藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)構(gòu)建*

卞東超，楊發(fā)展，趙國(guó)棟，鄭凱瑞，林海波

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東青島，266520)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)水資源極度短缺的國(guó)家，同時(shí)在時(shí)空分布方面也不盡合理[1]。此外，我國(guó)的水資源利用方式非常不科學(xué)，特別是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，突出表現(xiàn)為用水量大、用水缺口大、浪費(fèi)嚴(yán)重，且呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)等特點(diǎn)[2-3]。同時(shí)，目前我國(guó)農(nóng)業(yè)用水的有效利用率不到40%，有效利用率僅為發(fā)達(dá)國(guó)家的一半，亟需更合理更有效的農(nóng)業(yè)用水方式。同時(shí)，我國(guó)又是世界肥料生產(chǎn)和使用大國(guó)，化肥的使用量居全球第一，但化肥的有效利用率僅有30%左右，造成化肥的巨大浪費(fèi)，還污染了環(huán)境[4-5]。水肥一體化技術(shù)統(tǒng)籌灌溉和施肥過(guò)程，是當(dāng)今世界目前公認(rèn)的一項(xiàng)節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)降污、綠色環(huán)保的技術(shù)[6-7]，這一技術(shù)不僅極大地提高了水肥的利用率，大大降低了水肥的施用量，還大幅提高了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，減少了病蟲害的發(fā)生，減少了農(nóng)藥的施用，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染[8-9]。

國(guó)外水肥一體化技術(shù)發(fā)展得較早，20世紀(jì)上半葉，部分發(fā)達(dá)國(guó)家開始進(jìn)行以噴灌為代表的水肥一體化技術(shù)的研究，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，隨著塑料工業(yè)的興起，水肥一體化技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)[10-11]。20世紀(jì)70年代，部分發(fā)達(dá)國(guó)家加大了研發(fā)力度，開發(fā)了大量的水肥一體化設(shè)備，并開始大規(guī)模投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中，水肥一體化技術(shù)迅速發(fā)展[10-11]。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、智能控制等技術(shù)的普及與發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家的灌溉施肥設(shè)備也逐漸進(jìn)入智能化時(shí)代，灌溉施肥設(shè)備的自動(dòng)化程度、水肥供應(yīng)能力、灌溉施肥量精準(zhǔn)度都得到了質(zhì)的飛躍[12-13]。我國(guó)水肥一體化技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速，目前，我國(guó)已自主研發(fā)了大量的水肥一體化設(shè)備及元器件，并逐漸朝智能化方向發(fā)展，但是我國(guó)的智能化水肥一體化設(shè)備多是與高校或者科研單位合作，目前多處于試驗(yàn)階段，實(shí)際應(yīng)用較少[13-14]，尤其是在藍(lán)莓溫室大棚內(nèi)部，目前該領(lǐng)域的研究較為落后。

針對(duì)藍(lán)莓溫室大棚內(nèi)缺乏對(duì)藍(lán)莓生長(zhǎng)發(fā)育狀況與溫室內(nèi)環(huán)境的采集分析，灌溉施肥量憑人工經(jīng)驗(yàn)，缺少科學(xué)的灌溉施肥策略以及精準(zhǔn)穩(wěn)定的灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)備等問(wèn)題，設(shè)計(jì)開發(fā)了藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)。

1 基于藍(lán)莓溫室的智能水肥一體化系統(tǒng)框架

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

為保證藍(lán)莓生長(zhǎng)能按需灌溉施肥并有適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，開發(fā)的智能水肥一體化系統(tǒng)能夠借助傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等獲取作物的生長(zhǎng)環(huán)境及生長(zhǎng)發(fā)育狀況信息，并根據(jù)藍(lán)莓生長(zhǎng)的不同階段對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析以及數(shù)據(jù)的提取和解析算法，根據(jù)實(shí)時(shí)狀況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉施肥操作或遠(yuǎn)程手動(dòng)灌溉施肥操作。該系統(tǒng)能夠全面監(jiān)測(cè)藍(lán)莓作物生長(zhǎng)發(fā)育信息(如株高、葉片大小、稈徑長(zhǎng)度)與生長(zhǎng)環(huán)境信息(如土壤墑情、氣溫、二氧化碳含量等)，根據(jù)藍(lán)莓作物的生長(zhǎng)發(fā)育模型對(duì)作物生長(zhǎng)或環(huán)境異常問(wèn)題自動(dòng)進(jìn)行判斷，并快速準(zhǔn)確啟動(dòng)灌溉施肥系統(tǒng)以及其他環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，解決出現(xiàn)的缺水缺肥、病蟲害、生長(zhǎng)環(huán)境問(wèn)題，快速準(zhǔn)確地滿足作物的生長(zhǎng)需求，實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)管理。藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能水肥一體化系統(tǒng)框架Fig. 1 Framework of intelligent water and fertilizer integration system

1.2 基于藍(lán)莓溫室的智能水肥一體化系統(tǒng)組成

設(shè)計(jì)的面向藍(lán)莓溫室的智能水肥一體化系統(tǒng)包括環(huán)境信息采集系統(tǒng)、智能服務(wù)平臺(tái)、灌溉施肥系統(tǒng)以及其他環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，如圖2所示。

圖2 智能水肥一體化系統(tǒng)組成Fig. 2 Composition of intelligent water fertilizer integration system

1.2.1 環(huán)境信息采集系統(tǒng)

藍(lán)莓溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)是藍(lán)莓精準(zhǔn)灌溉施肥的基礎(chǔ)，藍(lán)莓溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)由傳感器件與信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，通過(guò)傳感器對(duì)藍(lán)莓生長(zhǎng)發(fā)育信息(如株高、葉片大小、稈徑長(zhǎng)度等)與生長(zhǎng)環(huán)境信息(如土壤墑情、氣溫、二氧化碳含量等)全面監(jiān)測(cè)，獲得的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)Zigbee信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)剿{(lán)莓智能水肥一體化服務(wù)平臺(tái)。

1.2.2 智能服務(wù)平臺(tái)

藍(lán)莓智能水肥一體化服務(wù)平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，藍(lán)莓智能水肥一體化服務(wù)平臺(tái)對(duì)Zigbee信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃{(lán)莓生長(zhǎng)發(fā)育信息與生長(zhǎng)環(huán)境信息數(shù)據(jù)，根據(jù)藍(lán)莓生長(zhǎng)的不同階段對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析以及數(shù)據(jù)的提取和解析算法，做出灌溉施肥決策，并給藍(lán)莓灌溉施肥系統(tǒng)與其他環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備下達(dá)指令。

1.2.3 灌溉施肥系統(tǒng)

藍(lán)莓灌溉施肥系統(tǒng)可分為灌溉系統(tǒng)和施肥系統(tǒng)，灌溉系統(tǒng)用于藍(lán)莓灌溉，由灌溉水泵、過(guò)濾裝置、流量計(jì)、灌溉管路、滴灌管、微噴頭以及電磁閥等構(gòu)成；施肥系統(tǒng)用于精準(zhǔn)配肥混肥并將肥液注入灌溉管路，由混肥罐、混肥泵、注肥泵、電磁閥、施肥管路以及液位高度傳感器、EC和pH傳感器等元器件組成[15-16]。

1.2.4 環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備

藍(lán)莓溫室除灌溉施肥設(shè)備外，還要配備其他調(diào)節(jié)藍(lán)莓溫室環(huán)境參數(shù)的設(shè)備，如卷簾機(jī)、CO2發(fā)生器、排風(fēng)系統(tǒng)、植保噴藥機(jī)等設(shè)備。

2 藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 藍(lán)莓溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)

藍(lán)莓溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)(圖3)需要采集藍(lán)莓溫室內(nèi)影響藍(lán)莓生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境信息以及藍(lán)莓的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，藍(lán)莓溫室需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、土壤濕度、土壤EC值和pH值。藍(lán)莓生長(zhǎng)各時(shí)期最佳溫度變化較大，在5 ℃～35 ℃ 之間[17]，溫室的濕度變化范圍在25%RH～90%RH之間[18]，為保證測(cè)量準(zhǔn)確，選用RS-WS型空氣溫濕度傳感器，安裝在藍(lán)莓溫室中下部；作物最佳二氧化碳濃度范圍在900～1 800 mg/L[19-20],選用RS-CO2型二氧化碳傳感器，安裝在藍(lán)莓溫室中下部；監(jiān)測(cè)光照強(qiáng)度選用RS-GZ-NO1-2型光照強(qiáng)度傳感器，安裝在藍(lán)莓溫室頂部。

圖3 藍(lán)莓溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)Fig. 3 Blueberry greenhouse environment information collection system1.土壤pH值傳感器 2.土壤濕度/EC值傳感器 3.攝像頭 4.光照強(qiáng)度感應(yīng)器 5.信號(hào)發(fā)射器 6.CO2濃度感應(yīng)器 7.空氣溫濕度感應(yīng)器 8.氣象站 9.配電箱

藍(lán)莓溫室中藍(lán)莓生長(zhǎng)發(fā)育土壤體積含水量在15%～25%為適宜，最佳土壤體積含水量為18%～20%[21]，藍(lán)莓生長(zhǎng)最適宜土壤pH為4.0～5.0[22-23]，土壤過(guò)酸或過(guò)堿都會(huì)影響藍(lán)莓生長(zhǎng)，選用PR-3000-ECH-1型土壤濕度/EC值一體傳感器和PR-3000-TR-PH-1型土壤pH值傳感器，傳感器插入藍(lán)莓根部附近土壤中，在溫室內(nèi)安裝攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藍(lán)莓生長(zhǎng)狀況。傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)境信息采集系統(tǒng)傳感器參數(shù)Tab. 1 Sensor parameters of environmental information acquisition system

環(huán)境信息采集系統(tǒng)選用的傳感器均為輸出標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)的變送器，輸出信號(hào)為4～20 mA的電流信號(hào)，傳感器配有數(shù)據(jù)采集主機(jī)，傳感器連接線直接連接到數(shù)據(jù)采集主機(jī)串口，數(shù)據(jù)采集主機(jī)內(nèi)設(shè)有電源模塊、主控模塊、Zigbee無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集主機(jī)，主控模塊和數(shù)據(jù)處理模塊初步處理，由Zigbee無(wú)線通信模塊傳輸?shù)椒?wù)器，并在顯示屏上顯示，服務(wù)器通過(guò)RS485傳輸線連接到S7-200 Smart PLC的接口進(jìn)行傳輸控制。設(shè)計(jì)過(guò)程如圖4所示。

圖4 藍(lán)莓溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程圖Fig. 4 design process of blueberry greenhouse environmental information acquisition system

2.2 藍(lán)莓溫室智能水肥一體化服務(wù)平臺(tái)

智能水肥一體化服務(wù)平臺(tái)(圖5)是藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)的核心，智能水肥一體化服務(wù)平臺(tái)需要對(duì)信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、分析，并根據(jù)藍(lán)莓生長(zhǎng)模型做出決策，下達(dá)指令，本系統(tǒng)選擇S7-200 Smart PLC作為控制中心，S7-200 Smart PLC采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)擴(kuò)展模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊能夠完成眾多傳感器數(shù)據(jù)的接收與處理，進(jìn)而建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，使用SIMATIC HMI SMART 700 IE V3觸摸屏作為顯示屏，SIMATIC HMI SMART 700 IE V3觸摸屏輸出MODBUS信號(hào)，支持遠(yuǎn)程通信，抗干擾能力強(qiáng)，使用RS485傳輸線與S7-200 Smart PLC連接，顯示服務(wù)平臺(tái)接受的各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。

圖5 智能水肥一體化服務(wù)平臺(tái)Fig. 5 Intelligent water fertilizer integrated service platform

藍(lán)莓在花芽、開花、結(jié)果、采收等不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期需要針對(duì)性給予水分和各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，水分及各種營(yíng)養(yǎng)元素的施用量與施用比例需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使各種營(yíng)養(yǎng)元素的配比協(xié)調(diào)，從而滿足藍(lán)莓正常的生長(zhǎng)發(fā)育需求。本文以黃島區(qū)藍(lán)莓種植基地藍(lán)莓為例，根據(jù)藍(lán)莓年周期內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)與水肥需求規(guī)律，劃分了藍(lán)莓灌溉施肥時(shí)期，并通過(guò)咨詢種植專家以及對(duì)土壤養(yǎng)分含量、肥料利用率、肥料養(yǎng)分含量、藍(lán)莓產(chǎn)量等進(jìn)行綜合分析，對(duì)不同時(shí)期的灌溉施肥量以及肥料配比進(jìn)行了合理規(guī)劃，建成了藍(lán)莓灌溉施肥決策模型，并把藍(lán)莓灌溉施肥決策模型寫入S7-200 Smart PLC，作為決策依據(jù)，實(shí)現(xiàn)水肥精量控制。藍(lán)莓灌溉施肥決策模型規(guī)則如表2所示。

表2 藍(lán)莓灌溉施肥決策模型規(guī)則表Tab. 2 Rules of blueberry irrigation and fertilization decision model

藍(lán)莓溫室內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)相互影響以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，智能水肥一體化服務(wù)平臺(tái)很難一次決策就能達(dá)到最佳的環(huán)境參數(shù)，需要多次決策，所以服務(wù)平臺(tái)的控制算法采用PID控制，PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活性高，控制性能較強(qiáng)，應(yīng)用非常廣泛。本系統(tǒng)利用自編程將PID控制寫入S7-200 Smart PLC，環(huán)境數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絇LC后，PLC經(jīng)過(guò)處理分析與PID運(yùn)算后下達(dá)控制指令。以土壤濕度調(diào)節(jié)為例，灌溉水經(jīng)過(guò)灌溉系統(tǒng)進(jìn)入藍(lán)莓灌溉區(qū)后，土壤濕度傳感器監(jiān)測(cè)土壤濕度，并將濕度數(shù)據(jù)傳輸給藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)，經(jīng)PLC分析處理后，再進(jìn)行PID運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制各閥門的開合角度來(lái)控制不同支路流量，循環(huán)此過(guò)程，直至PLC分析結(jié)果顯示達(dá)到濕度要求，PLC下達(dá)停止灌溉指令，灌溉停止，完成土壤濕度調(diào)節(jié)。

2.3 藍(lán)莓灌溉施肥系統(tǒng)

藍(lán)莓灌溉施肥系統(tǒng)也分為藍(lán)莓灌溉系統(tǒng)和藍(lán)莓施肥系統(tǒng)，如圖6所示。藍(lán)莓灌溉系統(tǒng)由灌溉水泵、過(guò)濾裝置、灌溉管路以及流量計(jì)、壓力表、電磁閥等組成。灌溉水依次經(jīng)過(guò)濾器、灌溉水泵、流量計(jì)、壓力表、電磁閥、支管、毛管進(jìn)入藍(lán)莓溫室，滴灌管連接在毛管上，每一行藍(lán)莓兩側(cè)均有一排滴灌管，以保證灌溉的效率和均勻性。本系統(tǒng)灌溉主管路使用50 mm PVC管，灌溉水泵一端與管路連接，一端經(jīng)過(guò)濾器與水源連接，過(guò)濾器使用砂石過(guò)濾器與120目碟片式過(guò)濾器，采用反沖洗過(guò)濾系統(tǒng)，在灌溉管路上安裝流量計(jì)、壓力表與電磁閥，本系統(tǒng)選用DN50智能渦街流量計(jì)、2W-500-50電磁閥，支管采用25 mm PVC管，選用2W-250-25電磁閥。

圖6 灌溉施肥系統(tǒng)Fig. 6 Irrigation and fertilization system

藍(lán)莓施肥系統(tǒng)由施肥泵、儲(chǔ)液罐、過(guò)濾器、電磁閥、施肥管路以及液位高度傳感器、EC和pH傳感器等元器件組成。肥液依次經(jīng)過(guò)儲(chǔ)液桶、電磁閥、過(guò)濾器、施肥泵、壓力表、電磁閥注入灌溉管路，并通過(guò)EC和pH傳感器檢測(cè)水肥混合液的EC值和pH值，施肥管路采用25 mm PVC管，電磁閥均采用2W-250-25電磁閥，過(guò)濾器采用80目碟片式過(guò)濾器，水肥混合液EC值的正常范圍在0.4～4 ms/cm之間，pH值的正常范圍在5～7之間[24]，本系統(tǒng)選用RMD-ISEC2型EC值傳感器和SIN-PH-160-PH型pH傳感器，儲(chǔ)液桶高度1 m，選用QDY30B直桿式液位計(jì)，安裝在儲(chǔ)液桶中，傳感器參數(shù)如表3所示。

表3 灌溉施肥系統(tǒng)傳感器參數(shù)Tab. 3 Sensor parameters of irrigation and fertilization system

2.4 藍(lán)莓溫室環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備

藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備有卷簾機(jī)、CO2發(fā)生器、排風(fēng)器、植保噴藥機(jī)等設(shè)備。卷簾機(jī)安裝在溫室外部，用于溫室溫度調(diào)節(jié)，CO2發(fā)生器用于溫室二氧化碳濃度調(diào)節(jié)，視溫室大小及發(fā)生器數(shù)量均勻分布，風(fēng)機(jī)用于溫室溫度與二氧化碳濃度調(diào)節(jié)，安裝在溫室兩側(cè)位置，植保噴藥機(jī)不僅可以噴灑農(nóng)藥，還可調(diào)節(jié)溫室濕度，安裝在藍(lán)莓植株上部，水肥一體化服務(wù)平臺(tái)通過(guò)電動(dòng)開關(guān)、數(shù)據(jù)傳輸線等連接控制卷簾機(jī)、CO2發(fā)生器、風(fēng)機(jī)、植保噴藥機(jī)等設(shè)備。

2.5 藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)運(yùn)作方式

藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)中的環(huán)境信息采集系統(tǒng)處于常開狀態(tài)，監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)空氣溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度、土壤濕度、土壤pH與EC值，數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)中心處理后與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)服務(wù)中心發(fā)出開啟風(fēng)機(jī)指令，風(fēng)機(jī)開啟降低溫度，傳感器監(jiān)測(cè)溫度調(diào)節(jié)到適宜溫度后，服務(wù)中心發(fā)出關(guān)閉風(fēng)機(jī)指令，溫度過(guò)低時(shí)服務(wù)中心發(fā)出開啟卷簾機(jī)指令，對(duì)溫室進(jìn)行保溫，溫度調(diào)節(jié)優(yōu)先度高于濕度、CO2濃度和光照的調(diào)節(jié)；當(dāng)空氣濕度過(guò)高時(shí)服務(wù)中心發(fā)出開啟風(fēng)機(jī)指令，風(fēng)機(jī)開啟降低空氣濕度，當(dāng)空氣濕度過(guò)低時(shí)服務(wù)中心發(fā)出開啟植保噴藥機(jī)指令，噴灑水霧提高空氣濕度，濕度調(diào)節(jié)優(yōu)先度高于CO2濃度調(diào)節(jié)；當(dāng)CO2濃度過(guò)高時(shí)服務(wù)中心發(fā)出開啟風(fēng)機(jī)指令，風(fēng)機(jī)開啟降低CO2濃度，當(dāng)CO2濃度過(guò)低時(shí)服務(wù)中心發(fā)出開啟CO2發(fā)生器指令，CO2發(fā)生器運(yùn)行提高CO2濃度。

為提高灌溉施肥的精準(zhǔn)度，灌溉施肥均采用少量多次的方法，當(dāng)傳感器顯示土壤濕度過(guò)低，土壤含水量過(guò)少時(shí)，服務(wù)中心發(fā)出信號(hào)，打開灌溉系統(tǒng)各級(jí)電磁閥，同時(shí)灌溉系統(tǒng)流量計(jì)和壓力表開始監(jiān)測(cè)流量和水壓，之后控制中心發(fā)出信號(hào)開啟灌溉水泵，開始進(jìn)行灌溉，當(dāng)傳感器顯示土壤濕度達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)，控制中心發(fā)出信號(hào)關(guān)閉灌溉水泵和電磁閥，停止本次灌溉；當(dāng)傳感器顯示土壤pH和EC值過(guò)低時(shí)，進(jìn)行灌溉施肥操作，服務(wù)中心發(fā)出信號(hào)，打開灌溉施肥系統(tǒng)各級(jí)電磁閥，同時(shí)灌溉施肥系統(tǒng)流量計(jì)和壓力表開始監(jiān)測(cè)流量和水壓，EC傳感器和pH傳感器監(jiān)測(cè)水肥混合液的EC和pH值，液位計(jì)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)液桶水位，儲(chǔ)液桶中是提前按比例配置的肥料，之后控制中心發(fā)出信號(hào)開啟灌溉水泵和施肥泵，開始進(jìn)行灌溉施肥操作，當(dāng)施肥完成后，控制中心發(fā)出信號(hào)關(guān)閉施肥泵，停止施肥操作，繼續(xù)灌溉5 min，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清洗，之后控制中心發(fā)出信號(hào)關(guān)閉灌溉水泵和各級(jí)電磁閥，完成灌溉施肥操作。

3 藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)試驗(yàn)研究與推廣應(yīng)用

3.1 節(jié)水節(jié)肥增產(chǎn)試驗(yàn)

本文采用智能水肥一體化系統(tǒng)灌溉施肥與傳統(tǒng)灌溉施肥方式對(duì)藍(lán)莓溫室的灌溉量、施肥量、藍(lán)莓產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

選擇地理位置相近、規(guī)模相同、藍(lán)莓植株數(shù)目相近的4個(gè)藍(lán)莓溫室，分別編號(hào)溫室1、溫室2、溫室3、溫室4。溫室1和溫室2利用藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行灌溉施肥，溫室3和溫室4采用傳統(tǒng)的灌溉施肥方式。

藍(lán)莓從花芽前到休眠期為一個(gè)完整的生產(chǎn)周期，對(duì)一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)4個(gè)溫室消耗的灌溉量、施肥量和產(chǎn)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，溫室1和溫室2利用傳感器監(jiān)測(cè)藍(lán)莓溫室土壤含水率和土壤EC值，到達(dá)每個(gè)時(shí)期設(shè)定的含水率和EC值后停止灌溉和施肥操作，分別記錄溫室1和溫室2一個(gè)生產(chǎn)周期的總灌溉量、總施肥量；溫室3和溫室4利用人工經(jīng)驗(yàn)控制灌溉施肥，分別記錄溫室3和溫室4一個(gè)生產(chǎn)周期的總灌溉量、總施肥量；成熟期采摘完后分別記錄溫室1、溫室2、溫室3、溫室4的藍(lán)莓產(chǎn)量，結(jié)果如表4所示。

表4 藍(lán)莓生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 4 Blueberry production test data

從表4可以看出，一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)溫室1、溫室2、溫室3、溫室4分別消耗水量為442 m3、437 m3、746 m3、719 m3，采用藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行灌溉的溫室1和溫室2，相比利用人工經(jīng)驗(yàn)控制灌溉的溫室3灌溉量節(jié)約40.75%和41.42%，相比溫室4灌溉量節(jié)約38.53%和39.22%。考慮到傳感器的精度與穩(wěn)定性、人工經(jīng)驗(yàn)的誤差性以及取樣的多寡與偶然性，利用藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行灌溉大約可節(jié)水35%～45%。

一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)溫室1、溫室2、溫室3、溫室4分別消耗肥料11.8 kg、12.2 kg、16.7 kg、17.5 kg，采用藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行施肥的溫室1和溫室2，相比利用人工經(jīng)驗(yàn)控制施肥的溫室3施肥量節(jié)約29.34%和26.95%，相比溫室4施肥量節(jié)約32.57%和30.29%。考慮到傳感器的精度與穩(wěn)定性、人工經(jīng)驗(yàn)的誤差性以及取樣的多寡與偶然性，利用藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行施肥大約可節(jié)肥25%～35%。

一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)溫室1、溫室2、溫室3、溫室4的藍(lán)莓產(chǎn)量分別為788 kg、774 kg、695 kg、683 kg，采用藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行灌溉施肥的溫室1和溫室2，相比利用人工經(jīng)驗(yàn)控制灌溉施肥的溫室3藍(lán)莓增產(chǎn)13.38%和11.37%，相比溫室4藍(lán)莓增產(chǎn)14.87%和12.83%。考慮到人工采摘的誤差以及取樣的多寡與偶然性，利用藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行灌溉施肥大約可提高藍(lán)莓產(chǎn)量10%～15%。

3.2 推廣應(yīng)用

目前藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)已成功應(yīng)用于青島西海岸新區(qū)藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)基地，經(jīng)過(guò)多個(gè)藍(lán)莓溫室的長(zhǎng)時(shí)間使用顯示，智能水肥一體化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)莓生長(zhǎng)發(fā)育與灌溉施肥的精準(zhǔn)智能化控制，不僅如此，傳統(tǒng)灌溉施肥方式平均每人可管理1～2個(gè)藍(lán)莓溫室，采用智能水肥一體化系統(tǒng)灌溉施肥平均每人可管理5～6個(gè)藍(lán)莓溫室，節(jié)約勞動(dòng)力60%以上，而且藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)灌溉施肥管理更加簡(jiǎn)潔方便，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。

4 結(jié)論

1) 針對(duì)藍(lán)莓溫室種植中存在的管理粗放、水肥資源浪費(fèi)等問(wèn)題，構(gòu)建了藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)，其中包括藍(lán)莓溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)、智能化服務(wù)平臺(tái)、藍(lán)莓灌溉施肥系統(tǒng)以及其他環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備4部分，并對(duì)水肥一體化系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2) 藍(lán)莓溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)通過(guò)傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藍(lán)莓溫室環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芊?wù)平臺(tái)，智能服務(wù)平臺(tái)自動(dòng)調(diào)節(jié)模糊PID控制算法，調(diào)節(jié)藍(lán)莓灌溉施肥系統(tǒng)以及環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了灌溉、施肥、溫室參數(shù)調(diào)節(jié)等的精準(zhǔn)智能化調(diào)控。

3) 以溫室藍(lán)莓現(xiàn)有的種植模式為基礎(chǔ)，對(duì)藍(lán)莓溫室智能水肥一體化系統(tǒng)的節(jié)水性能、節(jié)肥性能、增產(chǎn)性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)系統(tǒng)用于溫室藍(lán)莓種植約節(jié)水35%～45%，節(jié)肥25%～35%，藍(lán)莓增產(chǎn)10%～15%，節(jié)約60%以上勞動(dòng)力，同時(shí)降低了農(nóng)業(yè)污染，可推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。