藍莓溫室智能水肥一體化系統構建*

卞東超，楊發展，趙國棟，鄭凱瑞，林海波

(青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島，266520)

0 引言

我國是一個水資源極度短缺的國家，同時在時空分布方面也不盡合理[1]。此外，我國的水資源利用方式非常不科學，特別是農業領域，突出表現為用水量大、用水缺口大、浪費嚴重，且呈現逐年增加的趨勢等特點[2-3]。同時，目前我國農業用水的有效利用率不到40%，有效利用率僅為發達國家的一半，亟需更合理更有效的農業用水方式。同時，我國又是世界肥料生產和使用大國，化肥的使用量居全球第一，但化肥的有效利用率僅有30%左右，造成化肥的巨大浪費，還污染了環境[4-5]。水肥一體化技術統籌灌溉和施肥過程，是當今世界目前公認的一項節水節肥、增產降污、綠色環保的技術[6-7]，這一技術不僅極大地提高了水肥的利用率，大大降低了水肥的施用量，還大幅提高了農產品產量和質量，減少了病蟲害的發生，減少了農藥的施用，在降低生產成本的同時降低了農業生產污染[8-9]。

國外水肥一體化技術發展得較早，20世紀上半葉，部分發達國家開始進行以噴灌為代表的水肥一體化技術的研究，經過30多年的發展，隨著塑料工業的興起，水肥一體化技術逐漸發展起來[10-11]。20世紀70年代，部分發達國家加大了研發力度，開發了大量的水肥一體化設備，并開始大規模投入到農業生產之中，水肥一體化技術迅速發展[10-11]。進入21世紀，隨著物聯網、傳感器、智能控制等技術的普及與發展，發達國家的灌溉施肥設備也逐漸進入智能化時代，灌溉施肥設備的自動化程度、水肥供應能力、灌溉施肥量精準度都得到了質的飛躍[12-13]。我國水肥一體化技術起步較晚，但發展迅速，目前，我國已自主研發了大量的水肥一體化設備及元器件，并逐漸朝智能化方向發展，但是我國的智能化水肥一體化設備多是與高?；蛘呖蒲袉挝缓献?，目前多處于試驗階段，實際應用較少[13-14]，尤其是在藍莓溫室大棚內部，目前該領域的研究較為落后。

針對藍莓溫室大棚內缺乏對藍莓生長發育狀況與溫室內環境的采集分析，灌溉施肥量憑人工經驗，缺少科學的灌溉施肥策略以及精準穩定的灌溉施肥系統設備等問題，設計開發了藍莓溫室智能水肥一體化系統。

1 基于藍莓溫室的智能水肥一體化系統框架

1.1 系統總體架構

為保證藍莓生長能按需灌溉施肥并有適宜的生長環境，開發的智能水肥一體化系統能夠借助傳感器技術、自動控制技術、物聯網技術等獲取作物的生長環境及生長發育狀況信息，并根據藍莓生長的不同階段對其進行數據的分析以及數據的提取和解析算法，根據實時狀況，實現自動灌溉施肥操作或遠程手動灌溉施肥操作。該系統能夠全面監測藍莓作物生長發育信息(如株高、葉片大小、稈徑長度)與生長環境信息(如土壤墑情、氣溫、二氧化碳含量等)，根據藍莓作物的生長發育模型對作物生長或環境異常問題自動進行判斷，并快速準確啟動灌溉施肥系統以及其他環境調節設備，解決出現的缺水缺肥、病蟲害、生長環境問題，快速準確地滿足作物的生長需求，實現信息化、數字化的動態精準管理。藍莓溫室智能水肥一體化系統架構設計如圖1所示。

圖1 智能水肥一體化系統框架Fig. 1 Framework of intelligent water and fertilizer integration system

1.2 基于藍莓溫室的智能水肥一體化系統組成

設計的面向藍莓溫室的智能水肥一體化系統包括環境信息采集系統、智能服務平臺、灌溉施肥系統以及其他環境調節設備，如圖2所示。

圖2 智能水肥一體化系統組成Fig. 2 Composition of intelligent water fertilizer integration system

1.2.1 環境信息采集系統

藍莓溫室環境信息采集系統是藍莓精準灌溉施肥的基礎，藍莓溫室環境信息采集系統由傳感器件與信號傳輸網絡組成，通過傳感器對藍莓生長發育信息(如株高、葉片大小、稈徑長度等)與生長環境信息(如土壤墑情、氣溫、二氧化碳含量等)全面監測，獲得的數據信息經過Zigbee信號傳輸網絡傳輸到藍莓智能水肥一體化服務平臺。

1.2.2 智能服務平臺

藍莓智能水肥一體化服務平臺是整個系統的核心，藍莓智能水肥一體化服務平臺對Zigbee信號傳輸網絡傳輸的藍莓生長發育信息與生長環境信息數據，根據藍莓生長的不同階段對其進行數據的分析以及數據的提取和解析算法，做出灌溉施肥決策，并給藍莓灌溉施肥系統與其他環境調節設備下達指令。

1.2.3 灌溉施肥系統

藍莓灌溉施肥系統可分為灌溉系統和施肥系統，灌溉系統用于藍莓灌溉，由灌溉水泵、過濾裝置、流量計、灌溉管路、滴灌管、微噴頭以及電磁閥等構成；施肥系統用于精準配肥混肥并將肥液注入灌溉管路，由混肥罐、混肥泵、注肥泵、電磁閥、施肥管路以及液位高度傳感器、EC和pH傳感器等元器件組成[15-16]。

1.2.4 環境調節設備

藍莓溫室除灌溉施肥設備外，還要配備其他調節藍莓溫室環境參數的設備，如卷簾機、CO2發生器、排風系統、植保噴藥機等設備。

2 藍莓溫室智能水肥一體化系統構建

2.1 藍莓溫室環境信息采集系統

藍莓溫室環境信息采集系統(圖3)需要采集藍莓溫室內影響藍莓生長發育的環境信息以及藍莓的生長發育狀況，藍莓溫室需要監測的參數包括空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤濕度、土壤EC值和pH值。藍莓生長各時期最佳溫度變化較大，在5 ℃～35 ℃ 之間[17]，溫室的濕度變化范圍在25%RH～90%RH之間[18]，為保證測量準確，選用RS-WS型空氣溫濕度傳感器，安裝在藍莓溫室中下部；作物最佳二氧化碳濃度范圍在900～1 800 mg/L[19-20],選用RS-CO2型二氧化碳傳感器，安裝在藍莓溫室中下部；監測光照強度選用RS-GZ-NO1-2型光照強度傳感器，安裝在藍莓溫室頂部。

圖3 藍莓溫室環境信息采集系統Fig. 3 Blueberry greenhouse environment information collection system1.土壤pH值傳感器 2.土壤濕度/EC值傳感器 3.攝像頭 4.光照強度感應器 5.信號發射器 6.CO2濃度感應器 7.空氣溫濕度感應器 8.氣象站 9.配電箱

藍莓溫室中藍莓生長發育土壤體積含水量在15%～25%為適宜，最佳土壤體積含水量為18%～20%[21]，藍莓生長最適宜土壤pH為4.0～5.0[22-23]，土壤過酸或過堿都會影響藍莓生長，選用PR-3000-ECH-1型土壤濕度/EC值一體傳感器和PR-3000-TR-PH-1型土壤pH值傳感器，傳感器插入藍莓根部附近土壤中，在溫室內安裝攝像頭，實時監測藍莓生長狀況。傳感器參數如表1所示。

表1 環境信息采集系統傳感器參數Tab. 1 Sensor parameters of environmental information acquisition system

環境信息采集系統選用的傳感器均為輸出標準電信號的變送器，輸出信號為4～20 mA的電流信號，傳感器配有數據采集主機，傳感器連接線直接連接到數據采集主機串口，數據采集主機內設有電源模塊、主控模塊、Zigbee無線通信模塊、數據處理模塊，數據傳輸到數據采集主機，主控模塊和數據處理模塊初步處理，由Zigbee無線通信模塊傳輸到服務器，并在顯示屏上顯示，服務器通過RS485傳輸線連接到S7-200 Smart PLC的接口進行傳輸控制。設計過程如圖4所示。

圖4 藍莓溫室環境信息采集系統設計過程圖Fig. 4 design process of blueberry greenhouse environmental information acquisition system

2.2 藍莓溫室智能水肥一體化服務平臺

智能水肥一體化服務平臺(圖5)是藍莓溫室智能水肥一體化系統的核心，智能水肥一體化服務平臺需要對信號傳輸網絡傳輸的數據進行處理、存儲、分析，并根據藍莓生長模型做出決策，下達指令，本系統選擇S7-200 Smart PLC作為控制中心，S7-200 Smart PLC采用模塊化設計，通過擴展模塊和數模轉換模塊能夠完成眾多傳感器數據的接收與處理，進而建立實時數據庫，使用SIMATIC HMI SMART 700 IE V3觸摸屏作為顯示屏，SIMATIC HMI SMART 700 IE V3觸摸屏輸出MODBUS信號，支持遠程通信，抗干擾能力強，使用RS485傳輸線與S7-200 Smart PLC連接，顯示服務平臺接受的各個傳感器數據。

圖5 智能水肥一體化服務平臺Fig. 5 Intelligent water fertilizer integrated service platform

藍莓在花芽、開花、結果、采收等不同生長發育時期需要針對性給予水分和各種營養物質，水分及各種營養元素的施用量與施用比例需要進行動態調整，使各種營養元素的配比協調，從而滿足藍莓正常的生長發育需求。本文以黃島區藍莓種植基地藍莓為例，根據藍莓年周期內生長發育特點與水肥需求規律，劃分了藍莓灌溉施肥時期，并通過咨詢種植專家以及對土壤養分含量、肥料利用率、肥料養分含量、藍莓產量等進行綜合分析，對不同時期的灌溉施肥量以及肥料配比進行了合理規劃，建成了藍莓灌溉施肥決策模型，并把藍莓灌溉施肥決策模型寫入S7-200 Smart PLC，作為決策依據，實現水肥精量控制。藍莓灌溉施肥決策模型規則如表2所示。

表2 藍莓灌溉施肥決策模型規則表Tab. 2 Rules of blueberry irrigation and fertilization decision model

藍莓溫室內各種環境參數相互影響以及系統穩定性的影響，智能水肥一體化服務平臺很難一次決策就能達到最佳的環境參數，需要多次決策，所以服務平臺的控制算法采用PID控制，PID控制結構簡單，靈活性高，控制性能較強，應用非常廣泛。本系統利用自編程將PID控制寫入S7-200 Smart PLC，環境數據信息傳輸到PLC后，PLC經過處理分析與PID運算后下達控制指令。以土壤濕度調節為例，灌溉水經過灌溉系統進入藍莓灌溉區后，土壤濕度傳感器監測土壤濕度，并將濕度數據傳輸給藍莓溫室智能水肥一體化系統服務平臺，經PLC分析處理后，再進行PID運算，根據運算結果控制各閥門的開合角度來控制不同支路流量，循環此過程，直至PLC分析結果顯示達到濕度要求，PLC下達停止灌溉指令，灌溉停止，完成土壤濕度調節。

2.3 藍莓灌溉施肥系統

藍莓灌溉施肥系統也分為藍莓灌溉系統和藍莓施肥系統，如圖6所示。藍莓灌溉系統由灌溉水泵、過濾裝置、灌溉管路以及流量計、壓力表、電磁閥等組成。灌溉水依次經過濾器、灌溉水泵、流量計、壓力表、電磁閥、支管、毛管進入藍莓溫室，滴灌管連接在毛管上，每一行藍莓兩側均有一排滴灌管，以保證灌溉的效率和均勻性。本系統灌溉主管路使用50 mm PVC管，灌溉水泵一端與管路連接，一端經過濾器與水源連接，過濾器使用砂石過濾器與120目碟片式過濾器，采用反沖洗過濾系統，在灌溉管路上安裝流量計、壓力表與電磁閥，本系統選用DN50智能渦街流量計、2W-500-50電磁閥，支管采用25 mm PVC管，選用2W-250-25電磁閥。

圖6 灌溉施肥系統Fig. 6 Irrigation and fertilization system

藍莓施肥系統由施肥泵、儲液罐、過濾器、電磁閥、施肥管路以及液位高度傳感器、EC和pH傳感器等元器件組成。肥液依次經過儲液桶、電磁閥、過濾器、施肥泵、壓力表、電磁閥注入灌溉管路，并通過EC和pH傳感器檢測水肥混合液的EC值和pH值，施肥管路采用25 mm PVC管，電磁閥均采用2W-250-25電磁閥，過濾器采用80目碟片式過濾器，水肥混合液EC值的正常范圍在0.4～4 ms/cm之間，pH值的正常范圍在5～7之間[24]，本系統選用RMD-ISEC2型EC值傳感器和SIN-PH-160-PH型pH傳感器，儲液桶高度1 m，選用QDY30B直桿式液位計，安裝在儲液桶中，傳感器參數如表3所示。

表3 灌溉施肥系統傳感器參數Tab. 3 Sensor parameters of irrigation and fertilization system

2.4 藍莓溫室環境調節設備

藍莓溫室智能水肥一體化系統的環境調節設備有卷簾機、CO2發生器、排風器、植保噴藥機等設備。卷簾機安裝在溫室外部，用于溫室溫度調節，CO2發生器用于溫室二氧化碳濃度調節，視溫室大小及發生器數量均勻分布，風機用于溫室溫度與二氧化碳濃度調節，安裝在溫室兩側位置，植保噴藥機不僅可以噴灑農藥，還可調節溫室濕度，安裝在藍莓植株上部，水肥一體化服務平臺通過電動開關、數據傳輸線等連接控制卷簾機、CO2發生器、風機、植保噴藥機等設備。

2.5 藍莓溫室智能水肥一體化系統運作方式

藍莓溫室智能水肥一體化系統中的環境信息采集系統處于常開狀態，監測溫室內空氣溫濕度、CO2濃度、光照強度、土壤濕度、土壤pH與EC值，數據傳輸到服務中心處理后與設定數據進行對比，當溫度過高時服務中心發出開啟風機指令，風機開啟降低溫度，傳感器監測溫度調節到適宜溫度后，服務中心發出關閉風機指令，溫度過低時服務中心發出開啟卷簾機指令，對溫室進行保溫，溫度調節優先度高于濕度、CO2濃度和光照的調節；當空氣濕度過高時服務中心發出開啟風機指令，風機開啟降低空氣濕度，當空氣濕度過低時服務中心發出開啟植保噴藥機指令，噴灑水霧提高空氣濕度，濕度調節優先度高于CO2濃度調節；當CO2濃度過高時服務中心發出開啟風機指令，風機開啟降低CO2濃度，當CO2濃度過低時服務中心發出開啟CO2發生器指令，CO2發生器運行提高CO2濃度。

為提高灌溉施肥的精準度，灌溉施肥均采用少量多次的方法，當傳感器顯示土壤濕度過低，土壤含水量過少時，服務中心發出信號，打開灌溉系統各級電磁閥，同時灌溉系統流量計和壓力表開始監測流量和水壓，之后控制中心發出信號開啟灌溉水泵，開始進行灌溉，當傳感器顯示土壤濕度達到設定數值時，控制中心發出信號關閉灌溉水泵和電磁閥，停止本次灌溉；當傳感器顯示土壤pH和EC值過低時，進行灌溉施肥操作，服務中心發出信號，打開灌溉施肥系統各級電磁閥，同時灌溉施肥系統流量計和壓力表開始監測流量和水壓，EC傳感器和pH傳感器監測水肥混合液的EC和pH值，液位計監測儲液桶水位，儲液桶中是提前按比例配置的肥料，之后控制中心發出信號開啟灌溉水泵和施肥泵，開始進行灌溉施肥操作，當施肥完成后，控制中心發出信號關閉施肥泵，停止施肥操作，繼續灌溉5 min，對系統進行清洗，之后控制中心發出信號關閉灌溉水泵和各級電磁閥，完成灌溉施肥操作。

3 藍莓溫室智能水肥一體化系統試驗研究與推廣應用

3.1 節水節肥增產試驗

本文采用智能水肥一體化系統灌溉施肥與傳統灌溉施肥方式對藍莓溫室的灌溉量、施肥量、藍莓產量進行對比試驗。

選擇地理位置相近、規模相同、藍莓植株數目相近的4個藍莓溫室，分別編號溫室1、溫室2、溫室3、溫室4。溫室1和溫室2利用藍莓溫室智能水肥一體化系統進行灌溉施肥，溫室3和溫室4采用傳統的灌溉施肥方式。

藍莓從花芽前到休眠期為一個完整的生產周期，對一個生產周期內4個溫室消耗的灌溉量、施肥量和產量進行監測記錄，溫室1和溫室2利用傳感器監測藍莓溫室土壤含水率和土壤EC值，到達每個時期設定的含水率和EC值后停止灌溉和施肥操作，分別記錄溫室1和溫室2一個生產周期的總灌溉量、總施肥量；溫室3和溫室4利用人工經驗控制灌溉施肥，分別記錄溫室3和溫室4一個生產周期的總灌溉量、總施肥量；成熟期采摘完后分別記錄溫室1、溫室2、溫室3、溫室4的藍莓產量，結果如表4所示。

表4 藍莓生產試驗數據Tab. 4 Blueberry production test data

從表4可以看出，一個生產周期內溫室1、溫室2、溫室3、溫室4分別消耗水量為442 m3、437 m3、746 m3、719 m3，采用藍莓溫室智能水肥一體化系統進行灌溉的溫室1和溫室2，相比利用人工經驗控制灌溉的溫室3灌溉量節約40.75%和41.42%，相比溫室4灌溉量節約38.53%和39.22%。考慮到傳感器的精度與穩定性、人工經驗的誤差性以及取樣的多寡與偶然性，利用藍莓溫室智能水肥一體化系統進行灌溉大約可節水35%～45%。

一個生產周期內溫室1、溫室2、溫室3、溫室4分別消耗肥料11.8 kg、12.2 kg、16.7 kg、17.5 kg，采用藍莓溫室智能水肥一體化系統進行施肥的溫室1和溫室2，相比利用人工經驗控制施肥的溫室3施肥量節約29.34%和26.95%，相比溫室4施肥量節約32.57%和30.29%。考慮到傳感器的精度與穩定性、人工經驗的誤差性以及取樣的多寡與偶然性，利用藍莓溫室智能水肥一體化系統進行施肥大約可節肥25%～35%。

一個生產周期內溫室1、溫室2、溫室3、溫室4的藍莓產量分別為788 kg、774 kg、695 kg、683 kg，采用藍莓溫室智能水肥一體化系統進行灌溉施肥的溫室1和溫室2，相比利用人工經驗控制灌溉施肥的溫室3藍莓增產13.38%和11.37%，相比溫室4藍莓增產14.87%和12.83%?？紤]到人工采摘的誤差以及取樣的多寡與偶然性，利用藍莓溫室智能水肥一體化系統進行灌溉施肥大約可提高藍莓產量10%～15%。

3.2 推廣應用

目前藍莓溫室智能水肥一體化系統已成功應用于青島西海岸新區藍莓產業基地，經過多個藍莓溫室的長時間使用顯示，智能水肥一體化系統運行穩定，響應速度快，實現了藍莓生長發育與灌溉施肥的精準智能化控制，不僅如此，傳統灌溉施肥方式平均每人可管理1～2個藍莓溫室，采用智能水肥一體化系統灌溉施肥平均每人可管理5～6個藍莓溫室，節約勞動力60%以上，而且藍莓溫室智能水肥一體化系統灌溉施肥管理更加簡潔方便，勞動強度大大降低。

4 結論

1) 針對藍莓溫室種植中存在的管理粗放、水肥資源浪費等問題，構建了藍莓溫室智能水肥一體化系統，其中包括藍莓溫室環境信息采集系統、智能化服務平臺、藍莓灌溉施肥系統以及其他環境調節設備4部分，并對水肥一體化系統控制策略進行了設計。

2) 藍莓溫室環境信息采集系統通過傳感器可實時監測藍莓溫室環境信息，并將數據傳輸到智能服務平臺，智能服務平臺自動調節模糊PID控制算法，調節藍莓灌溉施肥系統以及環境調節設備，實現了灌溉、施肥、溫室參數調節等的精準智能化調控。

3) 以溫室藍莓現有的種植模式為基礎，對藍莓溫室智能水肥一體化系統的節水性能、節肥性能、增產性能進行了對比試驗，經檢驗系統用于溫室藍莓種植約節水35%～45%，節肥25%～35%，藍莓增產10%～15%，節約60%以上勞動力，同時降低了農業污染，可推動我國現代農業的可持續發展。