南疆日光溫室輕簡型水肥一體化系統設計與實現

陳毅飛，楊會民，喻 晨，王學農，馬 艷

（1.新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆烏魯木齊830091；2.農業農村部林果棉裝備科學觀測實驗站；3.新疆設施農業智能化管控技術重點實驗室）

0 引言

新疆水資源缺乏，據統計2019年全疆用水量農業領域為511.4億m3，已超過全疆總用水量的87%[1-2]，顯著超出了2012年《新疆可持續發展中有關水資源的戰略研究》中提到的灌溉用水400億m3[3]，由此可見，新疆水資源使用量嚴重超支，必須加以節制。同時，新疆為響應國家“雙減”政策不斷深入開展化肥農藥減量增效工作。現代水肥管控技術能有效將肥料管控與灌溉節水相結合[4]，針對南疆設施農業灌溉施肥現狀，發展水肥精準管控技術是促進節水節肥、優化生態環境的可靠途徑[5]。

當前，設施農業中智能連棟溫室使用的水肥一體化設備大多從國外進口，例如以色列Galcon公司的Fertimix水肥一體機和丹麥Senmatic公司的AMI Penta水肥一體機等[6]，該設備的優點是能有效對水肥溶液進行Ec（電導率）及pH值精準調節，但需專業維護團隊定期維護，且價格高昂，使用場景一般為大型連棟溫室和智能玻璃溫室。南疆日光溫室目前主要采用壓差罐進行水肥一體化施用，優點是價格便宜、操作簡單、易維修，但無法調控水肥比例及集群式智能管控。

結合南疆實際情況，設計了一種適用于南疆日光溫室的基于物聯網的具有精準水肥調控功能的輕簡型水肥一體系統。首先，該水肥一體化系統采用特制的大流量文丘里吸肥裝置，其次利用隔膜式肥量調節閥根據水肥比例要求及施肥時間調節注肥速率，系統可通過對水肥機水路配置的控制實現肥料自動攪拌。此外，加入物聯網水肥控制系統，用戶可通過手機APP對多個水肥一體系統進行集群式操作。因此，該水肥一體化系統具有水肥比例調節精準可控、使用便捷、吸肥量大、成本低廉、多功能融合、結構簡單、可集群式作業、易于推廣普及等優點，水肥利用率也能得到一定比例的提升。

1 系統總體設計

本文針對南疆日光溫室水肥管理過程中的實際需求設計了一款具有大流量、水肥比例可調、自動混肥及可遠程集群式作業的輕簡型水肥一體化系統，主要設計思路如下：

（1）大流量吸肥通道。本系統采用大流量文丘里射流器，該射流器具有防堵、防倒吸、易安裝、高吸肥量功能，以解決水肥一體化系統中肥料溶解不充分、水流倒灌、吸肥量不足等問題。

（2）水肥比例可調控。日光溫室原有施肥裝置大多為壓差式施肥罐，該施肥罐會造成施肥時注肥不均勻的問題。本系統將按照清水灌溉、水肥混合施肥、管道清水沖洗的步驟進行操作。首先清水灌溉時灌溉泵使管道充盈后持壓確保灌水均勻、避免直接施肥導致高濃度肥料燒苗；其次系統可線性調節水肥比例，水肥濃度波動較小、注肥時間可精準掌控；最后為清洗模式，利用清水將肥桶中剩余肥液注入主管道，防止肥液殘留在肥桶中發酵滋生細菌，防止化肥殘余溶液滯留[6]。

（3）為便于操作，設置手動、定時和遠距離操作3種模式以滿足不同的應用場景。用戶可現場手動操作水肥一體化設備，也可用定時模式，例如夜晚需要施肥、灌溉時可在白天提前將肥料備好后利用定時模式在夜間進行施肥、灌溉等操作。

本文所設計的輕簡水肥一體化系統分為水肥一體化管控云平臺、水肥一體化控制網絡和水肥管控終端3部分，如圖1。水肥一體化管控云平臺主要負責水肥一體化控制網絡的數據上傳下達及存儲。控制網絡負責實時采集灌溉泵、施肥泵等設備的工作狀態，并反饋給云平臺，用戶可通過云平臺進行主水啟停功能、肥料攪拌功能、注肥比例調節、清洗功能、分區閥門控制等集群式操作。用戶可使用微信小程序進行設備參數查詢、錄入、統計曲線查詢等操作。在日光溫室施肥灌溉過程中，用戶根據實際生長情況確定灌溉持續時間、施肥持續時間，利用水肥一體化系統進行灌溉、注肥、管道清洗等操作。

圖1 輕簡型水肥一體化系統示意

2 系統設計與實現

2.1 輕簡型水肥一體機的結構設計與工作原理

輕簡式水肥一體機管路結構主要由4部分組成：混肥系統、注肥系統、灌溉系統和支撐機構，其中混肥系統包括肥料桶、混肥閥門、過濾器。注肥系統包括大流量文丘里射流器、網式過濾器、隔膜式肥量調節閥、轉子流量計、施肥泵。灌溉系統包括主水泵、支路電磁閥/電動閥和壓力計、疊片過濾器[5]。灌溉施肥機的結構原理如圖2，樣機如圖3。

圖2 灌溉施肥機結構原理

圖3 輕簡型水肥一體機樣機

2.2 輕簡型水肥一體機的控制系統

輕簡型水肥一體機電路控制如圖4，該設備主控器采用基于STM32集成度較高的物聯網控制器，物聯網控制器對輸入的控制信息進行數據分析，該設備狀態數據經自定義Socket通信協議轉發給水肥管控云平臺，云平臺通過TCP/IP協議實時偵聽并對集群式物聯網控制器的設備進行上線識別與在線監測。用戶通過手機APP、微信小程序、WEB網頁都可對單個或多個物聯網控制器發送控制指令。最后控制信號經自定義Socket通信協議轉發給物聯網控制器，物聯網控制器根據協議進行控制信號解析，相應地驅動支路電磁閥/電動閥、灌溉電機、注肥電機等。

圖4 輕簡型水肥一體機電路控制系統

3 水肥一體機軟件平臺設計

水肥管控云平臺通過自定義Socket通信協議連接基于STM32的物聯網控制器，實時顯示與存儲水肥管控數據，手機APP的展示界面如圖5。使用水肥一體化管控平臺，可綁定多個水肥一體機，設置水肥一體機的工作模式、查詢設備工作狀態和數據歷史曲線等。水肥一體機通過手機APP設置其控制模式，如遠程點動控制、定時控制。遠程點動控制模式下，用戶在溫室勞作過程中可通過手機控制主水泵與灌溉分區閥開啟進行灌溉操作，需要施肥時可遠程啟動施肥泵進行水肥一體化作業，灌溉量、灌溉時間、施肥量、施肥時間由用戶遠程點動控制；定時控制模式下，灌溉作業時用戶可設定單個或多個溫室主水泵開啟及持續時間，同時設定單個或多個輪灌組進行分區灌溉，水肥一體化作業時可提前設定注肥泵開啟及持續時間，該設備就會按時按比例完成注肥任務。灌溉及水肥一體化定時控制可脫機操作，控制參數設置完成后即使斷網情況下，水肥一體機也會執行相關定時灌溉、施肥程序。

圖5 手機APP展示界面

4 結語

（1）利用物聯網控制器實現了水肥一體機遠程控制，使日光溫室內的水肥一體化施用做到了單體控制和集群式管理，提高了日光溫室的灌溉、施肥一體化管控水平。

（2）設計的水肥一體機解決了日光溫室水肥比例不可控的問題，實現了水肥比例穩定可控，同時對硬件結構與控制系統進行了輕簡化設計，具有體積小、重量輕、肥桶與管路一體化設計、成本較低、使用便捷等特點。

（3）設計的水肥一體機貼近南疆日光溫室農戶使用習慣，具備吸肥量大、肥料自動化攪拌、易操作、易維修等特點，具有較好的應用及推廣前景。

（4）由于隔膜式肥量調節閥需要用戶根據實際作物生長周期進行手動調節，施肥過程中無法通過物聯網控制器進行在線調節，故該注肥比例遠程調控功能應繼續開發。