王利源，梁 悅，楊 欣，李建平，錢 稷

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071001)

0 引言

我國(guó)水資源豐富，但人均水資源貧乏，且農(nóng)業(yè)用水總量很大。我國(guó)面臨水資源的嚴(yán)重匱乏及果園施肥方式不科學(xué)等問題，如養(yǎng)分管理粗放、水肥耦合效應(yīng)差、肥料利用率低等，不利于水果增產(chǎn)和品質(zhì)的改善，限制了水果產(chǎn)業(yè)的高效發(fā)展[1]。

水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。水肥一體化通過壓力系統(tǒng)或地形自然落差，將可溶性固體或液體肥料配兌成的肥液與水一起通過可控管道系統(tǒng)供水、供肥。水肥一體化技術(shù)在提高作物肥料和水分利用率、改善果樹光合特性、提高果實(shí)品質(zhì)、促進(jìn)果樹幼苗和新生枝條生長(zhǎng)等方面具有重要意義[1-5]。近年來，水肥一體化技術(shù)在世界范圍內(nèi)快速發(fā)展，除了在意大利、美國(guó)、法國(guó)、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展較快，在我國(guó)和印度等發(fā)展中國(guó)家，特別是干旱缺水嚴(yán)重地區(qū)，發(fā)展得尤為迅速[5]。

筆者以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了包括井房控制終端、氣象站監(jiān)測(cè)終端、田間控制終端和系統(tǒng)平臺(tái)組成的果園水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)。工作時(shí)，各終端設(shè)備監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)會(huì)通過GPRS無線方式傳輸至服務(wù)器，呈現(xiàn)于系統(tǒng)平臺(tái)展示界面，系統(tǒng)平臺(tái)能夠通過無線方式下發(fā)的指令。

1 終端設(shè)備設(shè)計(jì)

1.1 井房控制終端

井房控制終端(見圖1)可通過遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)控制及手動(dòng)控制的方式來決定水泵的開關(guān)，調(diào)節(jié)配肥泵的開合程度。終端設(shè)備通過GPRS無線方式接收系統(tǒng)平臺(tái)下發(fā)的指令，進(jìn)行相應(yīng)控制開關(guān)的開啟或關(guān)閉，傳輸各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

1.水泵 2.一級(jí)過濾層 3.逆止閥 4.吸肥泵 5.二級(jí)過濾層 6.排氣閥 7.三級(jí)過濾層 8.EC傳感器 9.PH傳感器 10.流量傳感器

在水泵出水管道(混肥前)配備一級(jí)過濾網(wǎng)，配肥泵出水管道(混肥前)配備二級(jí)過濾網(wǎng)，混肥后的出水管道配備三級(jí)過濾網(wǎng)，有效避免較大顆粒的塵埃、樹葉在管道中漂流，阻塞田間噴灌的噴頭。在混肥后的出水管道中內(nèi)置EC傳感器、pH傳感器和流量傳感器，監(jiān)測(cè)灌溉施肥的EC值、pH值和流量值。在水泵和混肥器中間配備逆止閥，能夠避免混肥器有腐蝕性的水回流水泵及水源，進(jìn)而污染井房的水源；在混肥器后的管道中配備出氣閥，能夠提高供水效率，避免出現(xiàn)地下管道因負(fù)壓造成破管的現(xiàn)象。

吸肥泵的開合程度取決于要施肥的水肥比例，依據(jù)出水管道EC傳感器觀測(cè)到的EC值來人工調(diào)節(jié)配肥泵的開合程度，使之符合施肥的水肥比例。

1.2 田間控制終端設(shè)計(jì)

田間控制終端(見圖2)通過GPRS無線方式接收系統(tǒng)平臺(tái)下發(fā)的指令，進(jìn)行閥門的開或關(guān)，傳輸土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器和流量傳感器采集到的數(shù)據(jù)。電磁閥會(huì)按照系統(tǒng)平臺(tái)下發(fā)的指令，進(jìn)行閥門的自動(dòng)開啟或關(guān)閉；若系統(tǒng)出現(xiàn)故障或部件出現(xiàn)損壞等特殊情況，用戶也可通過手動(dòng)閥開啟或關(guān)閉閥門。

1.無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置 2.手動(dòng)閥 3.太陽能電池板 4. 電磁閥 5.流量傳感器 6.土壤溫度傳感器 7.土壤濕度傳感器

直徑50mm的管道一端連接來自井房的直徑為110mm的主管道，另一端連接田間的軟管。通過電磁閥或手動(dòng)閥來控制主管道中的水肥流向該控制箱所管控的區(qū)域。流量傳感器位于閥門開關(guān)的后端，能夠更加精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)流向該控制箱負(fù)責(zé)區(qū)域的水流流量，為指導(dǎo)果園灌溉提供較為科學(xué)的參考數(shù)據(jù)。

控制箱外接土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器，在隨機(jī)選擇的每株果樹下選擇以樹桿為圓點(diǎn)的同心圓均布的3個(gè)位置，每個(gè)位置垂直細(xì)分為3個(gè)土壤層，各裝1個(gè)溫度傳感器、1個(gè)濕度傳感器，能夠?yàn)橛脩籼峁└訖?quán)威的土壤溫濕度數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、全面性、系統(tǒng)性和科學(xué)性。

田間控制終端采用太陽能電池板+蓄電池組合供電模式及GPRS無線通訊方式，無需鋪設(shè)電源線路和信號(hào)傳輸線路，降低了工程耗費(fèi)，且兼電源供電和信號(hào)傳輸極其穩(wěn)定，受地形因素的影響較小。

1.3 氣象站監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

氣象站監(jiān)測(cè)終端由無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置、太陽能電池板、空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、雨量傳感器及蒸發(fā)量傳感器等組成，如圖3所示。

氣象站上的各類傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)會(huì)通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置及時(shí)發(fā)送給服務(wù)器，在服務(wù)器進(jìn)行分類、匯總和篩選，然后呈現(xiàn)于系統(tǒng)平臺(tái)上。氣象站整體采用太陽能電池板+蓄電池組合供電的方式，既能全天候在線工作，又能節(jié)約建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本，具有環(huán)保、節(jié)能、美觀、穩(wěn)定等特點(diǎn)。

圖3 氣象站監(jiān)測(cè)終端示意圖Fig.3 Schematic diagram of weather station monitoring terminal

2 系統(tǒng)平臺(tái)

系統(tǒng)平臺(tái)是設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)，是自動(dòng)化和智能化優(yōu)勢(shì)的集中體現(xiàn)。用戶能隨時(shí)隨地登錄系統(tǒng)平臺(tái)，遠(yuǎn)程查看終端監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)到的當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，控制終端設(shè)備的工作狀態(tài)，提高了工作效率，使果園管理變得更加自動(dòng)化、智能化、現(xiàn)代化和科學(xué)化。

用戶在搜索或輸入正確的網(wǎng)址后，輸入正確的“用戶名”及“密碼”，方可登錄系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)行其他操作。依據(jù)用戶的權(quán)限等級(jí)不同，用戶可分為“瀏覽用戶”和“管理用戶”兩類：瀏覽用戶擁有較低的瀏覽權(quán)限，僅可以瀏覽數(shù)據(jù)和查看設(shè)備狀態(tài)；管理用戶擁有較高的管理權(quán)限，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和系統(tǒng)設(shè)置。

2.1 首頁

首頁由編號(hào)分區(qū)、動(dòng)漫(視頻)展示區(qū)、終端設(shè)備手動(dòng)控制區(qū)及數(shù)據(jù)展示區(qū)等組成，如圖4所示。

編號(hào)分區(qū)是指系統(tǒng)平臺(tái)所管控的果園分區(qū)，位于頁面的左側(cè)，選擇不同分區(qū)，視頻展示區(qū)會(huì)呈現(xiàn)不同的監(jiān)控視頻畫面，數(shù)據(jù)展示區(qū)會(huì)出現(xiàn)不同的控制箱數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)。

動(dòng)漫(視頻)展示區(qū)是以動(dòng)漫或監(jiān)控視頻展示為內(nèi)容的頁面布局，位于頁面中間上方，切換左側(cè)的編號(hào)分區(qū)，會(huì)出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的動(dòng)漫或視頻。此功能需要安裝監(jiān)控設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)，未選擇分區(qū)時(shí)默認(rèn)展示井房控制的動(dòng)漫示意圖。

終端設(shè)備手動(dòng)控制區(qū)是指通過點(diǎn)擊“開啟”或“關(guān)閉”按鈕，進(jìn)行相應(yīng)操作，分為井房開關(guān)和田間控制箱開關(guān)。其中，田間控制箱的開關(guān)需要在選擇分區(qū)序號(hào)后才能進(jìn)行。

數(shù)據(jù)展示區(qū)包括井房數(shù)據(jù)及狀態(tài)、氣象站數(shù)據(jù)及狀態(tài)、田間控制箱數(shù)據(jù)及狀態(tài)。切換編號(hào)分區(qū)時(shí)，井房和氣象站的數(shù)據(jù)、狀態(tài)都不會(huì)切換，而田間控制箱的數(shù)據(jù)及狀態(tài)會(huì)隨著切換編號(hào)分區(qū)而切換。

圖4 系統(tǒng)平臺(tái)首頁Fig.4 Homepage of system platform

2.2 智能灌溉

智能灌溉由限時(shí)澆水、定時(shí)澆水和限時(shí)自動(dòng)澆水3部分組成，如圖5所示。用戶可根據(jù)實(shí)際需要，選擇其中的一種實(shí)現(xiàn)智能灌溉。

圖5 智能灌溉Fig.5 Intelligent irrigation

限時(shí)灌溉可任意設(shè)置澆水的開始時(shí)間及歷時(shí)時(shí)間。例如，設(shè)置每周周三14:20開始澆水，歷時(shí)20min，那么主水泵就會(huì)在周三14:20時(shí)開始澆水，澆水20min后，于當(dāng)天14:40關(guān)閉閥門，停止?jié)菜?/p>

定時(shí)澆水可自由選擇澆水的時(shí)間段。例如，選擇周一的5:00-5:10及14:10-14:40澆水，那么主水泵會(huì)在每周周一的這兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行澆水。

限時(shí)自動(dòng)澆水可設(shè)置澆水時(shí)間、水分上限、水分下限等參數(shù)。例如，設(shè)置周一5:00-6:00澆水，土壤水分含量下限值60%，土壤水分含量上限值70%，那么設(shè)備會(huì)按照設(shè)置的要求進(jìn)行限時(shí)自動(dòng)澆水，持續(xù)澆水使其土壤水分含量高于下限值；若澆水過程中土壤水分含量接近或超過上限值，水泵會(huì)立即停止灌溉。

2.3 歷史數(shù)據(jù)

歷史數(shù)據(jù)(見圖6)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢及導(dǎo)出等操作。用戶也可同時(shí)按時(shí)間范圍與地點(diǎn)分區(qū)進(jìn)行查詢及檢索某一分區(qū)某一時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖6 歷史數(shù)據(jù)Fig.6 Historical data

1)按時(shí)間范圍查詢。在時(shí)間上選擇查詢的“開始時(shí)間”與“結(jié)束時(shí)間”，然后點(diǎn)擊“查詢”選項(xiàng)，就能夠自動(dòng)從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中檢索出該段時(shí)間范圍內(nèi)的所有澆水記錄或氣象數(shù)據(jù)。

2)按地點(diǎn)分區(qū)查詢。在地點(diǎn)上選擇查詢的“分區(qū)編號(hào)”，然后選擇“查詢”選項(xiàng)，就能夠自動(dòng)從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中檢索到該區(qū)澆水的所有歷史數(shù)據(jù)。若果園存在多臺(tái)氣象站，用戶也可選擇查詢的“設(shè)備編號(hào)”或全部，然后選擇“查詢”選項(xiàng)，就能夠自動(dòng)從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中檢索到該設(shè)備采集到的所有歷史數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的形式有EXCLE表格和折線圖兩種，并可在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)后導(dǎo)出數(shù)據(jù)。EXCLE表格呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)更加清晰、直觀，便于進(jìn)行要素之間的對(duì)比觀察；折線圖呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)更加形象生動(dòng)，能夠反映出變化曲線。數(shù)據(jù)可以EXCLE表格的形式導(dǎo)出，另存至本地，報(bào)表下方的折線圖或柱狀圖可以被導(dǎo)出到本地，以圖片的形式存儲(chǔ)下來。

2.4 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)由評(píng)分建議與數(shù)據(jù)指導(dǎo)兩個(gè)界面組成，如圖7所示。

圖7 專家系統(tǒng)Fig.7 Expert system

評(píng)分建議是依據(jù)果樹種植專家的建議而形成的作物月份指標(biāo)數(shù)據(jù)庫。用戶登錄系統(tǒng)平臺(tái)可查看各個(gè)月份或者每天的土壤濕度、土壤溫度、EC值和pH值等建議值；專家建議位于左下方，種植專家登錄相應(yīng)的賬號(hào)可進(jìn)行編輯；系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)建議值進(jìn)行科學(xué)評(píng)分。通過這種形式來指導(dǎo)用戶科學(xué)種植，進(jìn)而使得果樹處于相對(duì)科學(xué)的生長(zhǎng)狀態(tài)，確保蘋果的質(zhì)量，提高蘋果的產(chǎn)量。

數(shù)據(jù)指導(dǎo)由當(dāng)前氣象參數(shù)、天氣預(yù)報(bào)、建議灌溉值變化趨勢(shì)圖、澆水評(píng)價(jià)列表等組成。氣象參數(shù)展示當(dāng)前10min內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向、大氣溫度、大氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照、大氣壓力等參數(shù)值；天氣預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)來源于中央氣象臺(tái)的氣象預(yù)測(cè)，反映前4天、當(dāng)天、未來4天的天氣狀況；建議灌溉值變化趨勢(shì)圖是一種反映最近幾天蘋果需水值、地下水值、建議灌溉值的折線圖；澆水評(píng)價(jià)列表是依據(jù)澆水量的實(shí)際值，結(jié)合蘋果的需水值，對(duì)過去5天的澆水質(zhì)量做出一種科學(xué)性的評(píng)價(jià)。

2.5 系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)置由施肥模式與用戶管理兩部分組成，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)設(shè)置Fig.8 System settings

施肥模式是指對(duì)施肥的一些細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)置。例如，開啟吸肥泵前，應(yīng)沖水(開啟水泵)Xmin；關(guān)閉吸肥泵后，繼續(xù)沖水(開啟水泵)Ymin。通過該模式的設(shè)置，既能夠避免初始施肥階段的水溶肥濃度較高損害果樹的正常生長(zhǎng)，又能夠減少管道中滯留的少量水溶肥，避免損壞管道或影響下次作業(yè)。

用戶管理是指對(duì)于管理用戶及瀏覽用戶進(jìn)行增加、修改、刪除等操作，管理用戶只有一個(gè)，瀏覽用戶可以有多個(gè)；管理用戶功能較為全面，瀏覽用戶僅能查詢與導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

3 水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用成效

水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用在順平果園試驗(yàn)示范站，通過一段時(shí)間的應(yīng)用試驗(yàn)，在灌溉施肥方面取得以下成效：

1)經(jīng)試驗(yàn)測(cè)算，得到果園中水利用系數(shù)為0.93，高于我國(guó)水利用系數(shù)0.9的規(guī)定，節(jié)水成效明顯。

2)肥料選擇水溶肥，調(diào)控方式基于營(yíng)養(yǎng)液的EC值和pH值。肥料可以快速地滲入土壤，被果樹根系吸收，促進(jìn)果樹產(chǎn)量提高和產(chǎn)品質(zhì)量的改善；基于營(yíng)養(yǎng)液EC值和PH值調(diào)控方式操作簡(jiǎn)單，易于推廣。

3)灌溉與施肥一起進(jìn)行，可均勻、準(zhǔn)確地輸送到作物根部土壤，減少了水資源的利用與肥料的揮發(fā)、流失和營(yíng)養(yǎng)過剩。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)算，水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)施肥與傳統(tǒng)技術(shù)施肥相比節(jié)肥40%～50%，減少了環(huán)境污染。

4)依托于水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化灌溉施肥，減少了用工量與用工時(shí)間，降低了成本。

4 結(jié)論

1)果園灌溉更加智能化。終端設(shè)備能夠按照系統(tǒng)平臺(tái)的定時(shí)澆水、限時(shí)澆水、限時(shí)自動(dòng)澆水等參數(shù)設(shè)置實(shí)施自動(dòng)灌溉，也能夠接收系統(tǒng)平臺(tái)下發(fā)的指令，遠(yuǎn)程自動(dòng)開啟或關(guān)閉閥門，實(shí)施灌溉或施肥。

2)果園灌溉更加精準(zhǔn)化。配備氣象站、徑流傳感器、土溫土濕傳感器等傳感器，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地把握果園的各類氣象數(shù)據(jù)，便于實(shí)施精準(zhǔn)的灌溉和施肥。

3)層級(jí)嚴(yán)密，權(quán)限分明。用戶賬號(hào)分為管理用戶和瀏覽用戶：管理用戶能夠進(jìn)行較為高級(jí)的參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程開關(guān)及專家指導(dǎo)等操作；瀏覽用戶僅可進(jìn)行較為初級(jí)的瀏覽、查詢和導(dǎo)出數(shù)據(jù)的操作。