果園水肥一體化自動控制系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

王利源，梁 悅，楊 欣，李建平，錢 稷

(河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,河北 保定 071001)

0 引言

我國水資源豐富，但人均水資源貧乏，且農(nóng)業(yè)用水總量很大。我國面臨水資源的嚴重匱乏及果園施肥方式不科學等問題，如養(yǎng)分管理粗放、水肥耦合效應(yīng)差、肥料利用率低等，不利于水果增產(chǎn)和品質(zhì)的改善，限制了水果產(chǎn)業(yè)的高效發(fā)展[1]。

水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。水肥一體化通過壓力系統(tǒng)或地形自然落差，將可溶性固體或液體肥料配兌成的肥液與水一起通過可控管道系統(tǒng)供水、供肥。水肥一體化技術(shù)在提高作物肥料和水分利用率、改善果樹光合特性、提高果實品質(zhì)、促進果樹幼苗和新生枝條生長等方面具有重要意義[1-5]。近年來，水肥一體化技術(shù)在世界范圍內(nèi)快速發(fā)展，除了在意大利、美國、法國、日本等經(jīng)濟發(fā)達國家發(fā)展較快，在我國和印度等發(fā)展中國家，特別是干旱缺水嚴重地區(qū)，發(fā)展得尤為迅速[5]。

筆者以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了包括井房控制終端、氣象站監(jiān)測終端、田間控制終端和系統(tǒng)平臺組成的果園水肥一體化自動控制系統(tǒng)。工作時，各終端設(shè)備監(jiān)測到的數(shù)據(jù)會通過GPRS無線方式傳輸至服務(wù)器，呈現(xiàn)于系統(tǒng)平臺展示界面，系統(tǒng)平臺能夠通過無線方式下發(fā)的指令。

1 終端設(shè)備設(shè)計

1.1 井房控制終端

井房控制終端(見圖1)可通過遠程控制、自動控制及手動控制的方式來決定水泵的開關(guān)，調(diào)節(jié)配肥泵的開合程度。終端設(shè)備通過GPRS無線方式接收系統(tǒng)平臺下發(fā)的指令，進行相應(yīng)控制開關(guān)的開啟或關(guān)閉，傳輸各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

1.水泵 2.一級過濾層 3.逆止閥 4.吸肥泵 5.二級過濾層 6.排氣閥 7.三級過濾層 8.EC傳感器 9.PH傳感器 10.流量傳感器

在水泵出水管道(混肥前)配備一級過濾網(wǎng)，配肥泵出水管道(混肥前)配備二級過濾網(wǎng)，混肥后的出水管道配備三級過濾網(wǎng)，有效避免較大顆粒的塵埃、樹葉在管道中漂流，阻塞田間噴灌的噴頭。在混肥后的出水管道中內(nèi)置EC傳感器、pH傳感器和流量傳感器，監(jiān)測灌溉施肥的EC值、pH值和流量值。在水泵和混肥器中間配備逆止閥，能夠避免混肥器有腐蝕性的水回流水泵及水源，進而污染井房的水源；在混肥器后的管道中配備出氣閥，能夠提高供水效率，避免出現(xiàn)地下管道因負壓造成破管的現(xiàn)象。

吸肥泵的開合程度取決于要施肥的水肥比例，依據(jù)出水管道EC傳感器觀測到的EC值來人工調(diào)節(jié)配肥泵的開合程度，使之符合施肥的水肥比例。

1.2 田間控制終端設(shè)計

田間控制終端(見圖2)通過GPRS無線方式接收系統(tǒng)平臺下發(fā)的指令，進行閥門的開或關(guān)，傳輸土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器和流量傳感器采集到的數(shù)據(jù)。電磁閥會按照系統(tǒng)平臺下發(fā)的指令，進行閥門的自動開啟或關(guān)閉；若系統(tǒng)出現(xiàn)故障或部件出現(xiàn)損壞等特殊情況，用戶也可通過手動閥開啟或關(guān)閉閥門。

1.無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置 2.手動閥 3.太陽能電池板 4. 電磁閥 5.流量傳感器 6.土壤溫度傳感器 7.土壤濕度傳感器

直徑50mm的管道一端連接來自井房的直徑為110mm的主管道，另一端連接田間的軟管。通過電磁閥或手動閥來控制主管道中的水肥流向該控制箱所管控的區(qū)域。流量傳感器位于閥門開關(guān)的后端，能夠更加精準地監(jiān)測流向該控制箱負責區(qū)域的水流流量，為指導(dǎo)果園灌溉提供較為科學的參考數(shù)據(jù)。

控制箱外接土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器，在隨機選擇的每株果樹下選擇以樹桿為圓點的同心圓均布的3個位置，每個位置垂直細分為3個土壤層，各裝1個溫度傳感器、1個濕度傳感器，能夠為用戶提供更加權(quán)威的土壤溫濕度數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的精準性、全面性、系統(tǒng)性和科學性。

田間控制終端采用太陽能電池板+蓄電池組合供電模式及GPRS無線通訊方式，無需鋪設(shè)電源線路和信號傳輸線路，降低了工程耗費，且兼電源供電和信號傳輸極其穩(wěn)定，受地形因素的影響較小。

1.3 氣象站監(jiān)測終端設(shè)計

氣象站監(jiān)測終端由無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置、太陽能電池板、空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、風速傳感器、風向傳感器、雨量傳感器及蒸發(fā)量傳感器等組成，如圖3所示。

氣象站上的各類傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)會通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置及時發(fā)送給服務(wù)器，在服務(wù)器進行分類、匯總和篩選，然后呈現(xiàn)于系統(tǒng)平臺上。氣象站整體采用太陽能電池板+蓄電池組合供電的方式，既能全天候在線工作，又能節(jié)約建設(shè)與運營成本，具有環(huán)保、節(jié)能、美觀、穩(wěn)定等特點。

圖3 氣象站監(jiān)測終端示意圖Fig.3 Schematic diagram of weather station monitoring terminal

2 系統(tǒng)平臺

系統(tǒng)平臺是設(shè)計的軟件系統(tǒng)，是自動化和智能化優(yōu)勢的集中體現(xiàn)。用戶能隨時隨地登錄系統(tǒng)平臺，遠程查看終端監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到的當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，控制終端設(shè)備的工作狀態(tài)，提高了工作效率，使果園管理變得更加自動化、智能化、現(xiàn)代化和科學化。

用戶在搜索或輸入正確的網(wǎng)址后，輸入正確的“用戶名”及“密碼”，方可登錄系統(tǒng)平臺，進行其他操作。依據(jù)用戶的權(quán)限等級不同，用戶可分為“瀏覽用戶”和“管理用戶”兩類：瀏覽用戶擁有較低的瀏覽權(quán)限，僅可以瀏覽數(shù)據(jù)和查看設(shè)備狀態(tài)；管理用戶擁有較高的管理權(quán)限，還可以進行遠程控制和系統(tǒng)設(shè)置。

2.1 首頁

首頁由編號分區(qū)、動漫(視頻)展示區(qū)、終端設(shè)備手動控制區(qū)及數(shù)據(jù)展示區(qū)等組成，如圖4所示。

編號分區(qū)是指系統(tǒng)平臺所管控的果園分區(qū)，位于頁面的左側(cè)，選擇不同分區(qū)，視頻展示區(qū)會呈現(xiàn)不同的監(jiān)控視頻畫面，數(shù)據(jù)展示區(qū)會出現(xiàn)不同的控制箱數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)。

動漫(視頻)展示區(qū)是以動漫或監(jiān)控視頻展示為內(nèi)容的頁面布局，位于頁面中間上方，切換左側(cè)的編號分區(qū)，會出現(xiàn)相對應(yīng)的動漫或視頻。此功能需要安裝監(jiān)控設(shè)備才能實現(xiàn)，未選擇分區(qū)時默認展示井房控制的動漫示意圖。

終端設(shè)備手動控制區(qū)是指通過點擊“開啟”或“關(guān)閉”按鈕，進行相應(yīng)操作，分為井房開關(guān)和田間控制箱開關(guān)。其中，田間控制箱的開關(guān)需要在選擇分區(qū)序號后才能進行。

數(shù)據(jù)展示區(qū)包括井房數(shù)據(jù)及狀態(tài)、氣象站數(shù)據(jù)及狀態(tài)、田間控制箱數(shù)據(jù)及狀態(tài)。切換編號分區(qū)時，井房和氣象站的數(shù)據(jù)、狀態(tài)都不會切換，而田間控制箱的數(shù)據(jù)及狀態(tài)會隨著切換編號分區(qū)而切換。

圖4 系統(tǒng)平臺首頁Fig.4 Homepage of system platform

2.2 智能灌溉

智能灌溉由限時澆水、定時澆水和限時自動澆水3部分組成，如圖5所示。用戶可根據(jù)實際需要，選擇其中的一種實現(xiàn)智能灌溉。

圖5 智能灌溉Fig.5 Intelligent irrigation

限時灌溉可任意設(shè)置澆水的開始時間及歷時時間。例如，設(shè)置每周周三14:20開始澆水，歷時20min，那么主水泵就會在周三14:20時開始澆水，澆水20min后，于當天14:40關(guān)閉閥門，停止?jié)菜?/p>

定時澆水可自由選擇澆水的時間段。例如，選擇周一的5:00-5:10及14:10-14:40澆水，那么主水泵會在每周周一的這兩個時間段進行澆水。

限時自動澆水可設(shè)置澆水時間、水分上限、水分下限等參數(shù)。例如，設(shè)置周一5:00-6:00澆水，土壤水分含量下限值60%，土壤水分含量上限值70%，那么設(shè)備會按照設(shè)置的要求進行限時自動澆水，持續(xù)澆水使其土壤水分含量高于下限值；若澆水過程中土壤水分含量接近或超過上限值，水泵會立即停止灌溉。

2.3 歷史數(shù)據(jù)

歷史數(shù)據(jù)(見圖6)能夠進行數(shù)據(jù)的查詢及導(dǎo)出等操作。用戶也可同時按時間范圍與地點分區(qū)進行查詢及檢索某一分區(qū)某一時間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖6 歷史數(shù)據(jù)Fig.6 Historical data

1)按時間范圍查詢。在時間上選擇查詢的“開始時間”與“結(jié)束時間”，然后點擊“查詢”選項，就能夠自動從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中檢索出該段時間范圍內(nèi)的所有澆水記錄或氣象數(shù)據(jù)。

2)按地點分區(qū)查詢。在地點上選擇查詢的“分區(qū)編號”，然后選擇“查詢”選項，就能夠自動從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中檢索到該區(qū)澆水的所有歷史數(shù)據(jù)。若果園存在多臺氣象站，用戶也可選擇查詢的“設(shè)備編號”或全部，然后選擇“查詢”選項，就能夠自動從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中檢索到該設(shè)備采集到的所有歷史數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的形式有EXCLE表格和折線圖兩種，并可在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)后導(dǎo)出數(shù)據(jù)。EXCLE表格呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)更加清晰、直觀，便于進行要素之間的對比觀察；折線圖呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)更加形象生動，能夠反映出變化曲線。數(shù)據(jù)可以EXCLE表格的形式導(dǎo)出，另存至本地，報表下方的折線圖或柱狀圖可以被導(dǎo)出到本地，以圖片的形式存儲下來。

2.4 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)由評分建議與數(shù)據(jù)指導(dǎo)兩個界面組成，如圖7所示。

圖7 專家系統(tǒng)Fig.7 Expert system

評分建議是依據(jù)果樹種植專家的建議而形成的作物月份指標數(shù)據(jù)庫。用戶登錄系統(tǒng)平臺可查看各個月份或者每天的土壤濕度、土壤溫度、EC值和pH值等建議值；專家建議位于左下方，種植專家登錄相應(yīng)的賬號可進行編輯；系統(tǒng)會根據(jù)實際情況對建議值進行科學評分。通過這種形式來指導(dǎo)用戶科學種植，進而使得果樹處于相對科學的生長狀態(tài)，確保蘋果的質(zhì)量，提高蘋果的產(chǎn)量。

數(shù)據(jù)指導(dǎo)由當前氣象參數(shù)、天氣預(yù)報、建議灌溉值變化趨勢圖、澆水評價列表等組成。氣象參數(shù)展示當前10min內(nèi)的風速、風向、大氣溫度、大氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照、大氣壓力等參數(shù)值；天氣預(yù)報的數(shù)據(jù)來源于中央氣象臺的氣象預(yù)測，反映前4天、當天、未來4天的天氣狀況；建議灌溉值變化趨勢圖是一種反映最近幾天蘋果需水值、地下水值、建議灌溉值的折線圖；澆水評價列表是依據(jù)澆水量的實際值，結(jié)合蘋果的需水值，對過去5天的澆水質(zhì)量做出一種科學性的評價。

2.5 系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)置由施肥模式與用戶管理兩部分組成，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)設(shè)置Fig.8 System settings

施肥模式是指對施肥的一些細節(jié)進行設(shè)置。例如，開啟吸肥泵前，應(yīng)沖水(開啟水泵)Xmin；關(guān)閉吸肥泵后，繼續(xù)沖水(開啟水泵)Ymin。通過該模式的設(shè)置，既能夠避免初始施肥階段的水溶肥濃度較高損害果樹的正常生長，又能夠減少管道中滯留的少量水溶肥，避免損壞管道或影響下次作業(yè)。

用戶管理是指對于管理用戶及瀏覽用戶進行增加、修改、刪除等操作，管理用戶只有一個，瀏覽用戶可以有多個；管理用戶功能較為全面，瀏覽用戶僅能查詢與導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

3 水肥一體化自動控制系統(tǒng)應(yīng)用成效

水肥一體化自動控制系統(tǒng)應(yīng)用在順平果園試驗示范站，通過一段時間的應(yīng)用試驗，在灌溉施肥方面取得以下成效：

1)經(jīng)試驗測算，得到果園中水利用系數(shù)為0.93，高于我國水利用系數(shù)0.9的規(guī)定，節(jié)水成效明顯。

2)肥料選擇水溶肥，調(diào)控方式基于營養(yǎng)液的EC值和pH值。肥料可以快速地滲入土壤，被果樹根系吸收，促進果樹產(chǎn)量提高和產(chǎn)品質(zhì)量的改善；基于營養(yǎng)液EC值和PH值調(diào)控方式操作簡單，易于推廣。

3)灌溉與施肥一起進行，可均勻、準確地輸送到作物根部土壤，減少了水資源的利用與肥料的揮發(fā)、流失和營養(yǎng)過剩。經(jīng)試驗測算，水肥一體化自動控制系統(tǒng)施肥與傳統(tǒng)技術(shù)施肥相比節(jié)肥40%～50%，減少了環(huán)境污染。

4)依托于水肥一體化自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化灌溉施肥，減少了用工量與用工時間，降低了成本。

4 結(jié)論

1)果園灌溉更加智能化。終端設(shè)備能夠按照系統(tǒng)平臺的定時澆水、限時澆水、限時自動澆水等參數(shù)設(shè)置實施自動灌溉，也能夠接收系統(tǒng)平臺下發(fā)的指令，遠程自動開啟或關(guān)閉閥門，實施灌溉或施肥。

2)果園灌溉更加精準化。配備氣象站、徑流傳感器、土溫土濕傳感器等傳感器，能夠及時、準確、全面地把握果園的各類氣象數(shù)據(jù)，便于實施精準的灌溉和施肥。

3)層級嚴密，權(quán)限分明。用戶賬號分為管理用戶和瀏覽用戶：管理用戶能夠進行較為高級的參數(shù)設(shè)置、遠程開關(guān)及專家指導(dǎo)等操作；瀏覽用戶僅可進行較為初級的瀏覽、查詢和導(dǎo)出數(shù)據(jù)的操作。