基于云平臺的智能精準配方施肥機設計與實現

李合營，張同心，劉海法，宋成秀，陳立利，李圣文

（1.山東鋒士信息技術有限公司，山東濟南 250100；2.水發智慧農業科技有限公司，山東濟南 250100；3.水發集團有限公司，山東濟南 250100））

0 引言

水肥一體化技術在提高水肥利用率、降低勞動力成本等方面具有顯著優勢，我國自1975年試驗研究、示范應用以來，尤其在“一控二減三基本”政策強制要求下，已在多種作物生產中得到大面積推廣應用[1]。隨著物聯網、云計算、大數據等關鍵信息技術發展，水肥一體化系統的自動化、智能化管控成為研究和應用的熱點[2-8]。當前我國水肥一體化技術體系中，管控平臺的設計和建設較為薄弱，平臺功能大多比較簡單，如查看機器狀態、直接控制機器開關等，少數實現了完整的用戶和權限管理，鮮有提供線上預設水肥計劃和策略或是根據實時監測值自動計算和分配水肥的功能，不能有效提升水肥一體化技術的管控水平[9-11]。本研究設計并實現一種基于阿里云的智能水肥一體化智能裝備及管控系統，擁有完善的機構、用戶、溫室、機器和權限管理功能，專家可以線上幫助農戶預設水肥計劃和策略，并通過實時采集分析土壤、環境等數據再結合專家經驗知識，計算和分配水肥，提高水肥一體化技術的全方位自動化和智能化管理水平。

1 平臺架構設計

本研究中的架構設計參考了經典的三層架構：數據訪問層（UI）、業務邏輯層（BLL）、表現層（UI），并結合實際情況，設計了包括基礎設施層、數據層、服務層、應用層的架構。

2 系統結構

設備主要結構包括：肥料制備單元、注肥單元、輪灌控制單元和水肥核心控制單元。

2.1 肥料制備單元

負責將施肥所需的原料（水溶性）進行充分溶解，主要設備包括：肥料桶、攪拌器和液位開關。其中，肥料桶用于儲存肥料原料；攪拌器負責加快肥料原料溶解速度；液位開關包含上限和下限兩處，用于采集液位極限信號。

2.2 注肥單元

負責將肥液按照系統要求的稀釋比、施肥量和施肥時長，注入灌溉水中，主要設備包括：施肥泵、射流器、脈沖電動閥、EC傳感器。其中，施肥泵負責提供灌溉及注肥所需的壓力和流量；射流器用于將肥液從肥料桶輸送至調蓄水箱；脈沖電動閥用于控制肥液流量。

2.3 輪灌控制單元

負責按照要求的輪灌順序，對相應的大棚閥門進行開關控制，主要設備包括：電磁閥和無線控制器。電磁閥負責灌溉控制。對于適合布線的場景，采用電纜對閥門進行控制；對于不適合布線且距離不超過2 km的場景，采用無線LORA控制器對閥門進行控制。

2.4 水肥核心控制單元

核心控制單元是整個智慧灌溉系統的大腦，負責對整個灌溉流程、灌溉設備及周邊配套儀表傳感器進行統一管理。核心控制器主要結構包括：主控模塊、通信模塊、輸入輸出模塊、擴展模塊、人機交互模塊等部分。

3 主要參數

1）額定流量：根據前期調研和工程實踐，單個地塊灌溉最大流量為35 m3/h，設計額定流量為40 m3/h。

2）額定壓力：根據滴灌帶工作壓力：50～300 kPa要求，設計額定壓力0.4 MPa。

3）輪灌組數：按照每天最多輪灌3個地塊、灌溉周期最短6天計算，輪灌組數最大18個，設計支持20個輪灌組。

4）肥料桶容積：根據研究數據，單個肥料桶肥液平均最大用肥量為50 kg/667m2，按照每天最多輪灌3個地塊，同時考慮盡量減小占地面積，兼顧肥料制備頻率不要過高，設計肥料桶容積為1 m3，管理常規100 m長度的溫室時，肥料制備的周期為7天。

5）注肥流量：管理地塊面積最大為3333.33 m2，單種肥料最大用量15 kg/667m2，5倍稀釋，單次灌溉施肥最短時間1 h計算，最大注肥量為375 L/h。

4 工作流程

4.1 用戶注冊

設備安裝完成后，種植戶登錄智慧種植管理服務云平臺注冊，錄入用戶、水源、地塊、灌溉設施等基礎信息。信息錄入完成后，系統自動將與灌溉相關的信息同步到對應的水肥一體化管理設備。

用戶信息包括：種植戶姓名、身份證號、手機號、項目區位置。

泵站信息包括：泵站編號、水源類型、出口壓力、額定流量、水泵功率。

地塊信息包括：地塊編號、所屬泵站、地塊面積、灌溉方式、滴頭流量、滴頭間距、滴灌帶平均間距、測土配方數據、作物類型、作物品種、種植時間。

輪灌閥門信息包括：閥門編號、閥門規格、所屬地塊。

4.2 方案推送

在開始灌溉前，智慧種植管理服務平臺分析生成水肥一體化灌溉方案，方案主要內容包括：灌溉地塊編號、灌溉開始時間、畝均灌水量、A肥畝均施肥量、B肥畝均施肥量、C肥畝均施肥量、D肥畝均施肥量，推送到種植戶手機，種植戶對灌溉方案進行微調確認后，平臺將灌溉方案下載到水肥一體化管理設備。

4.3 智慧灌溉

水肥一體化管理設備通過運算，生成灌溉的詳細參數及流程，如：計算灌溉時長、分配預灌時間、沖洗時間、計算施肥速度等，并在開始灌溉后自動控制相應的水源、水肥機、輪灌閥門等設備，全自動完成灌溉。

4.4 流程時間節點

1）設備安裝完成時，按要求登記基礎信息。

2）灌溉季開始前，登記作物的種植信息。

3）灌溉開始前3天，推送灌溉方案信息。

4）灌溉開始前1天，推送灌溉方案，種植戶調整確認。

5）灌溉開始前1 h，要求種植戶確認設施正常、電源正常、手閥位置正確。

6）灌溉開始時間到達，水肥管理設備自動啟動水源，待入口壓力正常后啟動水肥機；打開輪灌1組閥門開始預灌；預灌時間到達后，啟動脈沖電動閥開始水肥一體化灌溉；水肥一體化灌溉結束后，關閉脈沖電動閥，開始沖洗管路；沖洗結束后，關閉輪灌1組閥門，灌溉輪灌1組灌溉結束，打開輪灌2組閥門，按以上順序進行輪灌2組灌溉，循環直至本次灌溉方案完成。

7）灌溉過程中出現報警、故障需要停機時，可暫停灌溉，通過手機通知用戶及時處理，用戶處理完成并確認后，系統從中斷處開始，重新灌溉。

5 主要環節設計

5.1 核心控制器

使用公司現有水肥核心控制器，分階段實施。第一階段開發期間通過PLC+觸摸屏進行原型開發試驗，第二階段通過核心控制器（顯示設置）+PLC（控制調節）進行現場測試，第三階段通過升級核心控制器，完全滿足現場使用要求。

根據通訊、輸入輸出點及程序容量，第一階段開發期選擇S7200 smart系列的ST60作為原型開發控制器，配套tpc1061ti觸摸顯示屏。

5.2 控制策略設計

精準配方施肥機聯網智慧平臺工作，具體流程前已表述，水肥機程序的控制策略如下：

水肥機接收到的灌溉方案內容示例：灌溉地塊2#、灌溉開始時間10：00、均灌水量15 m3/667m2、純氮3.51 kg/667m2、純磷0.22 kg/667m2、純鉀0.25 kg/667m2，需微量元素肥0.3 kg/667m2（中微量元素與功能性肥料分別間隔使用）。

1）計算灌溉時長T1：通過基礎信息調取2#地塊滴頭流量2 L/h、滴頭間距300 mm、滴灌帶平均間距0.8 m，灌溉時長計算公式如下：

T1=Q1×L1×L2/（Q2×0.667）

式中，T1—灌溉時長（h）；

Q1—平均灌水量（m3/667m2）；

L1—滴頭間距（m）；

L2—滴灌帶平均間距（m）；

Q2—滴頭流量（L/h）。

將數據代入公式計算出灌溉時長為：T1=15×0.3×0.8/（2×0.667）=2.7 h。

2）計算施肥時長T2：根據經驗數據取預灌時長15 min、沖洗30 min，施肥時長T2=1.95 h。

3）計算肥液養分濃度：A、B、C三個大量元素肥料的氮磷鉀養分濃度通過以下公式計算：

D桶的功能肥濃度：D桶功能肥濃度=肥料投入量/溶液體積。

示例如：A桶以氮肥為主，選用尿素（46-0-0）；B桶以磷肥為主，選用磷酸一銨（11-52-0）；C桶以鉀肥為主，選用硫酸鉀（0-0-50），肥料容積1 m3，A桶肥料投入量均為200 kg，其余B、C桶肥料投入量均為100 kg，各肥料桶內養分濃度分：

A桶：氮元素濃度為：a1=0.46×200/1000=9.2%，磷、鉀元素濃度為：0。

B桶：氮元素濃度為：b1=0.11×100/1000=1.1%，磷元素濃度為：b2=0.52×100/1000=5.2%，鉀元素濃度為：0。

C桶：氮磷為：0，鉀元素濃度為：c3=0.5×100/1000=5%。

原則上選擇基礎原料后，各肥料桶的配法即固定不再更改。

4）計算肥液用量：由三元一次方程計算出本次灌溉所需各肥料桶溶液的畝均用量。

方程如下：

其中，MN、MP、MK分別為本次灌溉所需純氮、磷、鉀的畝均用量（由上位機模型計算得出），ηN、ηP、ηK分別為追肥所選肥料的氮、磷、鉀肥料利用系數，a1、b1、c1分別為A桶的氮、磷、鉀養分濃度（%），a2、b2、c2分別為B桶的氮、磷、鉀養分濃度（%），a3、b3、c3分別為C桶的氮、磷、鉀養分濃度（%），V1、V2、V3分別為本次灌溉所需三個肥料溶液的畝均用量。

施肥方案示例如：純氮3.51 kg/667m2、純磷0.22 kg/667m2、純鉀0.25 kg/667m2，A桶氮元素濃度a1=9.2%，磷、鉀元素濃度為0。B桶氮元素濃度b1=1.1%，磷元素濃度b2=5.2%，鉀元素濃度為0。C桶氮磷為0，鉀元素濃度c3=5%。根據番茄日光溫室種植肥料利用率實驗數據，取氮肥為30%，磷肥為20%，鉀肥為50%。

解方程得：v1=125 L；v2=21 L；v3=10 L。1#地塊面積0.133 hm2，計算出本次施肥量為：A肥250 L，B肥42 L，C肥20 L。

5）計算各通道注肥流量：注肥流量L=注肥量V/施肥時長T2。

計算得出，A通道：La=250 L/1.95 h=128 L/h，B通道：Lb=42 L/1.95 h=22 L/h，C通道：Lc=20 L/1.95 h=10 L/h。

6）施肥量控制。施肥量控制采用比例調節方式，用戶首先調整各注肥通道流量達到額定值La0、Lb0、Lc0、Ld0，確定注肥調節周期T0，取各通道的注肥流量計算值La、Lb、Lc、Ld，計算注肥調節周期內開關時長，如A通道調節周期內：T開=T0×La/La0，T關=T0×（La0-La）/La0，通過對電磁閥開關時長的調節，實現對注肥流量進行調節，從而精確控制施肥量。

7）肥料稀釋比復核。以上實例肥料投加總量為：250 L×0.2 kg/L+42 L×0.1 kg/L+20 L×0.1 kg/L=74.2 kg；灌溉水量為30 m3，肥料的稀釋比為2.5‰，符合肥料使用要求。

5.3 設備選型

5.3.1 施肥泵設計選型。施肥泵流量：施肥泵應滿足最大地塊面積灌溉、施肥及監測取樣所需的流量、壓力要求。以番茄為例，滴灌流量為5～6 m3/h，最大管理面積3333.33 m2計算，所需最大灌溉流量為30 m3/h；施肥及取樣管路流量2.2 m3/h×4+1 m3/h=10 m3/h；施肥泵總流量為40 m3/h，揚程取30 m，水泵功率5.5 kW。

5.3.2 電磁閥設計選型。參照國外設備及其開關動作頻率，在保證灌溉水肥液均勻度的前提下，盡量減少閥門動作次數，增加閥門壽命。

5.3.3 肥料桶設計選型。根據施肥量參數，按5～7d制備一次肥料計算，確定肥料桶容積為1 m3，黑色，帶錐底，配套不銹鋼攪拌器。

5.4 施肥器參數

根據各施肥通道流量，選用DN25射流器，吸液量230～530 L/h。