設施草莓精準灌溉施肥系統的設計與實現

孫昌權，黃 鋒

（江蘇農林職業技術學院機電工程學院，江蘇句容 212400）

0 引言

中國耕地面積約占世界耕地面積的9%，人口約占世界人口的21%，人口與耕地面積的不平衡關系日益加重[1]。隨著我國傳統農業向現代化農業轉型，水肥資源浪費現象愈加突出。據統計，近年我國化肥產量6 620萬 t/年，化肥施用量4 124萬 t/年，總產量和總消費量均占世界的1/3以上，單位面積農用化肥施用量434.4 kg/hm2，是國際公認單位面積施肥量安全上限的1.93倍[2]。過度施用肥料導致土壤次生鹽漬化和酸化、土壤營養失衡、產量和品質下降，嚴重威脅農業可持續發展。

針對以上問題，亟需加強水肥一體化灌溉技術研究[3-8]，開發出高效率、高精度的水肥一體化系統。設施產業發達國家，如荷蘭、以色列等，大力推廣水肥一體化技術，其中以色列的耐特菲姆（NETAFM）公司研制的Netajet系列施肥機，目前已發展到第四代，配合其自主研發的模擬肥料閥，保證施肥機輸出肥水的EC和pH值一致。我國隨起步較晚，但是也取得了許多高質量的成就，其中劉永華、沈明霞等人利用CFD仿真對文丘里吸肥器進行模擬優化，經過試驗相對傳統吸肥器在吸肥流量等方面顯著提升[9]。

筆者基于目前現有技術，結合設施草莓水肥供應實際需求，設計和開發設施草莓精準灌溉施肥系統。該系統基于作物生長過程對水分和肥料的動態需求，精確控制灌水流量、施肥流量及時間，并結合互聯網實現對農作物遠程水肥管理與監控，可以有效提高水肥資源利用率，提高養分的有效性，有助于提高作物產量和質量，節省資源、減少環境污染、提高勞動生產效率。

1 系統總體結構

1.1 整體結構設計

筆者根據市場上已有的產品和現有技術，結合用戶需求，設計系統的整體結構。如圖1為設備的三維設計圖，該設備外框使用鋁型材搭建、混合桶使用不銹鋼材料防止營養液腐蝕、控制箱使用防火的有機材料。智能精準灌溉施肥設備設計三路吸肥，EC、pH、流量等數據采集，最大程度上實現作物的智能水肥一體化管理。

圖1?三維設計圖

1.2 硬件系統設計

精準灌溉施肥設備結構如圖2所示，包括供肥系統、灌溉施肥回路系統、PLC控制系統、傳感器監測系統、遠程控制系統。精準灌溉施肥設備實物圖如3所示。

供肥系統包括母液桶、酸液桶、堿液桶、過濾器、電磁閥、文丘里吸肥器、混合罐等。配肥過程，由文丘里吸肥器將母液罐、酸液罐、堿液罐中的溶液吸入混合罐內，PLC控制系統通過控制電磁閥的通斷時間，改變占空比，從而調整母液、酸堿液的吸入量。

控制系統包括PLC、模擬量模塊、智能遠程控制器、觸摸屏等。其中PLC作為控制執行器，實現對離心泵、電磁閥的關斷，動態調節噴灌量、配肥濃度等。模擬量模塊實現對傳感器數據的周期性采集，并對采集信息進行分析處理。PLC通過串口1與觸摸屏進行通信，實現本地數據監控，同時通過串口2實現與智能遠程控制器進行通信，實現WEB端的數據訪問、數據下置。

圖3?智能精準灌溉施肥設備實物圖

2 系統軟件設計

2.1 系統配肥軟件設計

系統的控制指令由專家控制系統和PLC控制系統發出，其中專家控制系統布置在云服務器端，其生成的控制指令由遠程控制器轉發至PLC中，如圖4所示為系統控制流程圖。系統判斷EC、pH值是否在允許范圍內，如果EC值低于下限則增大施肥閥流量，如果EC值高于上限則減少施肥閥流量；如果pH值低于下限增加堿性調節液，如果pH值高于上限增加酸性調節液。

在手動模式下，系統可控部件依靠操作人員經驗進行水肥管理。在設計電氣控制系統時，需將水泵與灌溉電磁閥做電氣互鎖，保證至少有一路灌溉區域打開時，水泵被允許工作，防止灌溉系統因無法出水導致出水回路壓力過大，損壞設備。

自動模式下，PLC控制系統按照自動控制程序，并結合專家系統給的控制決策，進行動態水肥管理。

圖4?系統控制流程圖

2.2 人機界面設計

系統由本地觸摸屏和計算機WEB端兩個人機交互端口。其中本地觸摸如圖5所示，可選擇手自動切換，其中自動模式下是按照預先在PLC控制器中編寫的邏輯控制指令運行，手動狀態下可實時監測當前灌溉施肥設備的工作狀態及水肥信息，對水泵、電磁閥等執行機構進行手動控制。WEB端水肥管理頁面如圖6所示，可實現遠程水肥管理運維，極大地提高了生產效率。

圖2?智能精準灌溉施肥設備機械本體結構示意圖

圖5?本地觸摸屏操作界面

圖6?WEB端管理界面

3 系統測試

以江蘇農博園草莓基地溫室高架基質栽培草莓為研究對象，使用研發的智能精準灌溉施肥設備控制不同的出水量、配肥量，分別探究低水低肥、低水中肥、中水中肥、中水高肥等不同水肥量對草莓單果質量、產量等產生的影響。

3.1 材料與方法

3.1.1?實驗材料

本實驗于2020年9月—2020年4月在江蘇農博園草莓基地的玻璃溫室大棚中進行。該溫室建筑全部采用鋼架結構加鋼化雙層玻璃，溫室內草莓種植模式采用高架基質栽培，其栽培模式如圖7，栽培槽上方鋪設PE管用于滴灌，滴灌所需的水肥由智能精準灌溉施肥設備供應。

圖7?高架基質栽培模式

3.1.2?試驗設計

草莓試驗選用N、P2O5、K2O比例為14：6：30的復合肥。本試驗的草莓品種“紅顏”是日本靜岡縣用章姬與幸香雜交育成的早熟栽培品種良種，本試驗共設計兩個變量因素：3種滴灌量（低水W3：50%、中水W2：75%、高水W1：98%）3種施肥量（低肥：1 321.46 kg/hm2、中肥：1 733.15 kg/hm2、高肥F1：2 198.79 kg/hm2），分別探究：W1F1、W1F2、W1F3、W2F1、W2F2、W2F3、W3F2、W3F1、W3F2、W3F3十組變量對草莓產量、品質的影響，每組變量設計十株草莓苗共100株苗，一隴種植20株共5隴，考慮到草莓對生長空間的需求，每株苗間距25 cm。

草莓苗于2020年9月7日定植，智能精準灌溉施肥設備控制系統，控制出水量與施肥量，實現對草莓苗的精準灌溉施肥與水肥管理。環境信息監測終端對溫室環境信息進行周期監測，如圖8所示為溫室安裝的環境信息監測終端，可以監測溫室內的溫濕度、光照強度、土壤墑情等信息。

圖8?環境監測終端

3.2 試驗結果與分析

3.2.1?實驗結果

經過對比，100株草莓產量、品質各不相同。草莓產量由大到小依次為F1、F2、F3；草莓品質由大到小依次為G1、G2、G3。在同等施肥量下，在高肥和低肥處理時的產量隨灌水量的增加而上升。

在草莓生長階段，參考安裝在智能溫室大棚的環境傳感器采集的數據信息，調整營養液濃度、灌溉時間和灌溉量，根據草莓變化的生長情況做出響應的調整，同時采集的PH值、EC值參數保持在PC機中，繪制AB液系統階躍響應曲線如9所示。

可知增加灌水量可以提高草莓的單果質量和產量，減少灌水量有利于增加草莓的可溶性固形物含量、維生素C、含量及水肥利用效率，中等灌溉水平有利于草莓可溶性糖含量、糖酸比和可溶性蛋白質含量提升；較低施肥量可以提升草莓的品質及水分利用效率，中等施肥水平有利于增加草莓的單果質量、產量和肥料利用效率。

圖9?AB液系統階躍響應曲線

3.2.2?結果分析

傳統草莓種植模式，主要依靠人工進行水肥管理。不僅費時、肥力而且灌溉施肥精度不高，容易造成作物徒長。經過三個月實驗栽培，使用智能精準灌溉施肥設備的草莓苗與傳統種植模式下的生長情況草莓的可溶性糖含量、糖酸比和可溶性蛋白質含量的對比表如表1所示。可知使用智能精準灌溉施肥設備與傳統人工灌溉施肥在各方面都有較好的表現。

表1?四種水肥模式下的草莓營養成分表