宋成秀，李合營，王雪瑩

（1.山東鋒士信息技術(shù)有限公司，山東 濟南 270000；2.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054）

水資源短缺和化肥用量高是制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸，實施水肥一體化技術(shù)以提高水肥利用效率對于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要[1]。近年來，我國水肥一體化技術(shù)發(fā)展速度呈現(xiàn)快速增加趨勢。水肥一體化設(shè)備是實現(xiàn)水肥一體化技術(shù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)階段我國水肥一體化設(shè)備的應(yīng)用呈現(xiàn)引進國外產(chǎn)品與國內(nèi)自行研制發(fā)展并重的特征。國外水肥一體化設(shè)備普遍采用互聯(lián)網(wǎng)、EC/pH綜合控制、氣候控制、循環(huán)加熱降溫、自動排水反沖洗、噴霧控制等技術(shù)，基本實現(xiàn)混配肥精準化、智能化和施肥管控一體化[2-4]。國內(nèi)市場上主要產(chǎn)品有施肥罐、施肥池、壓差式施肥機（如比例泵、文丘里、計量泵、普通泵）等[5]。盡管經(jīng)歷了一定發(fā)展，但是我國水肥一體化設(shè)備研制應(yīng)用仍處于初期階段，質(zhì)量和管理水平與發(fā)達國家仍有差距[6]。在設(shè)備質(zhì)量方面，存在自動化程度低及施肥不精準的問題；在管理方面，缺乏與之配套的智能灌溉軟件，控制精度不高，不能實現(xiàn)水肥的精準調(diào)控。

云服務(wù)技術(shù)在計算機等行業(yè)中的大量應(yīng)用為提出基于云服務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)水肥一體化灌溉設(shè)備性能提升提供了參考，但是仍需要在系統(tǒng)構(gòu)建、關(guān)鍵技術(shù)解析中進行加強，并通過應(yīng)用實例說明其應(yīng)用效果?；诖耍疚幕谠品?wù)技術(shù)云服務(wù)技術(shù)進行水肥一體智能灌溉設(shè)備設(shè)計，討論其中的關(guān)鍵技術(shù)，并舉例說明基于云服務(wù)的水肥一體智能灌溉設(shè)備應(yīng)用場景及效果。

1 水肥一體化設(shè)計方案

基于云服務(wù)的智能水肥一體化解決方案由智慧灌溉云平臺和智能水肥一體系統(tǒng)構(gòu)成。智慧灌溉云平臺是整個方案的數(shù)據(jù)處理中心，它接收采集數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)處理，生成最優(yōu)的施肥、灌溉方案，同時可以將方案下發(fā)到控制中心，指導(dǎo)智慧灌溉。智能水肥一體化系統(tǒng)是整個方案的執(zhí)行系統(tǒng)，主要由核心控制器、數(shù)據(jù)采集單元、灌溉控制單元及肥料控制單元組成。核心控制器是整個水肥一體化系統(tǒng)的控制中心，它負責將采集數(shù)據(jù)上傳到云平臺，也負責接收云平臺計算生成的最優(yōu)施肥、灌溉方案，解析執(zhí)行灌溉、施肥計劃。數(shù)據(jù)采集單元負責將當前種植物的實時墑情、氣象等數(shù)據(jù)采集并上傳到核心控制器，核心控制器再上傳至云服務(wù)器。灌溉控制單元主要負責泵閥等的開關(guān)，進而精準控制灌溉用水量。肥料控制單元主要負責肥料的配比、混合、投放等施肥工序的執(zhí)行，進而達到精準施肥的目的。

2 水肥一體化技術(shù)實現(xiàn)

2.1 核心控制器工作原理

核心控制器由主控模塊、無線LoRa模塊、4G移動通信模塊、視頻采集模塊、分控制器控制模塊等組成。核心控制器主控模塊負責協(xié)調(diào)各個模塊之間的運行；無線LoRa模塊負責與無線分控制器進行通信；4G移動通信模塊主要是通過4G網(wǎng)絡(luò)與智慧灌溉云平臺通信；視頻采集模塊負責采集視頻信息，并上傳至智慧灌溉云平臺；分控制器主要由標準化傳感器接口模塊、無線LoRa模塊、繼電器模塊、485模塊等組成；分控制器主控模塊負責協(xié)調(diào)各個模塊之間的運行；傳感器接口模塊主要用于采集各種傳感器數(shù)據(jù)；無線LoRa模塊負責與核心控制器通過無線通信；繼電器模塊負責核心控制器下發(fā)命令的執(zhí)行。

2.2 核心控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

核心控制器主要由核心控制單元、移動通信單元、無線組網(wǎng)單元、數(shù)據(jù)采集單元、外圍設(shè)備驅(qū)動單元、供電單元、數(shù)據(jù)存儲單元組成。核心控制單元負責解析并執(zhí)行用戶通過人機交互界面或者灌溉云平臺下發(fā)的灌溉計劃，進行灌溉過程控制，并對灌溉過程中的信息進行有效反饋，通過以太網(wǎng)、移動通信、無線LoRa將信息上傳到灌溉云平臺或者下發(fā)到分控制器。

數(shù)據(jù)存儲單元包括內(nèi)部存儲單元與外部存儲單元兩部分。內(nèi)部存儲單元采用先進的串行FLASH芯片，能夠快速完成讀寫程序與數(shù)據(jù)。外部存儲單元采用外掛2T存儲硬盤，能夠?qū)σ曨l數(shù)據(jù)、灌溉計劃等進行存儲。

供電單元中，核心控制器采用交流220V/50Hz市電，然后，經(jīng)由開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成直流12 V電源，再通過電源轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵目刂颇K所需直流12 V電源的5 V、3.3 V、1.5 V、1.2 V等直流電源，進而完成對整個核心控制器的供電。

2.3 核心控制器工作流程

水肥一體智能灌溉設(shè)備的嵌入式軟件主要由Linux系統(tǒng)軟件和核心控制應(yīng)用軟件兩部分組成。Linux系統(tǒng)軟件為核心控制應(yīng)用軟件提供可靠的運行和操作支撐。核心控制應(yīng)用軟件由灌溉進程控制程序、多地塊水肥分配程序、灌溉云平臺通信程序、分控制器控制程序、人機交互程序和視頻采集程序組成。

1）灌溉進程控制程序。根據(jù)灌溉計劃或人機交互命令執(zhí)行灌溉流程，在灌溉過程中隨時向分控制器控制程序發(fā)送查詢和操作指令，整個灌溉程序可分為19個階段，直至灌溉完成。灌溉過程中，根據(jù)灌溉計劃生成輪灌組的信息，控制灌溉流程中不同狀態(tài)階段的執(zhí)行和跳轉(zhuǎn)。在施肥過程中，通過檢測傳感器的pH值、EC值自動調(diào)整施肥的濃度。

2）多地塊水肥分配程序。多地塊水肥分配程序是根據(jù)灌溉云平臺下發(fā)的灌溉方案，依據(jù)當前水源泵站的流量、水源水量、地塊支管流量、施肥量、灌水量、施肥配置比、作物類型、地塊分布等情況，將灌溉計劃分成最為合理的幾個灌溉組，把最優(yōu)的灌溉組交給執(zhí)行單元執(zhí)行灌溉計劃，以最高的效率完成灌溉施肥過程。

3）智能灌溉云服務(wù)通信程序。灌溉云平臺通信程序負責建立、保持、管理與灌溉云平臺的連接，實時接收云平臺下發(fā)的數(shù)據(jù)包，并解析出指令和數(shù)據(jù)內(nèi)容，分發(fā)給其他各單元，同時向其他各單元開放數(shù)據(jù)共享接口。

4）分控制器控制程序。分控制器控制程序主要創(chuàng)建一個事件服務(wù)器，同時監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)和串口，為請求連接的有線或無線分控制器程序建立對應(yīng)的連接，接收分控制器程序消息并解析，同時為其他單元開放數(shù)據(jù)共享接口，監(jiān)控各分控制器工作狀態(tài)。該事件服務(wù)器實現(xiàn)有線分控制器和無線分控制器的同時控制，為核心控制器安裝到復(fù)雜的地況提供有力保障。

5）人機交互程序。人機交互程序用于呈現(xiàn)人工操作界面。管理人員可通過操作界面對核心控制器進行硬件配置、分控制器配置和軟件參數(shù)配置等操作，可以在本地編輯、執(zhí)行自動灌溉計劃/手動灌溉操作流程，還可以執(zhí)行地塊信息管理、歷史數(shù)據(jù)查詢、傳感器數(shù)據(jù)實時查看、監(jiān)視視頻實時查看、回放視頻查看、灌溉計劃執(zhí)行狀態(tài)查看等功能。

6）視頻采集程序。視頻采集程序負責實時監(jiān)測作物的生長情況，查看設(shè)備的運行情況。視頻采集程序包括遠程云臺控制、視頻采集、視頻存儲、視頻回放等程序。

7）過濾控制程序。過濾控制程序負責檢測管道壓力變化情況，根據(jù)用戶設(shè)定的時間，控制過濾器進行反沖洗，保證灌溉的正常運行。

8）數(shù)據(jù)采集程序。數(shù)據(jù)采集程序主要由模擬量采集、數(shù)字量輸入、開關(guān)量輸出、RS485通信等程序組成。數(shù)據(jù)采集單元采用進口高精度芯片，能夠精確完成采集外部傳感器數(shù)據(jù)，檢測外部設(shè)備狀態(tài)，控制外部設(shè)備啟停。

2.4 智能水肥一體化系統(tǒng)工作模式

水肥一體智能灌溉管理設(shè)備具備三種工作模式：智能控制模式、定量控制模式和手動控制模式。

1）在智能控制模式下，水肥一體智能灌溉設(shè)備下載灌溉方案，設(shè)備按照灌溉方案要求自動控制設(shè)備各單元的運行，實現(xiàn)灌溉方案的精確執(zhí)行。

2）在定量控制模式下，以設(shè)備下載的水肥一體灌溉方案為基礎(chǔ)，通過設(shè)備的交互裝置設(shè)定灌溉水量、施肥量、灌溉時間等關(guān)鍵參數(shù)，滿足對灌溉方案微調(diào)的使用需要。

3）在手動控制模式下，在參照水肥一體灌溉方案的基礎(chǔ)上，通過操作按鈕人工控制水肥一體化設(shè)備進行灌溉施肥作業(yè)，滿足自主進行灌溉施肥的需要。

3 水肥一體化設(shè)備的應(yīng)用案例

萊蕪市致遠林果專業(yè)合作社位于辛莊鎮(zhèn)蔡店村，該合作社擁有林果基地200 hm2，依托高效節(jié)水灌溉示范項目，實施灌溉面積66.67 hm2，其中小管出流灌溉面積54.67 hm2，微噴灌面積12 hm2。在首部泵房內(nèi)安裝水肥一體智能管理設(shè)備一套，可同時控制8個地塊。

本文選取1.33 hm2蘋果（樹齡7年）、1.33 hm2（樹齡4年）進行試驗示范，蘋果、桃的目標產(chǎn)量分別為每公頃60 000 kg、37 500 kg，應(yīng)用水肥一體化智慧灌溉設(shè)備后，較常規(guī)大水漫灌方式節(jié)水22.7%～54.3%；施肥量合理控制，節(jié)肥23.3%～40.7%，增產(chǎn)6.4～9.9%，果實品質(zhì)得到有效提升。詳見表1和表2。

表1 折合每畝效益分析

表2 對蘋果、桃品質(zhì)的影響

4 結(jié)語

基于云服務(wù)的水肥一體智能灌溉設(shè)備實現(xiàn)了對作物種植環(huán)境、生長態(tài)勢信息的實時采集和數(shù)據(jù)上傳，能夠自動接收、解析和執(zhí)行云平臺推薦的水肥一體灌溉方案，并支持人工對方案進行優(yōu)化和參數(shù)調(diào)整。示范工程應(yīng)用實例表明，水肥一體智能灌溉設(shè)備不僅能大幅度降低用水、用肥和人工成本，而且可以提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，增加農(nóng)民收入，具有極大的推廣應(yīng)用價值。