南疆日光溫室輕簡型水肥一體化系統(tǒng)設計與實現(xiàn).pdf

新疆農(nóng)機化 2021年第5期 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2021 05 010 中圖分類號 S365 文獻標識碼 A 0 引言 新疆水資源缺乏 據(jù)統(tǒng)計2019年全疆用水量農(nóng)業(yè) 領域為511 4億m 3 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(xù)發(fā)展中有關水資源的戰(zhàn)略研 究 中提到的灌溉用水400億m 3 3 由此可見 新疆水資 源使用量嚴重超支 必須加以節(jié)制 同時 新疆為響應國 家 雙減 政策不斷深入開展化肥農(nóng)藥減量增效工作 現(xiàn) 代水肥管控技術能有效將肥料管控與灌溉節(jié)水相結合 4 針對南疆設施農(nóng)業(yè)灌溉施肥現(xiàn)狀 發(fā)展水肥精準管控技 術是促進節(jié)水節(jié)肥 優(yōu)化生態(tài)環(huán)境的可靠途徑 5 當前 設施農(nóng)業(yè)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(yōu)點是能有效對水肥溶液進行Ec 電 導率 及pH值精準調節(jié) 但需專業(yè)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(yōu)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 文章編號 1007 7782 2021 05 0032 03 南疆日光溫室輕簡型水肥一體化系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 陳毅飛 楊會民 喻 晨 王學農(nóng) 馬 艷 1 新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所 新疆烏魯木齊830091 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部林果棉裝備科學觀測實驗站 3 新疆設施農(nóng)業(yè)智能化管控 技術重點實驗室 摘 要 針對南疆日光溫室對水肥一體機高精度 低成本的需求 設計了一套輕簡型水肥一體化系統(tǒng) 系統(tǒng)采用隔膜閥和大流 量文丘里施肥器精準調節(jié)水肥比例 通過調節(jié)水路配置實現(xiàn)肥料自動化攪拌 減少固體肥料的不充分溶解 系統(tǒng)為水肥調控提 供定時 遠程 現(xiàn)場控制 集群控制等多種控制模式 方便用戶按需控制 該南疆日光溫室輕簡型水肥一體化系統(tǒng)在不同水肥比 例要求下 水肥配比精度高 運行穩(wěn)定 可集群式作業(yè) 可實現(xiàn)精準水肥管控 關鍵詞 水肥一體化 輕簡型 集群控制 遠程控制 Design and Realization of Lightweight and Simple Water and Fertilizer Integrated System for Solar Greenhouse in Southern Xinjiang CHEN Yifei YANG Huimin YU Chen WANG Xuenong MA Yan 1 Xinjiang Institut of Engineering Urumqi 830023 Xinjiang China 2 Scientific Observation and Experiment Station of Forest Fruit Cotton and Facility Agricultural Equipment Ministry of Agriculture Ministry of Agriculture and Rural Affairs 3 Xinjiang Provincial key laboratory of Agricultural in Structure and Environment for Intelligent Management and Control Technology Abstract In response to the high precision and low cost requirements of the solar greenhouse in southern Xinjiang for the high precisionandlow costwaterandfertilizerintegratedmachine alightandsimplewaterandfertilizerintegratedsystemwas designed Thesystemadoptsadiaphragmvalveandalarge flowVenturifertilizerapplicatortopreciselyadjusttheratioofwater to fertilizer Byadjustingthe waterwayconfiguration the automatic mixingoffertilizerisrealized and the inadequate dissolu tionofsolidfertilizerisreduced Thesystemprovidestiming remote on sitecontrol clustercontrolandothercontrolmodesfor waterandfertilizerregulation whichisconvenientforuserstocontrolondemand Undertherequirementsofdifferentwaterand fertilizerratios thelightandsimplewater fertilizerintegratedsystemforthesouthernXinjiangsolargreenhousehashighaccu racyofwaterandfertilizerratio stableoperation clusteroperation andaccuratewaterandfertilizermanagementandcontrol Key words Fertigation Lightandsimpletype Clustercontrol RemoteControl 修回日期 2021 08 24 通訊作者 楊會民 基金項目 新疆農(nóng)業(yè)科學院自主培育項目 智能農(nóng)機裝 備開發(fā) nkyzztd 003 設施農(nóng)業(yè) 32 新疆農(nóng)機化2021年第5期 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(lián)網(wǎng)的具有精準水肥調控功能的輕簡型水肥一 體系統(tǒng) 首先 該水肥一體化系統(tǒng)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(jié)閥根據(jù)水肥比例 要求及施肥時間調節(jié)注肥速率 系統(tǒng)可通過對水肥機水 路配置的控制實現(xiàn)肥料自動攪拌 此外 加入物聯(lián)網(wǎng)水肥 控制系統(tǒng) 用戶可通過手機APP對多個水肥一體系統(tǒng)進 行集群式操作 因此 該水肥一體化系統(tǒng)具有水肥比例調 節(jié)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(yè) 易于推廣普及等優(yōu)點 水肥 利用率也能得到一定比例的提升 1 系統(tǒng)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(yè)的輕簡型水肥一體化系統(tǒng) 主要設計思路如下 1 大流量吸肥通道 本系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可線性調節(jié)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(fā)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(xiàn)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(tǒng)分為水肥一體化 管控云平臺 水肥一體化控制網(wǎng)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(wǎng)絡的數(shù)據(jù)上傳下達及存儲 控制網(wǎng)絡負責實時采集灌溉 泵 施肥泵等設備的工作狀態(tài) 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(jié) 清洗功能 分區(qū)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(shù)查詢 錄入 統(tǒng)計曲線查詢等操 作 在日光溫室施肥灌溉過程中 用戶根據(jù)實際生長情況 確定灌溉持續(xù)時間 施肥持續(xù)時間 利用水肥一體化系統(tǒng) 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(tǒng)示意 圖2 灌溉施肥機結構原理 圖3輕簡型水肥一體機樣機 2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 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(tǒng) 注肥系統(tǒng) 灌溉系統(tǒng)和支撐機構 其中混肥系統(tǒng) 包括肥料桶 混肥閥門 過濾器 注肥系統(tǒng)包括大流量文丘 里射流器 網(wǎng)式過濾器 隔膜式肥量調節(jié)閥 轉子流量計 水肥一體化管控云平臺 水肥一體化管控服務 手機 APP 小程 序 WEB 網(wǎng)頁 水肥一體化控制網(wǎng)絡 網(wǎng)關 1 溫室 網(wǎng)關 n 溫室 4G 2G LoRa通信 4G 2G LoRa通信 主水 灌溉 啟停 功能 肥料 水力 攪拌 功能 可調 比例 注肥 功能 水肥 管路 清洗 功能 灌溉 分區(qū) 閥門 控制 主水 灌溉 啟停 功能 肥料 水力 攪拌 功能 可調 比例 注肥 功能 水肥 管路 清洗 功能 灌溉 分區(qū) 閥門 控制 水源 過濾器 主水泵 壓力計 電磁閥 肥泵 管道混合 文丘里注肥器 流量計 肥料桶 物聯(lián)網(wǎng) 控制器 P 灌 溉 區(qū) 域 電磁閥 設施農(nóng)業(yè) 33 新疆農(nóng)機化 2021年第5期 施肥泵 灌溉系統(tǒng)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 2 2 輕簡型水肥一體機的控制系統(tǒng) 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(lián)網(wǎng)控制器 物聯(lián)網(wǎng)控制器 對輸入的控制信息進行數(shù)據(jù)分析 該設備狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)自定 義Socket通信協(xié)議轉發(fā)給水肥管控云平臺 云平臺通過 TCP IP協(xié)議實時偵聽并對集群式物聯(lián)網(wǎng)控制器的設備進 行上線識別與在線監(jiān)測 用戶通過手機APP 微信小程序 WEB網(wǎng)頁都可對單個或多個物聯(lián)網(wǎng)控制器發(fā)送控制指 令 最后控制信號經(jīng)自定義Socket通信協(xié)議轉發(fā)給物聯(lián) 網(wǎng)控制器 物聯(lián)網(wǎng)控制器根據(jù)協(xié)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(tǒng) 圖5 手機APP展示界面 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(xié)議連接 基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)控制器 實時顯示與存儲水肥管控 數(shù)據(jù) 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(tài)和數(shù)據(jù)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(qū)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(yè) 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(yè)時用戶可設定單個或多個溫室主水 泵開啟及持續(xù)時間 同時設定單個或多個輪灌組進行分區(qū) 灌溉 水肥一體化作業(yè)時可提前設定注肥泵開啟及持續(xù)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(shù)設置完成后即使斷網(wǎng) 情況下 水肥一體機也會執(zhí)行相關定時灌溉 施肥程序 4 結語 1 利用物聯(lián)網(wǎng)控制器實現(xiàn)了水肥一體機遠程控制 使日光溫室內(nèi)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(xiàn)了水肥比例穩(wěn)定可控 同時對硬件結構 與控制系統(tǒng)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(nóng)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(jié)閥需要用戶根據(jù)實際作物生 長周期進行手動調節(jié) 施肥過程中無法通過物聯(lián)網(wǎng)控制器 進行在線調節(jié) 故該注肥比例遠程調控功能應繼續(xù)開發(fā) 參考文獻 1 鄒平 肖林剛 王曉冬 等 南疆四地州設施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 存在問 題及對策建議 J 新疆農(nóng)機化 2019 1 20 22 2 阿力甫 吐魯番地區(qū)高新節(jié)水的發(fā)展現(xiàn)狀存在的問題及對策 J 農(nóng) 業(yè)與技術 2012 32 10 37 37 3 黃寶連 張風麗 基于水資源合理配置的干旱區(qū)產(chǎn)業(yè)結構特征研 究 以新疆為例 C 中國軟科學研究會 第七屆軟科學國際研討 會論文集中國卷 上 中國軟科學研究會 中國軟科學研究會 2012 226 237 4 蘇秋芳 水肥一體化技術在北京市設施農(nóng)業(yè)中的應用與思考 J 農(nóng) 業(yè)工程 2020 10 78 4 106 110 5 曹曉林 劉洋 單巍 淺談設施農(nóng)業(yè)低壓水肥一體化技術 J 南方 農(nóng)機 2019 15 9 9 6 狄嬌 汪小旵 孫國祥 等 溫室輕簡式灌溉施肥機的設計 J 西北 農(nóng)林科技大學學報 自然科學版 2016 44 5 222 227 7 李秋田 日光大棚滴灌節(jié)水技術 J 山西農(nóng)業(yè)科學 2009 4 94 直流穩(wěn)壓 控制電源 單相電機 電源 三相電機 電源 電源模塊 水肥一體機控制系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng)控制器 交流 接觸器 交流 接觸器 中繼 繼電器 灌溉電機 注肥電機 分區(qū)閥門 潛 水 泵 管 道 泵 離 心 泵 螺 桿 泵 電 磁 閥 電 動 閥 水肥管控云平臺 手機 APP 小 程序 WEB 網(wǎng)頁 管控展示平臺 管控方式 定時 控制 遠程 控制 本地 手動 設施農(nóng)業(yè) 34