多功能水肥一體化定額灌溉施肥機的研制

摘要：多功能水肥一體化定額灌溉機是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)節(jié)水灌溉、施肥、施藥等生長管理過程的專用一體化設(shè)備，具有水肥一體化的灌溉施肥施藥等多種功能。根據(jù)土壤墑情和作物生長不同階段的水肥需求，對作物定額灌溉和施肥，減少水分和肥料的使用過多浪費或過少影響作物生長的問題，可極大提高節(jié)水施肥灌溉效率。產(chǎn)品采用模塊化組裝，用戶可根據(jù)需要自行更換肥料輸入裝置和供水水泵，或者是用戶可使用已有的水泵，系統(tǒng)可根據(jù)用戶的水泵流量自動調(diào)整肥液濃度。具有較好的通用性。

關(guān)鍵詞：水肥一體化定額灌溉土壤墑情監(jiān)測

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.19.088

0前言

我國的水資源嚴(yán)重短缺，水資源的缺乏對我國農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展造成了極大的影響。在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉用水的有效利用水平很低，特別是灌溉節(jié)水效果比較好的噴灌和滴灌等節(jié)水灌溉方式使用的面積占總灌溉面積的比例較小，絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營者還是習(xí)慣性地使用地面漫灌。推進(jìn)微滴灌等節(jié)水灌溉模式的使用，特別大力發(fā)展水肥一體化的灌溉施肥技術(shù)，可以有效地減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的水資源的浪費，減少肥料使用，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效，減少化肥等肥料對土壤等的污染，整體提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力有極大的促進(jìn)作用。提高灌溉用水施肥的效用，如何減少由于土壤缺乏養(yǎng)分和水、肥提供的不同步性而影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，是發(fā)展我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵問題。滴灌施肥可最大限度地提升水肥利用率，根據(jù)種植的農(nóng)作物在生長過程中對水肥需求特性，做到有的放矢，既能有效滿足作物生長需要，又不會過量灌溉水分和施肥，實現(xiàn)精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程管理，減少管理人員，最大限度地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，通過多年的應(yīng)用證明，水肥一體化技術(shù)能夠有效改善作物水肥的使用量，能夠改善作物生長的土壤狀況，改善土壤板結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。在作物生長過程中，有效降低設(shè)施大棚內(nèi)的空氣濕度、增加地溫，減少病蟲害的發(fā)生等不利于作物生長的因素。

灌溉施肥技術(shù)是把肥料溶解在水中一起實施的灌溉的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。該技術(shù)通過由施肥罐、灌溉施肥設(shè)備微滴灌管道等組成的灌溉系統(tǒng)，把可溶性固體肥料或液體肥料根據(jù)灌溉需求按照一定比例配兌，直接輸送到作物根系生長所在的土壤里面，使作物根系周圍均勻分布生長所需要的水分和肥料，而在土壤表面很少殘留水分和肥料。

國外的水肥一體化設(shè)備，采用了先進(jìn)的自動化控制技術(shù)、計算機技術(shù)結(jié)合不同作物的生長期水肥需求模型，在水肥一體化灌溉技術(shù)方面起步較早，使用時間較長，通過不斷完善技術(shù)方案，技術(shù)日趨成熟。

國內(nèi)現(xiàn)有水肥一體化灌溉施肥機能基本滿足目前國內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展水平的技術(shù)要求，但與國外較先進(jìn)的技術(shù)相比，總體技術(shù)水平存在一定的差距，生產(chǎn)的產(chǎn)品主要是微滴灌管道、灌水器、過濾器、施肥器和功能比較單一的控制設(shè)備，控制的精度不夠，側(cè)重于硬件設(shè)計制造，但是基于生長模式的軟件設(shè)計較差，產(chǎn)品技術(shù)低端，控制水肥一體化灌溉的自動化程度較落后。產(chǎn)品的適應(yīng)性穩(wěn)定性不高，在使用過程中大多只是數(shù)據(jù)采集，缺乏根據(jù)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)控制灌溉過程，產(chǎn)品不夠穩(wěn)定，使用操作界面復(fù)雜，用戶應(yīng)用的積極性不高，產(chǎn)品不能大面積推廣使用。而實現(xiàn)簡單控制的灌溉施肥設(shè)備為代表的低端產(chǎn)品占據(jù)市場，設(shè)備性能單一，控制方式較落后，控制參數(shù)較少，數(shù)據(jù)采集參數(shù)少并且不夠準(zhǔn)確，灌溉施肥過程中精度低等問題，以上問題的普遍存在給智能化設(shè)備的發(fā)展帶來了不利因素。現(xiàn)在已建成投入使用的智能化灌溉施肥項目中，能在實際生產(chǎn)過程中使用智能化設(shè)備進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的企業(yè)或者種植戶很少，原因之一是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營者的傳統(tǒng)觀念，認(rèn)為以前的種植方式就可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，沒必要花費一定的資金進(jìn)行現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)改造，原因之二是國外現(xiàn)代化的設(shè)備成本太高，并且在使用過程中出現(xiàn)問題時售后的服務(wù)不及時，影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，很難在國內(nèi)大面積推廣使用。

本文討論的多功能水肥一體化定額灌溉機是能實現(xiàn)灌溉施肥施藥多種功能，設(shè)置多種灌溉施肥程序模式的設(shè)備，根據(jù)土壤墑情和作物生長階段的水肥需求進(jìn)行適量灌溉和施肥，避免超量或者欠量灌溉和施肥，有效提高施肥灌溉效率。具有水肥一體化、施藥等多種功能，特別是本系統(tǒng)的適應(yīng)性好，可根據(jù)用戶需求選擇不同的灌溉施肥方式，特別適合面積較大，種植不同作物的情況下，一次性設(shè)置各種灌溉施肥模式，按照不同作物的水肥需求自動灌溉施肥。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由水肥一體化系統(tǒng)由中心控制系統(tǒng)、人機對話界面、傳感器水肥檢測裝置（土壤水分含量傳感器、PH傳感器、EC傳感器、水流量傳感器）、肥料原液罐、主管路、供水系統(tǒng)及灌溉系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)中，不再需要混肥灌，肥料原液與水的混合在灌溉水泵的進(jìn)水管道完成。由于從灌溉水泵的進(jìn)水管道注肥，肥液在水泵葉輪的攪動下，混合非常均勻，如果注入的肥液含有少量沒有完全溶解的細(xì)小顆粒肥料，在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪的作用下，會被攪碎溶解于水中，減少了堵塞滴管滴頭的可能性。肥液均勻性和溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他施肥機的混肥裝置，是本系統(tǒng)特有的特點之一。

通過檢測灌溉溶液營養(yǎng)成分及酸堿度，并通過控制系統(tǒng)PID運算進(jìn)行釋放不同肥料原液參與混合攪拌，達(dá)到農(nóng)作物在本次灌溉時所需要的灌溉肥水濃度，最后通過滴管裝置進(jìn)行定向位置釋放肥水。系統(tǒng)可實現(xiàn)定向于農(nóng)作物根系最多的土壤位置進(jìn)行定時、定量營養(yǎng)液或清水輸灌。系統(tǒng)在灌溉施肥過程中，一般按照灌溉水一段時間后，使土壤含水量達(dá)到一定數(shù)值，然后再施肥，最后再灌溉一段時間的水分，用來清洗管道，這個過程可以最大限度地使根系所在土壤的含水含肥量達(dá)到所需的最大值，能夠把管道里面的剩余肥料清洗干凈，避免由于管道含有肥料使微生物生長，導(dǎo)致下次灌溉時滴頭被堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。

本產(chǎn)品特點：

（1）人機交互功能：通過觸摸屏菜單的設(shè)置參數(shù)，實現(xiàn)灌溉施肥區(qū)域水肥狀態(tài)的監(jiān)測顯示，灌溉水量、施肥量、灌溉時間、施肥時間等參數(shù)的實時數(shù)據(jù)的顯示，用戶設(shè)置灌溉施肥等參數(shù)在觸摸屏直接輸入等功能。

（2）灌溉方式設(shè)置功能：可以根據(jù)灌溉模式設(shè)置兩種灌溉控制的方式，即種植期時鐘方式和定時方式。在本系統(tǒng)中定時方式設(shè)置的定時器有8個，用戶可以給每個灌區(qū)設(shè)置8個定時時間，滿足分時多頻次灌溉需求。

（3）人工干預(yù)灌溉施肥功能：對于一個灌區(qū)，根據(jù)用戶設(shè)置的灌溉策略，根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)計算配肥控制參數(shù)，實現(xiàn)自動灌溉施肥控制。

（4）通過控制繼電器組，實現(xiàn)對電磁閥、灌溉泵的控制。特別是根據(jù)用戶設(shè)置的施肥量，灌溉水的總時間，確定灌溉水的過程和施肥過程。實現(xiàn)灌溉水浸潤土壤、施肥、灌溉水清洗管道的控制過程。

（5）完成肥液ＥC、PH值檢測和管道壓力檢測的功能。管道壓力檢測的作用是在灌溉過程中，如果管道由于斷裂或者其他管道破損的情況，出現(xiàn)管道水壓力突然降低的狀況，系統(tǒng)會自動報警并停止灌溉，最大限度減少水肥浪費。

本項目設(shè)計水肥一體化控制器的核心功能為：用戶可根據(jù)需要輸入控制參數(shù)，選擇自動運行后，系統(tǒng)自動完成灌溉、施肥的過程，同時對灌區(qū)的土壤含水量、灌溉時間、灌溉周期、施肥狀況等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，用戶可以隨時查詢歷史數(shù)據(jù)。

2系統(tǒng)硬件

本系統(tǒng)選擇的控制板具有運算速度高，控制使用的外圍接口數(shù)量多的特點，系統(tǒng)硬件使用硬石YS-F4Pro控制板模塊，該模塊主控芯片采用STM32F407，板載工業(yè)以太網(wǎng)、RS232等接口；具有16路光電隔離輸出，12路光電隔離輸出端口，可根據(jù)需要外拓輸入輸出端口。使用4個端口作為施肥4通道控制信號輸出控制，一路水泵啟停控制信號，一路施肥泵控制信號，10路灌溉控制通道，一路模擬量輸入，一路485數(shù)據(jù)，RS232與組態(tài)屏連接。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計，主要是制訂灌溉計劃實施灌溉過程，控制灌溉設(shè)備和肥液輸入控制。灌溉計劃的制定，要根據(jù)作物種類，生長的階段和生長狀態(tài)，以及土壤狀況和氣候條件，確定什么時間灌溉，每次灌溉多長時間，灌溉多少水量，該階段施肥的具體數(shù)量并結(jié)合灌溉水量控制施肥濃度，避免出現(xiàn)由于肥液濃度過高而損傷作物根系。在軟件設(shè)置施肥參數(shù)時，如果設(shè)置的施肥濃度高于設(shè)定施肥濃度，則會報警提醒用戶修改對應(yīng)的參數(shù)。為了達(dá)到控制需求的精度，需要實時采集土壤含水量、EC等參數(shù)，作為灌溉參數(shù)設(shè)置的依據(jù)。針對不同灌區(qū)，可以分別設(shè)置灌溉時間，灌溉周期。根據(jù)每個灌區(qū)的不xxKZ/Jk1huCFPuMqaS63B55HY2jcKYeF0gQMP1ajlTw=同種植作物的水肥需求，設(shè)置灌溉模式，灌溉模式包含水量控制設(shè)置和施肥配方設(shè)置。

對于一個灌區(qū)，根據(jù)用戶設(shè)置的灌溉策略設(shè)置的配肥控制參數(shù)，實現(xiàn)自動灌溉施肥控制。通過控制繼電器組，實現(xiàn)對電磁閥、灌溉泵的控制，完成肥液ＥC、PH值檢測和管道壓力檢測的功能。在肥料輸入控制，由于本系統(tǒng)設(shè)計中沒有使用混肥灌，肥液濃度控制是通過控制四路肥液輸入電磁閥的開關(guān)頻率，采用的輸肥泵具有恒流輸出特點，四路肥液輸入電磁閥的控制根據(jù)設(shè)置的施肥量和施肥時間，確定開關(guān)頻率，一般最小開關(guān)頻率設(shè)定為每分鐘30次，在整個程序控制中，避免電磁閥開關(guān)頻率太高出現(xiàn)電磁閥不動作或者電流太大而損壞。

3.1便捷的人機交互功能

觸摸屏：采用10.2寸大屏顯示，提供圖片及中文顯示。觸摸屏與控制參數(shù)設(shè)置和控制設(shè)備之間的交互，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、控制設(shè)備等的數(shù)據(jù)顯示以及用戶設(shè)置參數(shù)的輸入等功能。在界面中可直接設(shè)置自動或者手動模式，手動模式是用戶可根據(jù)自己的經(jīng)驗設(shè)置參數(shù)或者控制灌溉時間，自動模式是根據(jù)用戶已設(shè)置好的灌溉參數(shù)，自動進(jìn)行灌溉水量和施肥量的控制。啟停按鈕用于灌溉的控制，用于控制灌溉設(shè)備和注肥泵以及灌溉水泵的啟停，開啟后，用戶可根據(jù)時間灌溉情況決定灌溉的水量和施肥量。界面可直接顯示4個施肥電磁閥和灌溉水的水泵工作狀態(tài)，實時顯示管道水流量、施肥量以及肥液PH值和反應(yīng)混合水肥濃度的電離子數(shù)值等數(shù)據(jù)。在界面右側(cè)是灌溉設(shè)置、配方設(shè)置、自動運行等菜單。

3.2灌溉設(shè)置功能

灌溉設(shè)置主要用于對各種灌溉參數(shù)的配置，在其中選擇配方號，濃度上限值，水分的上下限值，閥開關(guān)延時時間，各閥門的灌溉順序與灌溉時間。灌溉時間以分鐘為單位，其中設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)配置為11路閥門控制，擴展閥門控制單獨進(jìn)行配置，通過下一頁來選擇最多可達(dá)64路的閥門控制。每一個閥門可控制一個灌區(qū)的水肥灌溉。

3.3施肥配方的編輯設(shè)置

共設(shè)置9個灌區(qū)的配方程序，通過右側(cè)的上下按鈕來進(jìn)行翻頁切換。每一個灌區(qū)設(shè)置4個施肥通道，配方設(shè)置主要進(jìn)行配方的設(shè)定，每個通道有通道流量、施肥時間、施肥量3個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其他配方與通道設(shè)置方法相同。

4結(jié)論

本文設(shè)計的多功能水肥一體定額灌溉機，根據(jù)用戶設(shè)置施肥參數(shù)、灌溉時間參數(shù)、灌溉模式等，自動測量管道水流量，根據(jù)用戶設(shè)置參數(shù)和管道水流量計算肥液輸入量，保證在一個灌區(qū)灌溉施肥時間內(nèi)施肥濃度均勻。用戶在使用時，可一次性設(shè)置多個灌區(qū)的施肥量和灌溉水量，設(shè)備自動運行完成所有灌區(qū)的灌溉施肥過程。具有自動化程度高，灌溉精度高的優(yōu)點。

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