設施蔬菜水肥一體化智能控制系統應用

陳海錄

設施蔬菜水肥一體化智能控制系統，實現了農業生產環境與管理的全自動化運行，它通過物聯網云平臺技術和手機APP完成遠程監管。利用內置氣象預報、灌溉施肥控制模型，能預報未來7～15天內作物需水情況，智能判別作物生育期和肥水濃度，實現灌溉預報、肥液攪拌與在線檢測、自動配比與混合以及分區水肥控制等遠程化監控與管理。

1 創新工藝技術

1.1 工藝設計思路：利用在溫室中布設的土壤水分、養分傳感器及溫度濕度傳感器，水肥一體化智能控制系統可以將實時監測的土壤養分、水分等數據傳送到PLC中，并對其進行檢測。

由PLC利用云平臺把信息傳送到遠端，利用內置的軟件對數據進行處理，使該數據與作物生長情況的視覺采集信息相結合，對作物水分、養分狀況進行分析，以設定的判別標準為依據，綜合判定系統的工作狀態。在PLC的控制下，自動開啟水肥裝置中的電磁閥，實現了水肥一體化使用。

1.2 智能控制系統

1.2.1 無線環境信息采集節點。該系統利用可擴充的多信道數字感知采集器，由無線發射裝置和傳感器組成。所選擇的環境信息傳感器都是數字型傳感器，數字型傳感器包括I2C總線數字傳感器、單總線數字傳感器、RS485接口型數字傳感器。

此外，設計中采用接口拓展版來動態擴充傳感器使用總量，在理論上，接入擴展版后，該系統可以同時處理256個傳感器信息，交換機可以利用撥號對每一個傳感器進行IP定位。Zigbee? CC2530定時向傳感器發出采集數據的命令，然后將這些數據通過RF模塊以無線的方式傳輸到與主機連接的協調器。

1.2.2 基于ARM智能決策節水灌溉控制器設計。在智慧決策的節水灌溉控制器中，包含了ARM開發板和ZigbeeCC2530協調器兩部分。協調器利用RS232串口與ARM開發板連接，CC2530協調器將收到的Zigbee終端上報的環境信息以串口的方式發送到ARM開發板。在此基礎上，利用ARM軟件對采集到的數據進行運算和處理，并對數據進行存貯。Zigbee協調者僅為1個，其負責整個無線網絡的協調、建立和維護。

實現采集傳感器數據、對灌水狀態進行實時智能監控、制定合理的灌水施肥策略，使灌水達到智能。控制器采用的是一塊擁有高性能Cortex-A8核心板的ARM開發板，其使用的是Linux操作系統，可以解析并封裝傳感器獲取的信息，并根據傳感器數據和人工分析，下達智能灌溉指令。

1.2.3 無線灌溉控制節點。該系統由WRF接收模塊、文丘里比例施肥機、數字流量計、液面計、2個電磁閥組成。

在無線射頻接收模塊從協調器收到灌溉命令時，該射頻模塊會按照該命令，將第一或第二電磁閥打開，在打開之后，持續地對數字流量計或液位計的數據進行檢測，如果達到了規定的灌溉數值，就會將第一或第二電磁閥關閉。

第一個螺線管就是對注入水進行控制的管道，而數字流量計就是對注入水進行計數的儀器；第2個電磁閥為控制灌水管道，水平儀為計量灌水水量的儀器。

2 智能控制系統應用

以某溫室大棚為實例，對該系統設計并使用。該大棚尺寸為12m×60m，作物總面積為0.067hm2，土壤屬于砂壤土。在此基礎上，結合兩年來大棚蔬菜生產情況，以黃瓜為例介紹了如何在生產中選擇合適的灌溉水量及肥料用量。該大棚的黃瓜株距為25cm，行距為80cm，使用的是水肥一體化滴灌系統對其進行灌溉和施肥，管徑為Φ16，滴頭間距為25cm，流量為2L/h。為避免灌水器的阻塞，在水肥綜合施用中使用了特殊的水溶性肥料。

2.1 灌水量的確定

黃瓜根系淺薄，在地表以下25～30cm處，在植物周圍30cm處較為集中，其最適水分含量約為60%～90%。利用土壤濕度傳感器測定的土壤濕度和不同生育時期的土壤濕度，按水均衡方程，確定大棚內的灌溉水量。由于大棚內沒有自然降水，所以在灌溉過程中不會產生地面的徑流，也不會產生土壤的深層滲透量；在土壤水分含量低于下限的情況下進行灌溉，根據不同時期的作物水分含量來決定上限的灌水量，其灌水定額如下：

M=H（?max-θmin）/0.667

2.2 施肥量的確定

根據土壤中的營養元素，測定出的肥力，再結合作物對肥力的需求，來決定施肥量。黃瓜對氮、磷、鉀的需求比例通常為1∶0.56∶1.38。以日光溫室黃瓜的單株0.67hm2為10，000kg，氮素28～32kg，磷酸鹽58～13kg，鉀素36～44kg。在瓜果期，需要大量的營養元素，其對營養元素的吸收在全生長期中所占比例超過80%。盛果期是對營養元素要求最高的階段，也是追肥的重要階段，在此階段施用肥料，可使產量得到較大的提高。

表1為該試驗設施所需的肥料用量，該用量由主機控制。水肥結合技術使氮肥的利用率達到了40%，磷肥的利用率達到了25%，鉀肥的利用率達到了45%。根據目標產量和黃瓜的營養吸收規律，以每一階段3次為基礎，制定了具體的施肥方案。

3設施蔬菜全生育期灌溉模式

以使用者所提供的有關資料為依據，來對系統進行調試，在自動模式下，能夠收集到土壤水分和營養的資料，并將這些資料傳送給PLC，而云計算則會對這些資料進行分析，再計算出所需要的灌水和肥料的數量，并將這些信息傳遞給PLC，PLC在接收到的數據的基礎上，對各種設備進行操作，從而讓作物的生長環境維持在一個最佳的水平。