-12]。本文在此基礎上開發了水肥一體化管控系統,實現了各個灌溉單元在田間或電腦端、移動端的控制和管理,為水肥一體化系統設計和應用提供了參考。

1 系統總體設計

1.1 系統組成

管控系統根據目前水肥一體化系統存在的不足,結合灌溉基礎理論和最新的管理技術手段,通過相關設備、管理系統,對環境、設備狀態和參數進行監測,并做出決策和控制;用戶可通過多種方式實現查看和操作,達到了信息采集、傳輸、管理、決策和控制于一體的目的。

本系統分為3個部分:一是以水肥一體機為核心的田間管控單元,包括水肥一體機、過濾設備、管道、閥門、噴頭滴頭、田間控制設備和管控軟件等;二是以云端服務器為核心的管控平臺,包括云端服務器、數據庫、網站等;三是用戶使用端,包括通過Internet網連接的電腦和通過WIFI/4G等網絡連接的移動設備(手機或PAD)。系統架構如圖1所示。

1.2 系統工作原理

管控系統以云端服務器作為管理核心,每個田間灌溉單元為管理對象,在電腦上通過網站、在移動端設備通過微信小程序進行查看和操作。田間灌溉單元配置1臺水肥一體機,每臺水肥一體機有1個固定的設備號,水肥一體機通過有線或無線管理本灌溉地塊內的水泵、施肥泵、電磁閥、流量、壓力、環境傳感器等設備,并可在本地設置灌溉方式,通過決策系統實現自動水肥一體化灌溉;同時,把相關數據傳送給云端服務器,用戶可通過各種終端設備進行查詢,并可對各種運行參數進行設置、對設備進行遠程控制。

運行過程中,系統通過各個傳感器,實時監測灌溉施肥情況,采集環境溫濕度、光照度、土壤溫濕度、EC值等參數,自動記錄、統計、分析灌溉、施肥和生產等數據,通過數據網絡、水肥一體機聯動,用戶根據數據分析對照作物生長需要,在手機或電腦上遠程操控灌溉設備,實施精準灌溉和施肥。

圖1 管控系統架構圖

2 系統關鍵技術及硬件設計

系統由水肥一體機、田間控制部分、云端服務器、數據傳輸網絡等部分組成,拓撲結構如圖2所示。

2.1 水肥一體機

水肥一體機集成了灌溉泵、施肥泵、灌溉變頻器、施肥變頻器、觸摸屏和控制系統,利用決策控制軟件對灌溉、施肥等操作進行集中控制,結合各傳感器的數據分析,制定灌溉施肥計劃。設備具有本地手動觸摸屏操作和通過電腦端、手機的遠程控制雙重操作功能,能在異地通過電腦及手機監控,實現灌溉水量、施肥濃度和施肥量的精準控制。

采用變頻技術根據壓力、流量、EC等多參數對灌溉泵進行綜合調控,實現按需定量精準灌水。基于變量注入式混肥技術,按照設定的水肥比例和EC值,通過控制系統接受水肥信息反饋,通過智能PID對施肥量進行無級控制,將肥液按設定的濃度穩定、均勻、精準輸出,實現水、肥在線自動混合及濃度可控,達到對灌溉、施肥精準控制的目的。

水肥一體機主要由灌溉系統、配肥系統、信息采集系統、自動控制系統和一體化殼體等部件組成,如圖3所示。

圖2 系統拓撲結構圖

1.進水接口 2.控制系統 3.觸摸屏 4.一體化殼體 5.肥液箱 6.主管流量計 7.壓力傳感器 8.過濾器 9.EC傳感器 10.出水接口 11.施肥流量計 12.施肥泵 13.灌溉泵

2.2 田間控制部分

田間控制部分主要由田間控制器、電磁閥、傳感器及網關組成,如圖4所示。田間控制器及各傳感器由太陽能供電系統提供電源,傳感器采集的數據傳輸到田間控制器,控制器接收后通過網關發送到水肥一體機,水肥一體機將數據存儲在本地同時也上傳至云端服務器。數據由管控軟件自動分析處理后做出決策,水肥一體機接收到服務器或本地程序發出的控制命令,打開對應的電磁閥或執行相關的操作。

圖4 田間灌溉單元結構圖

2.3 云端服務器和數據庫

云服務器(Elastic Compute Service, ECS)是一種簡單高效、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的服務器,其管理方式比物理服務器更簡單高效。用戶無需提前購買硬件,即可迅速創建多臺云服務器。云服務器可以有效地解決傳統物理主機與VPS服務中存在的管理難度大、業務擴展性弱的缺陷。

本文對選用的云服務器進行了配置和軟件安裝,建立了圖5所示的云服務器和數據庫。田間的灌溉單元產生的數據通過水肥一體機與服務器進行通訊,云服務提供商通過ELB(負載均衡)選擇合適的服務器,服務器接受數據并分析,根據數據類型寫入數據庫,管控軟件根據數據做出響應;在用戶端,用戶通過各種設備進行查詢或操作,用戶的申請通過傳輸網絡到達服務器端,服務器根據具體申請內容,調用數據庫數據并呈現在用戶界面上,同時把運行指令發送至水肥一體機,控制田間設備運行。云端采用HTTP方式,以網站和微信小程序框架為基礎,構建設備交互平臺。

圖5 云服務器和數據庫結構圖

2.4 數據傳輸網絡

隨著電子技術、計算機技術及無線通信技術蓬勃發展,出現了各種標準的無線數據傳輸標準,它們各有優缺點和不同的應用場合。本系統利用現有的各種數據傳輸技術,結合實際應用場景,選擇不同的數據傳輸方式。

田間每個灌溉地塊內部各設備間的數據傳輸采用ZigBee或WiFi方式,可以自己組網,使用方便、費用低;每個灌溉單元與云端服務器間采用4G網絡或有線寬帶進行數據傳輸,網絡成熟,傳輸速度快、可靠性高;用戶終端根據用戶的具體情況,采用有線(寬帶)、無線(4G、WiFi)方式與服務器連接。

3 應用程序開發

3.1 水肥一體化控制系統程序

水肥一體機的主要功能是灌溉和施肥,在實際使用時分兩種情況:一種是只灌溉,不需要施肥;一種是按一定比例水肥同施。因而,要針對這兩種情況分別編制不同的控制流程和程序。

灌溉分為手動模式和時間模式:在手動模式下,可直接打開和關閉選定的田間電磁閥進行灌溉,在調試設備或臨時使用時也可采用。在時間模式下,先設定各電磁閥的開啟時間和灌溉時長,系統自動開啟和關閉,實現自動化控制;也可配置各種傳感器,配合決策模型實現智能化灌溉。

施肥一般采用三段法,即灌水、施肥、灌水,有利于肥液均勻分布且灌溉管路中無殘留。先選擇需施肥電磁閥,設定灌水時間、灌水壓力、施肥時間、施肥比例等各項參數,程序即可自動運行,可根據灌溉流量自動調節施肥流量,自動保持設定的比例,達到變量同比例施肥,能滿足不同作物、不同生育期水肥多樣化需求。圖6為灌溉施肥控制流程。

圖6 灌溉施肥控制流程圖

3.2 網站程序開發

系統采用B/S結構,在用戶端采用瀏覽器方式,負責接收用戶通過Internet網絡訪問、輸入及控制命令的發送、監測數據的獲取等,在服務器端通過網絡為瀏覽器提供數據服務。

本系統根據實際需求建成了一個面向管理人員和用戶的網站。管理人員可通過網站發布設備相關信息、管理用戶權限和設備數據;用戶通過網站可瀏覽信息、查看設備運行數據、設置運行參數和對設備進行操作。

3.3 手機端微信小程序

針對移動終端APP軟件存在平臺通用性差、安裝繁瑣等問題,開發了基于微信系統的應用小程序,用戶在微信內下載安裝后經過授權即可實現查詢和操作功能。

微信小程序需申請域名和微信公眾號才能建立。首先進入微信公眾平臺注冊并認證,通過認證后獲得一個微信公眾號,然后進行配置。小程序必須設置合法域名才能進行數據交互,且規定需要使用HTTPS協議。在域名申請好后,配置云服務器支持HTTPS協議,并根據需要在小程序基礎上開發相關界面和功能。以下為用戶登錄小程序的程序語句。

//app.js App({

onLaunch: function () {

//調用API獲取阿里云數據

var logs = wx.getStorageSync('logs') || []

logs.unshift(Date.now())

wx.setStorageSync('logs', logs)

},

getUserInfo:function(cb){

var that = this;

if(this.globalData.userInfo){

typeof cb == "function" &&cb(this.globalData.userInfo)

}else{

//登錄接口

wx.login({

success: function () {

wx.getUserInfo({

success: function (res) {

that.globalData.userInfo = res.userInfo;

typeof cb == "function"

&& cb(that.globalData.userInfo)

}

})

}

});

}

},

globalData:{

userInfo:null

}

})

用戶在微信的小程序菜單里搜索打開即可使用,不需要下載和安裝。圖7為微信小程序的首頁界面,可了解產品等相關信息。

對于已安裝水肥一體機的用戶,可點擊“我的設備”進入設備添加頁面,如圖8所示。管理員審核授權后,用戶就可以對設備進行管理和操作。

圖7 小程序首頁界面

圖8 添加設備界面

點擊設備,查看設備和相關傳感器的參數和實時數據,可對參數進行設置,對水泵和電磁閥開啟和停止控制。通過微信小程序,在手機上就可完成監測和控制,方便快捷。圖9為監控數據界面,圖 10為參數設置界面,圖11為設備開關設置界面。

圖9 監控數據界面

圖10 參數設置界面

圖11 設備開關設置界面

4 管控系統田間應用

2018年春季,在江西鷹潭余江蘆筍種植基地進行了安裝應用。該基地蘆筍種植面積約15hm2,采用水肥一體化管控系統,實現了灌溉施肥全程自動化、智能化,讓蘆筍基地精準肥水管理成為現實。圖12為水肥一體機安裝現場,圖13為蘆筍滴灌系統。目前,設備運行良好。傳統灌溉方式(漫灌)每次需灌水450m3/hm2,而采用管控系統的滴灌方式每次僅灌溉150m3/hm2,可節水60%以上;施肥可用水溶肥并能精確控制比例,采用少量多次的方法,肥效利用率大幅提高,顯著減少了肥料的用量,與原有施肥相比費用可節省50%以上;采用該系統灌溉施肥,通過在水肥一體機上的觸摸屏或手機操作,只需1人即可完成,節省人工80%以上,而產量和品質均有提高,效益有較大提升,1年就可收回設備投入,取得了很好的效果。

目前,管控平臺已接入100多臺水肥一體機,分布在7個省,控制100多個地塊的灌溉施肥系統運行,總面積達到1500多hm2,應用狀況良好。

圖12 水肥一體機安裝現場

圖13 蘆筍滴灌系統

5 結論

設計的水肥一體化管控系統將傳統的灌溉技術與智能控制技術、信息技術相結合,包括水肥一體機、田間控制系統和以云端服務器為核心的管控平臺,實現了對水肥一體化系統的現場和遠程查看、操作、控制和維護。系統實現了田間各種數據動態直觀顯示及智能決策,提高了水肥控制的精準度,同時可完成多個灌溉單元的集中操作和管理,節省人工。應用表明,系統可以節省大量人力、物力和水資源,通過精準灌溉、科學規范化施肥,提高了水肥利用率,減少了化肥農藥施肥量,有利于提高產品質量和安全,提升了農業生產效益。