胡灵云，张晓晶，张圣微，姚丁文，杨晨曦
（内蒙古农业大学 水利与土木工程建筑学院，内蒙古自治区 呼和浩特 010018）
近年来，我国的蔬菜产业发展迅猛，尤其在自然气候条件较差的地区，设施农业成为人们“菜篮子”需求的重要保障[1]。我国设施蔬菜水肥管理普遍存在“高水高肥”、灌水施肥方法粗放、时间随意等问题，没有按照蔬菜各生育期对水肥的需求规律补充水分和养分，使得水肥利用率低，未被作物利用的水肥进入地下水，造成环境污染或引起土壤次生盐碱化。我国化肥用量高居世界第一，但肥料利用率仅30%；
人均水资源量仅为世界平均水平的1/4，灌溉水利用率仅0.6；
农业生产存在资源不足与浪费严重并存的现象，急需提高水肥利用率[2]。蔬菜生产对施肥和灌溉要求高，按作物需求提供养分和水分不但可以提高产量、品质，也可提高水肥利用率和效益，减少环境污染[3]。
利用微灌技术，达到精准灌溉施肥、提高水肥利用率的目的[4]。由于我国设施蔬菜种植多为一家一户分散经营，规模小、蔬菜种类多，目前水肥一体化设备价格较高、多用于种植面积较大的地方，造成设备投放使用困难[5]。因此，研发价格合理、操作和管理便捷、因地制宜、适用于大棚的小型设施蔬菜水肥一体化设备，根据水土情况与作物需求配置施肥液体，通过水肥智能控制系统，采取定时、定量、定向的灌水施肥方式，能减少肥料挥发、流失，实现集中施肥和平衡施肥，对实现蔬菜灌溉、施肥的精准管理、减少农业面源污染具有实用价值。
根据设施蔬菜管理要求，水肥一体化智能控制系统主要由设施灌溉施肥系统、信息采集系统和控制系统构成，其中设施灌溉施肥系统包括：水源、动力（水泵）、压力表、过滤器和施肥器、肥料罐、干支管及毛管（滴灌管等）；
信息采集系统包括：温度传感器、湿度传感器（空气）、土壤水分传感器、养分传感器、管道压力等；
控制系统包括：信息显示、灌水定额计算模块、施肥量计算模块、灌溉决策系统和施肥决策系统、阀门控制系统等，通过实时采集作物生长环境温度、湿度、土壤含水量和养分信息，结合不同作物不同生长期需水需肥指标，控制设备进行精准灌水和施肥，提供准确施肥和灌溉服务，真正实现按作物所需“喂养”的目的。
图1 设施蔬菜水肥一体化智能控制系统示意图Fig.1 Schematic diagram of integrated intelligent control system of water and fertilizer for facility vegetables
系统基于云计算、节水灌溉原理和植物营养原理，结合物联网技术、机电一体化基础理论和管理技术手段，通过相关设备、管理系统，检测环境、设备状态和参数，并根据作物的生长特点及生长过程中对水分、养料的需求量，做出相关决策和控制，达到信息采集、传输、管理与设施控制、自动化灌水施肥控制于一体的目的。
2.1 工艺设计思路
水肥一体化智能控制系统通过大棚中布设的土壤水分、养分传感器及温度湿度传感器，将实时监测的土壤养分、水分等数据传输到PLC中进行检测，由PLC通过云平台把数据传输到服务器，通过内置软件处理数据，结合作物生长状况视觉采集信息，分析作物水分、养分状况，根据设置的判别标准，确定是否需要灌溉、施肥及灌水量、施肥种类及施肥量，并将决策结果反馈到PLC；
通过PLC控制系统自动打开灌溉施肥系统的电磁阀，实现自动灌溉、施肥。当各传感器数值达到标准值，可以自动停止灌溉施肥。
2.2 智能控制系统
信息采集部分，通过无线传感器结合协议形式与将所采集的信息传输至PLC，该传输模式的优点是可以同时连接多个传感器并采集相应数据，省去传感器的各种连接线，降低了设备的安装要求，并提高了整套装备运行的可靠性。由于温室大棚作物定植后，灌溉施肥系统及通风降温等设备均已固定，在PLC输出方面这里都采用直接连接线的方式，方便控制各种设备（见图2）。PLC通过网络将数据上传到云端服务器，由服务器(WEB服务器)对云端服务器发送GET/POST请求，云端服务器收到请求后作出响应，向服务器发送数据，WEB服务器将获取到的数据存入MySQL数据库。系统与云端无缝对接，将信息返回PLC后，对其进行控制，实现灌水施肥。
图2 设施蔬菜智能水肥一体控制系统原理图Fig.2 Schematic diagram of integrated control system of intelligent water and fertilizer for facility vegetables
系统通过485通讯线将触摸屏与PLC连接，用户在终端可直观的看到当前大棚作物种植的各种数据，工作模式为自动、手动模式，2种模式相辅相成，由用户自行确定。自动模式下，由智能控制系统执行判断并发出指令；
手动模式下，用户通过登录账号进入控制系统，切换到手动控制模式。根据触摸屏上的相关控制按键，显示所需数据及大棚中施肥罐和滴灌管进行施肥灌溉等。
2.3 系统核心部件技术参数及工作方式
2.3.1 温湿度传感器
土壤温湿度采用RS485数字温湿度传感器测定，技术参数详见表1。温度传感器采用热敏电阻原理测量，根据种植作物设定适宜生长温度范围，当温度偏离此范围时，电阻会调整电流强度，间接地调整温度；
土壤水分设置RP1为水分下限预制点，RP2为上限预制点，当水分超出（低于）设置的上限点（下限点）时，传感器会发出蜂鸣声，将信号编码传至主控制器，由主控制器决定控制状态。长度不同的若干温湿度传感器探针插入土壤，测量不同深度的土壤水分及温度。
表1 RS485数字温湿度传感器技术参数Tab.1 RS485 digital temperature and humidity sensor technical specifications
2.3.2 总控制器
设施蔬菜智能水肥一体控制系统的总控制器主要由PCL和显示屏组成。数据控制台根据预设或用户选定的作物灌溉施肥方案，系统对自动采集的土壤环境温湿度进行数据解析计算，对水分数据、养分数据与“合适喂养”状态进行比较，确定是否需要灌溉、施肥，如需灌溉施肥，计算灌溉施肥量，并发出指令。
2.3.3 文丘里吸肥器及电磁阀
系统施肥装置采用文丘里吸肥器[6]，当流体通过文丘里吸肥器收缩段时，由于管径变小导致工作流体的一部分压力能转换为动能，流体速度变大，在喉部形成负压区，待负压达到一定值后可以把肥液罐中的肥液吸入，肥液与灌溉水混合后进入滴灌管滴入作物根部。
灌溉及施肥量采用DC24V水用电磁阀控制，技术参数见表2。当电磁阀处于常位时，活动铁芯封住导阀口，阀腔内压力平衡，主阀口封闭。当控制端发出指令、线圈通电时，电磁力将活动铁芯吸上，主阀腔内产生压力差，膜片或阀杯被迅速托起，主阀口开启。线圈断电时，磁场消失，活动铁芯复位，导阀口封闭，主阀腔内压力平衡后，阀口关闭。
表2 DC24V水用电磁阀技术参数Tab.2 Technical parametersof DC24V water solenoid valve
以呼和浩特市赛罕区某温室大棚为例进行设计和应用，温室12 m×60 m，其中种植面积约0.067 hm2，土壤为砂壤土，供试土壤的基本理化性质见表3。
表3 供试土壤的基本理化性质Tab.3 Basic physicochemical properties of tested soil
该农户近2年温室种植的蔬菜有黄瓜、茄子、西红柿，以黄瓜为例说明系统运行过程中灌水量和施肥量的确定方法。该温室黄瓜株距25 cm，行距80 cm，采用水肥一体化滴灌系统灌溉施肥，一行一管，管径Φ16，滴头间距25 cm，流量2 L/h。为防止滴头堵塞采用滴灌专用水溶肥进行水肥一体化施肥作业，其他蔬菜方案以此为参考。
3.1 灌水量的确定
黄瓜为浅根系，主要分布于表土下25～30 cm，集中于植株半径30 cm内，适宜土壤含水量为田间持水率的60%～90%。通过土壤水分传感器所测得的土壤含水率及作物生长阶段适宜土壤含水率，根据水量平衡方程式计算温室黄瓜的灌溉量[7，8]。温室中无大气降水量，采用滴灌技术无地表径流量和深层土壤渗漏量；
当土壤含水率低于下限时灌溉，上限按作物各阶段适宜含水率确定，灌水定额为：
式中：M——灌溉定额，m3/0.067 hm2；
H——计划湿润层深度，mm；
θmax、θmin——土壤体积含水率上、下限，%。
在黄瓜幼苗期根系10 cm以内，θmin为60%θ田，抽蔓期、结果初期及盛期根系深度约30 cm，θmin为70%θ田，上限均为100%θ田；
结果末期θmin为60%θ田，上限90%θ田。计算所得灌水量见表4。
3.2 施肥量的确定
施肥量通过土壤养分传感器所测得的肥料含量和作物需肥量确定。黄瓜对氮、磷、钾的需求比例一般是1∶0.56∶1.38[9]。该温室黄瓜每0.067 hm2的目标产量为10 000 kg，需要N 28～32 kg、P2O58～13 kg、K2O 36～44 kg。黄瓜结果期需肥量大，养分吸收量可占整个生育期吸收量的80%以上。盛果期是黄瓜养分需求的最大时期，也是追肥的关键时期，此时施肥能大幅度提高黄瓜产量。土壤的基础肥力可以提供N 974 g、P2O580 g、K2O 2.7 kg。根据黄瓜各生育阶段需肥量，由式3计算各个时期中土壤供肥量，二者的差值即为施肥量。
表4中给出了试验温室黄瓜需要的施肥量，通过主控制器进行施肥。采用水肥一体化技术，肥料利用率较高，氮肥、磷肥、钾肥的利用效率分别为40%、25%、45%。基于目标产量及黄瓜的养分吸收规律具体的施肥方案见下表4，以每个阶段3次随水施肥为基准。
表4 黄瓜不同时期的灌水定额及施肥量Tab.4 Irrigation quota and fertilizer amount of cucumber in different periods
3.3 系统应用
根据用户提供的相关信息调试试统，在自动模式下可以对土壤水分及养分的数据进行采集，通过有线传输的方式传送至PLC，云端以设定数据为基础，分析所获得的数据，计算所需的灌水施肥量并将这一信息传导至PLC，PLC会根据收到的数据控制不同的设备运行，使得农作物生长环境保持最佳状态。
在自动模式期间，用户可以每天观察农作物生产情况数据，如果此时数据偏离理想设定值，则启动设备动作进行补给，图3给出了该系统的交互界面。针对生产情况随时调整各要素。当切换至手动模式，用户可以通过触摸屏上的按键，控制PLC输出端的所连设备，比如滴灌管流量，施肥罐所投放化肥含量等一系列操作，在手动模式时传感器依然会实时采集数据。这些数据将会以表格的形式储存下来，用户可以将数据通过U盘等存储设备导出，也可随时查询历史数据。
图3 设施蔬菜智能水肥一体控制系统交互界面Fig.3 Interactive interface of integrated control system of intelligent water and fertilizer for facility vegetables
采用Modbus协议将PLC和物联网云盒子相连，将数据经4G网络传递到电脑端，实现远程控制，体现智能种植一体化。与此同时可以使用手机小程序监测数据及生长状态，随时随地即可种植，减轻劳动力并缩短务农时间，帮助用户找到最佳作物生长环境，提高大棚种植的经济效益，更加体现精准种植优势。
对于不同的温室规模、作物等，该系统可根据种植情况及作物优质高产灌溉施肥模式，通过自动采集土壤信息，确定作物所需的灌溉量、灌溉频次、施肥量等技术指标的个性化技术指导服务和跟踪反馈，实现设施蔬菜精准灌溉施肥，使温室环境保持在作物生长所需的最佳条件。
根据我国北方设施蔬菜种植多为分散经营、规模小、蔬菜种类多的特点，开发了设施蔬菜智能水肥一体控制系统，并在内蒙古呼和浩特呼和浩特市赛罕区温室黄瓜种植中进行了实际应用，得到以下主要结论。
（1）设计研发了设施蔬菜水肥一体化智能控制系统，主要由设施灌溉施肥系统、信息采集系统和控制系统构成，通过实时采集作物生长环境温度、湿度、土壤含水量和养分信息，结合不同作物不同生长期需水需肥指标，精准灌水和施肥，提供准确施肥和灌溉服务，真正实现按作物所需“喂养”作物。
（2）通过内蒙古呼和浩特市赛罕区某温室大棚黄瓜种植进行了系统测试，系统根据温室种植条件、土壤特性、作物特征和作物产量模式等，在自动模式下采集所需土壤信息数据，通过有线传输至PLC，由PLC对所采集的数据转运，云端以设定数据为基础，分析所获得的数据，计算所需的灌水施肥量并将这一信息反馈至PLC，PLC根据收到的数据控制不同的设备动作，使作物生长环境保持最佳状态，实现设施蔬菜精准灌溉施肥。
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