申兆亮 ，李 震 ，馬素超 ，馬天石 ，段德剛 ，馬 良

（1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250100；2.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

總論

農(nóng)業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)不僅是人類衣食來源，而且提供了重要的工業(yè)原料。但現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在大幅提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也因過度使用農(nóng)藥、化肥等引起了環(huán)境污染和生態(tài)失調(diào)。水肥（藥）一體化的提出極大解決了因肥料（農(nóng)藥）浪費(fèi)引起的環(huán)境問題。水肥（藥）一體化技術(shù)是以水為載體，根據(jù)作物生長(zhǎng)需要及土地墑情變化，按照一定的比例將可溶肥（藥）母液融入水體中，通過灌溉裝置直接輸送至作物根（莖）部，精準(zhǔn)施肥（藥）防止過度浪費(fèi)，讓植物健康生長(zhǎng)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代以色列開始灌溉施肥一系列研究，據(jù)報(bào)道該國(guó)80%的灌溉土地均普及了計(jì)算機(jī)管理與自動(dòng)化控制技術(shù)[1]；目前為止，美國(guó)60%馬鈴薯，25%的玉米，33%水果均使用了水肥一體化技術(shù)，加州目前已建立了完善的水肥一體化服務(wù)體系和設(shè)施；2006年-2007年澳大利亞設(shè)立總額100億澳元的國(guó)家水安全計(jì)劃，用于發(fā)展水肥一體化技術(shù)，并建立了土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指導(dǎo)施肥[2]。20世紀(jì)90年代中期，滴灌施肥技術(shù)理論及其應(yīng)用日益受到重視，我國(guó)開始大量開展技術(shù)培訓(xùn)和研討，新疆地區(qū)應(yīng)用的棉花膜下滴灌施肥技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，但是從整體上看，國(guó)內(nèi)某些微灌設(shè)備產(chǎn)品尤其是首部配套設(shè)備的質(zhì)量同國(guó)外同類先進(jìn)產(chǎn)品相比仍存在較大差距。全國(guó)應(yīng)用水肥一體化技術(shù)的覆蓋面積所占比例還小，水肥一體化技術(shù)管理水平還是相對(duì)較低[3]。

國(guó)外設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本、荷蘭、以色列等國(guó)在植物精密施肥所采用的自動(dòng)施肥主要有泵注式、文丘里式、壓差式、水驅(qū)動(dòng)混合注入式，其中水驅(qū)動(dòng)混合注入式應(yīng)用越來越廣泛[4]。我國(guó)目前較為精密水肥一體化裝置及相關(guān)技術(shù)基本上依賴進(jìn)口，不僅采購(gòu)成本高，而且進(jìn)口設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)未參考中國(guó)國(guó)情，出現(xiàn)了水土不服的現(xiàn)象，如何設(shè)計(jì)開發(fā)一套符合中國(guó)國(guó)情的水肥（藥）一體化自動(dòng)施肥（藥）裝置迫在眉睫。

2 水肥（藥）一體化系統(tǒng)工作原理

水肥（藥）一體化系統(tǒng)原理圖如圖1所示，主要包括：①計(jì)算機(jī)（含數(shù)據(jù)庫(kù)）、智能控制器組成的上位機(jī)決策系統(tǒng)；②由EC/PH傳感器和液位傳感器組成的感知系統(tǒng)；③肥液、酸堿液氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、加藥計(jì)量泵組成的變量調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，即可通過數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取當(dāng)前作物需肥或者農(nóng)藥噴撒配比情況，為智能控制器下達(dá)施肥及噴藥量的指標(biāo)，同時(shí)可統(tǒng)計(jì)施肥量、用水量、用藥量等信息。由EC/PH傳感器、智能控制器及相應(yīng)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成肥料變量控制的PID系統(tǒng)，可根據(jù)計(jì)算機(jī)提供的指標(biāo)為農(nóng)作物提供最佳的水肥配比。當(dāng)需要噴撒農(nóng)藥時(shí)，在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)水罐的截面積及液位計(jì)提供的水位信息計(jì)算出罐內(nèi)水的體積，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中提供的農(nóng)藥配比，在智能控制器的作用下驅(qū)動(dòng)加藥計(jì)量泵將合理量的農(nóng)藥注入到罐內(nèi)。

圖1 水肥（藥）一體化系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of integrated water and fertilizer（pesticide） system

2.1 管路系統(tǒng)

其管路系統(tǒng)主要包括三部分：肥料變量配給管路系統(tǒng)及農(nóng)藥變量配給系統(tǒng)、混合罐，如圖2所示。

圖2 水肥（藥）一體化機(jī)械系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of water and fertilizer（pesticide） integrated mechanical system

2.1.1 混合罐

混合罐是整個(gè)管路系統(tǒng)的主體，由攪拌電機(jī)、攪拌器及混合罐體組成。在電機(jī)的作用下將肥液或者農(nóng)藥與水充分混合，供噴灑系統(tǒng)使用。

2.1.2 肥料變量配給系統(tǒng)

肥料變量配給系統(tǒng)主要包括肥液箱、肥液氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、肥液文丘里混合器及酸堿液箱、酸堿液氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、酸堿液文丘里混合器兩路系統(tǒng)組成。計(jì)算機(jī)提供了EC/PH指標(biāo)值，控制器根據(jù)EC/PH傳感器提供的反饋值，及時(shí)調(diào)節(jié)相應(yīng)氣動(dòng)閥門的開度，在文丘里混合器的作用下將肥液注入到混合罐中，從而使注入到混合罐內(nèi)的肥液量始終保持在指標(biāo)范圍內(nèi)，同時(shí)完成水肥的一次混合。

2.1.3 農(nóng)藥變量配給系統(tǒng)

農(nóng)藥變量配給系統(tǒng)主要由農(nóng)藥箱、農(nóng)藥箱電磁閥及計(jì)量泵組成。在需要噴灑農(nóng)藥時(shí)，根據(jù)液位計(jì)提供的水位值，計(jì)算機(jī)結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)提供的農(nóng)藥配比，計(jì)算出所需的農(nóng)藥量，由計(jì)量泵將農(nóng)藥注入到混合罐內(nèi)[5]。

3 水肥（藥）一體化智能控制系統(tǒng)原理

水肥（藥）一體化智能控制系統(tǒng)由若干分布于土地分格單元的無線墑情傳感器、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、用于決策的上位機(jī)PC及用于控制電控執(zhí)行器的PLC下位機(jī)組成。

無線墑情傳感器負(fù)責(zé)收集施肥地塊的墑情情況，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)中，為施肥決策提供依據(jù)。

無線傳送網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸?shù)墓艿?，它的信息傳輸能力（傳輸速率、抗干擾性及穩(wěn)定性）決定了整個(gè)控制系統(tǒng)能否可靠穩(wěn)定工作。

上位機(jī)PC及PLC下位機(jī)相互結(jié)合為整個(gè)系統(tǒng)提供可靠的決策執(zhí)行能力。

圖3 無線通訊原理圖Fig.3 Schematic diagram of wireless communication

3.1 PLC控制系統(tǒng)

本工程采用了國(guó)產(chǎn)臺(tái)達(dá)的PLC，通過無線串口實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與PLC之間的通訊，擺脫了線纜的束縛，使其之間的搭配更為靈活。上位機(jī)與下位機(jī)之間采用主從通訊方式，即PLC嚴(yán)格按照計(jì)算機(jī)的指令進(jìn)行工作。PLC的供電方式采用鋰電池供電，其電量通過無線串口在計(jì)算機(jī)上得到監(jiān)控，非常適合工作在無交流電源的野外環(huán)境。

圖4 PLC控制箱Fig.4 The PLC control box

4 水肥（藥）一體化軟件管理系統(tǒng)

水肥（藥）一體化軟件管理系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要功能：被施肥土地的網(wǎng)格劃分、初始化噴架參數(shù)、噴灌的啟動(dòng)與停止、追蹤記錄施肥進(jìn)度、查詢單元土地的墑情值等。軟件[6]具體工作過程如圖5所示。

圖5 水肥（藥）一體化軟件工作流程圖Fig.5 The flow chart of water and fertilizer（pesticide）integration software

圖6 軟件登錄界面Fig.6 The interface of software login

圖7 軟件工作界面Fig.7 The Software work interface

圖8 單元土地墑情自動(dòng)讀取Fig.8 Automatic reading of unit soil moisture

4 總結(jié)

本文根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀，結(jié)合.Net平臺(tái)開發(fā)的管理軟件，提出了一套適合中國(guó)國(guó)情的水肥（藥）一體化的解決方案，該系統(tǒng)成功通過了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。該系統(tǒng)的研發(fā)成功較大程度上解決了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)存在的肥、藥浪費(fèi)問題，為中國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展探索提供了重要依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。