水肥藥一體化精準灌溉系統的研究與設計

張健 沈麗麗 陳基松 張雷雷 王超超 王軍

（1廣州華立學院，廣州 511325；2光明食品集團上海農場有限公司，上海 200072）

水資源是農業生產、農作物生存的必要基礎，肥料則可促進農作物生長，而農藥能保證農作物健康生長和優質高產。在我國目前的農業生產中，由于先進技術還未大范圍普及，多數農作物在其生產過程仍采用傳統的灌溉、施肥、施藥方式，這就對現代農業發展產生了一定的不利影響。例如，農田大多采用人工井抽水漫灌或溝渠引水的方式，會產生過多的水分滲漏和蒸騰，造成不必要的水資源浪費[1]；農作物的施肥和施藥也存在過度施用或施用不科學等問題，且人工配肥和配藥費時、費力、步驟繁瑣，極易出現配比不精準的問題，再加上大多采用人工噴施的施藥方式，不僅會對土壤和水源造成污染，還會對農民的健康不利。因此，亟需在農業生產中實行節水灌溉，并提高肥料和農藥的利用率及施用技術水平，而采用水肥藥一體化技術即可達到上述效果。

水肥藥一體化技術是將肥料和農藥均勻溶解于灌溉水中，根據農作物不同階段的生長需求，精準配比成符合要求的營養液和藥液，并通過末端管網輸送至農作物，實現精準灌溉，達到水肥藥協同、按需供給、少量多次、水肥平衡、水藥科學合理的效果，該技術是發展生態農業和循環農業的一項關鍵實用技術。但是，根據國內外研究現狀，目前對于灌溉技術的研究多偏重于學術和技術的引進，多注重技術控制而不是農作物需求，且大多研究結果局限于實驗室內的環境，實用性有限[1]；肥料、農藥需單獨進行人工配制并噴施，未能真正實現施用的完全自動化；水肥一體化技術也存在配比不精準、灌溉方式單一等不足。在此背景下，筆者以現有的水肥一體化灌溉系統為基礎，進行了水肥藥一體化精準灌溉系統（以下簡稱精準灌溉系統）的研究與設計。現將相關研究結果報道如下。

1 精準灌溉系統研究與設計的主要內容

精準灌溉系統主要由首部系統、輸配水管網、田間傳感器、滴頭、噴頭等硬件組成，主要研究內容包括需求性分析、硬件選型與設計、配肥配藥控制策略研究、灌溉控制方式研究等，具體見圖1。其中，在首部系統中，筆者對配肥配藥策略進行了研究（利用模糊控制法對精準灌溉系統的配肥策略進行研究，即在Matlab環境下設計模糊控制器，通過ctfool模塊擬合曲線得到系統階躍響應函數，進而通過Matlab/Simulink模塊搭建仿真對模糊控制系統的營養液配比的有效性進行驗證；對于精準灌溉系統的配藥策略，可將藥液配比近似看作線性過程，在給定目標比例后，分別控制清水和母液通道的電磁閥通斷時長，即可實現藥液精準配比），實現了短時間內營養液和藥液的精準配比[2]。同時，精準灌溉系統分別設定了施肥和施藥兩種程序灌溉控制方式，以“定時輪灌”為主要灌溉控制方式，以“依據土壤濕度進行灌溉或依據外部其他控制指令進行灌溉”為備用灌溉控制方式，并采用地表滴灌與噴灌兩種灌溉模式相結合，最終實現了滴灌施肥和噴灌施藥。

圖1 精準灌溉系統的研究與設計內容

2 精準灌溉系統的需求性分析

精準灌溉系統的研究與設計需遵循適應性、穩定性和經濟性的原則[3]，具體要求：精準灌溉系統能廣泛應用于平原山地中的小型田間作物種植，且安裝方便、操作簡單，農戶能快速上手；精準灌溉系統的硬件選型需要經濟耐用，尤其是用于輸送營養液和藥液的管道等設備，要求具有耐腐、抗高壓的特性；精準灌溉系統的控制軟件需要簡單易操作，且包含自動控制和手動控制兩種模式，以防止精準灌溉系統出現故障；精準灌溉系統的設計成本需較小，且具有節水、節肥、節藥和增加農業生產效益的應用效果，使農戶能快速回本。

筆者最終研究設計的精準灌溉系統，是以首部系統中的精量配肥配藥系統為中心，可結合溫室內外的氣象環境監測系統、溫室內的田間管網和田間土壤傳感器等，實現水肥藥一體化自動精準灌溉。值得注意的是，在精準灌溉系統的應用過程中，為方便田間管理，田間需劃分為多個灌溉區，系統為每個灌溉區配備了兩個電磁閥，分別控制噴灌和滴灌模式的啟停，從而能為農作物提供定時定量供給或按需供給兩種模式的滴灌施肥和噴灌施藥。

3 精準灌溉系統的硬件選型與設計

3.1 水源及變頻水泵

在精準灌溉系統的研究與設計過程中，灌溉用水均來自建設的約30 m3大小的室外蓄水池，蓄水池水源來自附近約90 m距離的池塘，池塘水通過水泵加壓引水至蓄水池，具體供水量為20.0 m3/h。同時，配置CDMF20-3輕型立式多級離心泵2臺，設定供水壓力為0.25 Mpa，且遵循節水、節能、經濟的原則，為水泵配備變頻器，以達到按需供給、少量多次的供水效果。

值得注意的是，室外蓄水池中的儲存水中含有較多的大顆粒沙石、藻類和不溶性礦物質等雜質，且配比好的營養液和藥液中也存在一定的不溶性雜質，考慮到水肥藥一體化技術所使用的噴頭或者滴頭的孔徑很小（尤其是滴頭的孔徑，一般僅有0.5～1.2 mm），很容易被水中的雜質堵塞，且長期的雜質殘留還會堵塞滴灌帶并使其老化，從而增加維護成本。因此，必須要對灌溉水源進行嚴格的過濾處理，以延長管網系統的壽命和提高精準灌溉系統的灌溉質量。

3.2 過濾器

過濾器為首部系統的重要部件。在精準灌溉系統的研究與設計過程中，雖然在灌溉前進行了灌溉水的初級處理（利用室外的迷宮式沉淀池對灌溉水中的大顆粒沙石等進行沉淀），但室外的迷宮式沉淀池易產生藻類等有機雜質，故最終筆者選用了適用于有機雜質和混合雜質過濾的疊片式過濾器。

3.3 配肥配藥系統

精準灌溉系統的配肥配藥系統以混液灌為核心裝置，配有能穩定吸肥和吸藥的文丘里管、攪拌裝置（包括母液桶內攪拌電機和混液罐中的葉輪）、母液桶、過濾器、EC值傳感器、pH傳感器、流量計、止回閥等。配肥配藥系統的整體結構與運行過程見圖2。其中，母液桶上部桶口均配置一套額定電壓為380V、功率為0.75 kW的攪拌電機，用于母液配置前和配置時的攪拌，以防止母液長時間沉淀造成濃度不均。母液桶底部開口連接PVC管形成注肥（藥）通道。混液罐內部裝有最低液位開關和控制浮子，以確保混液罐內液體量充足，并能維持液位穩定，保證配肥配藥過程穩定。混合罐外部出水管設計有分支回路管，并在此分支回路管上，安裝1～2個高精度雙通道EC值傳感器和高精度雙通道pH傳感器（EC值傳感器的測量精度為0.01 mS/cm，pH傳感器的測量精度為0.05），用于實時測量混合液的電導率及酸堿性。

圖2 配肥配藥系統的整體結構與運行過程

4 精準灌溉系統的配肥配藥控制策略研究

4.1 精量施肥施藥機的工作原理

在精量施肥施藥機啟動運行時，首部變頻水泵響應，將室外蓄水池內的灌溉水抽入施壓后由過濾器過濾；同時，母液桶內的攪拌電機開始工作。過濾后的加壓灌溉水通過配置的文丘里管，在文丘里管喉部形成真空負壓區，將母液桶內的營養液或藥液吸入混液罐，在營養液、藥液等母液由母液桶進入混液罐的過程中，需經歷攪拌和兩次過濾，以確保配比好的混合液濃度均勻、無不溶性雜質等。在清水進入混液罐前，首先要經過旋轉散開型的噴頭（該噴頭可用來確保混液罐中形成最佳流量），且葉輪開始旋轉攪拌，以保證水肥或水藥充分混勻。混液罐的出水管上裝有小型加壓泵，對配比好的混合液進行加壓并輸送至田間管網；同時，混液罐的出水管將引流一小部分混合液經過裝有EC值傳感器和pH傳感器的分支回路管，用于實時測量混合液的電導率及酸堿性，再根據測量結果，決定是否關閉或繼續供應對應的營養液和藥液，確保EC值和pH符合農作物種植的農藝要求且保持穩定（一般要求配肥配藥的EC值精度為±0.015 mS/cm、pH精度為±0.1）。

4.2 配肥控制策略

4.2.1 模糊控制器設計

營養液的配比具有多變量、大慣性、延時滯后等特點，很難建立合適的數學模型。為了使營養液的配比更為精確，可采用模糊控制方法（模糊控制方法是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的計算機控制方法，是一種非線性的控制方法。但由于引入專家邏輯思維模式，使模糊控制具有一定的自適應能力，因而特別適用于難以用精確數學模型描述的系統，其基本原理見圖3）[4-5]，并運用Matlab/Simulink模塊進行仿真研究，驗證模糊控制系統的營養液配比能力。

圖3 模糊控制系統的基本原理

同時，為實現短時間內營養液的精準配比，需同時考慮母液通道和清水通道的配比誤差及其誤差變化，故要選擇性能更優的二維模糊控制器，并對電導率EC值采用二維控制，以誤差及其誤差變化作為輸入變量，以電磁閥的通斷時間作為輸出變量。

此外，因農作物生長周期中，土壤環境的EC值、pH波動范圍較小，故模糊控制系統在選擇模糊化語言時不宜數量過多，本模糊控制系統選取了5個。令模糊控制中設定的目標電導率值為a，EC值傳感器在線測量的實際電導率值為A，則實際與目標的電導率誤差值E=A-a，設置電導率誤差的語言變量為E={NB，NS，ZE，PS，PB}，論域X={-2，-1，0，1，2}，則EC值相鄰兩次誤差的變化量為Esc=e2-e1=（A2-a）-（A1-a）=A2-A1，電導率誤差變化量的語言變量為Esc={NB，NS，ZE，PS，PB}。其中，NB、NS、ZE、PS、PB在本模糊控制系統中的含義分別為“負大、負小、零、正小、正大”。配肥系統輸出的變量是電磁閥在開始運行到配比完成1個周期的開啟時間，設其模糊輸出量為U，語言變量為U={NB，NS，ZE，PS，PB}，論域為U={-2，-1，0，1，2}，其中，NB、NS、ZE、PS、PB在輸出量對應的含義為輸液通道電磁閥通斷時長的模糊子集“零、短時、中時、較長時、長時”。

根據專家經驗編寫模糊控制規則，在制定好模糊規則后，對系統輸入變量進行迷糊化處理，即以EC值誤差及其誤差變化兩個精確輸入量變化作為模糊輸入量。將經過系統綜合計算的控制量模糊集合U變換為精確輸出，供執行控制用，這個過程叫做解模糊或模糊判決，常見的解模糊方法有重心法、最大隸屬度法、系數加權平均法和隸屬度限幅元素平均法[6]，本模糊控制系統選擇常用的三角形隸屬度函數作為解模糊方法。

4.2.2 Matlab環境下模糊控制器的制作

進入Matlab軟件，打開模糊推理系統主界面FIS（Fuzzy inference system）編輯器，FIS編輯器包含隸屬函數編輯器、模糊規則編輯器和輸出預覽器等功能。筆者依據施肥模式設計了二維模糊控制器，設置E和Esc兩個系統輸入量和一個輸出量U，編輯器窗口的具體展示見圖4。

圖4 FIS編輯窗口的具體展示

模糊系統中取E和Esc的論域為{-2，-1，0，1，2}，其模糊子集為{NB，NS，ZE，PS，PB};輸出U的論域為{-2，-1，0，1，2}，其模糊子集為{NB，NS，ZE，PS，PB}，然后建立E、Esc、U的三角形隸屬函數。

對于模糊控制規則的設計原則，當偏差較大時，控制量的變化需要將誤差調小，當偏差較小時，需要在消除誤差的基礎上考慮系統的穩定性，以防止系統產生不必要的超調甚至震蕩等不穩定情況[7]。由于E、Esc均選取了5個語言值，結合專家經驗，筆者編輯了25條模糊推理規則，得出模糊規則表，見圖5。

圖5 模糊控制規則及編輯界面

在實際應用中，可根據不同的農作物種類、不同的種植環境，對模糊規則庫稍作調整，以逐漸形成最佳的營養液配比方案。在此模糊控制規則下，模糊控制器輸入輸出的非線性曲面關系，見圖6。

圖6 模糊控制輸入輸出的曲面關系

4.2.3 Simulink仿真模型的搭建

為驗證模糊控制系統的營養液配比有效性，通過Matlab搭建仿真平臺，觀察電導率EC值誤差及其誤差變化是否達到了實際變化需求，即在Matlab命令行串口輸入Simulink創建仿真環境進行系統仿真研究。同時，為了確定營養液模糊控制系統的傳遞函數，需對營養液配比過程的數據進行記錄。

4.2.4 模糊控制器的應用實例

現筆者以茄科類作物為例，對其營養液的實際配比控制過程進行介紹。

根據農藝要求，適宜茄科類作物種植的土壤pH范圍為5.5～6.5，且營養液pH在5～8范圍時，對EC值的影響小，故可結合營養液配比過程中的EC值響應特性，對EC值參數獨立進行模糊控制。

一般茄科類作物在定植后要求營養液的電導率需控制在2.0～2.5 mS/cm，且在溫暖氣候下，茄科類作物在成株期灌溉的營養液的EC值需控制在2.0～2.4 mS/cm。因此，筆者選用深圳芭田生態工程股份有限公司生產的茄科類水溶肥，于母液桶根據肥料的使用說明配置母液，開啟灌溉施肥模式，并手動打開灌溉施肥施藥系統的母液配肥通道電磁閥，每隔20 s記錄混液罐內營養液的EC值數據，并重復3次、取平均值。具體數據見表1。

表1 混液罐內不同時間營養液EC值變化情況

根據測量數據，通過Matlab中ctfool模塊擬合曲線，得到系統階躍響應，見圖7。

圖7 系統階躍響應

通過兩點法求取傳遞函數，設u(t)為階躍信號，其幅值為U，即：

在辨識試驗中，使用階躍信號u(t)激勵，收集到的響應數據y(tk)，k=1，2，3，...，則輸出響應可以表示為：

式2中：T為時間常數，K為放大增益，τ為滯后時間。

通過拉普拉斯逆變換：

根據拉普拉斯變換的終值定理：

式5中：y(∞)為階躍響應y(t)的穩定值。

根據函數圖像取兩點，t1=220 s時，EC值=1.255 mS/cm，t2=400 s時，EC值=2.253 mS/cm。得到傳遞函數τ=64.8，T=238.43，K=7.22。即系統傳達函數為。根據計算得到的系統傳遞函數，打開Matlab中Simulink模塊進行系統仿真，仿真模型見圖8。

圖8 Simulink環境下模糊控制系統的仿真模型

將設計好的模糊控制器導入到Matlab工作空間中，并修改Fuzzy Logic Controller為模糊控制器的名稱，點擊運行進行仿真，仿真結果見圖9。

圖9 系統仿真響應曲線

結果表明，系統的上升時間約400 s，在450 s附近系統趨于穩定，表明系統能在較短時間內達到預設的EC值，由此可知，系統具有一定的魯棒性。

綜上，該模糊控制器能在短時間內實現營養液的精準配比。

4.3 配藥控制策略

在藥液配比時，通常以制劑用藥量或稀釋倍數作標準，且要求在噴灌施藥前，完成對藥液的精準稀釋。由于藥液配比可近似看作線性過程，故為了達到配比精準，可在給定目標比例后，分別控制清水通道和母液通道的電磁閥通斷時長，從而實現藥液的精準配比。其中，對于清水通道，變頻水泵可實現穩定的流量輸入，但藥液桶的壓差會隨著液面高度的降低而減小，進而導致供藥通道的流量變小，故為保證供藥充足，需要逐漸加大藥液通道的輸出占空比，即可根據流量計的反饋信號，通過調整調節閥的開度來保證供藥通道有平穩流量，并按比例分配清水通道和藥液通道的開通時間，從而最終實現藥液的精準配比。

圖10 水藥配比控制策略

5 精準灌溉系統的灌溉控制方式研究

滴灌方式雖然具有明顯的節水效果，但會導致農作物幼苗在定植后的緩苗時間過長，影響幼苗成活率，且長時間單獨采用滴灌方式，會導致土壤表面水鹽失衡，且在夏季高溫下，難以對溫室內的溫度進行調控。而噴灌方式可在一定程度上調節溫室氣候，且可根據灌溉區的土壤性質，通過調整噴頭大小或角度，改變灌溉的強度和均勻度，該灌溉方式不僅不會破壞土壤團粒結構，還能在保持土壤水分的情況下避免地表徑流，更能控制土壤溫度和消除因土壤表面的鹽堿化或地下水位上升而引起的次生鹽堿化。因此，綜合考慮兩種灌溉方式的優缺點，精準灌溉系統采用地表滴灌與噴灌兩種灌溉模式相結合，最終實現了滴灌施肥、噴灌施藥（噴灌模式還可噴灌清水用于調節田間氣候）。

6 小 結

筆者針對農作物生長過程中的灌溉、施肥、施藥環節，對自動配肥和配藥策略進行了研究，設計了一套水肥藥一體化精準灌溉系統。該精準灌溉系統能在短時間內實現水、肥、藥的精準配比，從而達到節水灌溉、科學施肥施藥、減少農業生產資料浪費的目的。因此，該精準灌溉系統的推廣應用，有助于推進現代設施農業的進一步發展。