金永奎,盛斌科,孫 竹,張 祎

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京 210014;2.江西沃邦農(nóng)業(yè)科技有限公司,江西 鷹潭 335000)

0 引言

我國(guó)水資源總量?jī)H為世界的6%,人均不足世界平均水平的1/4,嚴(yán)重短缺。每年農(nóng)業(yè)灌溉用水缺口超過300億m3,約有667萬hm2面積得不到有效灌溉[1-2]。主要糧食作物水分生產(chǎn)效率與發(fā)達(dá)國(guó)家相比僅為其1/2左右,存在較大差距。同時(shí),因化肥施用量過高,化肥利用率偏低。水肥已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸因素,因而大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、實(shí)施化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)及推廣普及水肥一體化技術(shù)是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[3-4]。根據(jù)農(nóng)業(yè)部《推進(jìn)水肥一體化實(shí)施方案(2016—2020年)》,到2020年水肥一體化技術(shù)推廣面積將達(dá)到1 000萬hm2,發(fā)展空間巨大。

近年來,隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,我國(guó)水肥一體化應(yīng)用面積已超過500萬hm2,灌溉形式主要以噴、滴灌為主,相配套的管控技術(shù)也得到一定的應(yīng)用,開發(fā)了多種灌溉和施肥控制系統(tǒng)[5]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的灌溉方式被自動(dòng)化、智能化的水肥管理模式替代[6-8],但目前一般仍以1個(gè)泵站為1個(gè)控制單元,或是建成投入較大的集中式信息化管理系統(tǒng),沒有快捷方便、投資小的管控平臺(tái)供操作管理[9-10]。隨著云端服務(wù)平臺(tái)和移動(dòng)端APP、微信小程序的出現(xiàn),控制方式轉(zhuǎn)向了管理平臺(tái)和移動(dòng)端[11-12]。本文在此基礎(chǔ)上開發(fā)了水肥一體化管控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了各個(gè)灌溉單元在田間或電腦端、移動(dòng)端的控制和管理,為水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

管控系統(tǒng)根據(jù)目前水肥一體化系統(tǒng)存在的不足,結(jié)合灌溉基礎(chǔ)理論和最新的管理技術(shù)手段,通過相關(guān)設(shè)備、管理系統(tǒng),對(duì)環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并做出決策和控制;用戶可通過多種方式實(shí)現(xiàn)查看和操作,達(dá)到了信息采集、傳輸、管理、決策和控制于一體的目的。

本系統(tǒng)分為3個(gè)部分:一是以水肥一體機(jī)為核心的田間管控單元,包括水肥一體機(jī)、過濾設(shè)備、管道、閥門、噴頭滴頭、田間控制設(shè)備和管控軟件等;二是以云端服務(wù)器為核心的管控平臺(tái),包括云端服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)站等;三是用戶使用端,包括通過Internet網(wǎng)連接的電腦和通過WIFI/4G等網(wǎng)絡(luò)連接的移動(dòng)設(shè)備(手機(jī)或PAD)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

管控系統(tǒng)以云端服務(wù)器作為管理核心,每個(gè)田間灌溉單元為管理對(duì)象,在電腦上通過網(wǎng)站、在移動(dòng)端設(shè)備通過微信小程序進(jìn)行查看和操作。田間灌溉單元配置1臺(tái)水肥一體機(jī),每臺(tái)水肥一體機(jī)有1個(gè)固定的設(shè)備號(hào),水肥一體機(jī)通過有線或無線管理本灌溉地塊內(nèi)的水泵、施肥泵、電磁閥、流量、壓力、環(huán)境傳感器等設(shè)備,并可在本地設(shè)置灌溉方式,通過決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)水肥一體化灌溉;同時(shí),把相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給云端服務(wù)器,用戶可通過各種終端設(shè)備進(jìn)行查詢,并可對(duì)各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

運(yùn)行過程中,系統(tǒng)通過各個(gè)傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌溉施肥情況,采集環(huán)境溫濕度、光照度、土壤溫濕度、EC值等參數(shù),自動(dòng)記錄、統(tǒng)計(jì)、分析灌溉、施肥和生產(chǎn)等數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、水肥一體機(jī)聯(lián)動(dòng),用戶根據(jù)數(shù)據(jù)分析對(duì)照作物生長(zhǎng)需要,在手機(jī)或電腦上遠(yuǎn)程操控灌溉設(shè)備,實(shí)施精準(zhǔn)灌溉和施肥。

圖1 管控系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由水肥一體機(jī)、田間控制部分、云端服務(wù)器、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等部分組成,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 水肥一體機(jī)

水肥一體機(jī)集成了灌溉泵、施肥泵、灌溉變頻器、施肥變頻器、觸摸屏和控制系統(tǒng),利用決策控制軟件對(duì)灌溉、施肥等操作進(jìn)行集中控制,結(jié)合各傳感器的數(shù)據(jù)分析,制定灌溉施肥計(jì)劃。設(shè)備具有本地手動(dòng)觸摸屏操作和通過電腦端、手機(jī)的遠(yuǎn)程控制雙重操作功能,能在異地通過電腦及手機(jī)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)灌溉水量、施肥濃度和施肥量的精準(zhǔn)控制。

采用變頻技術(shù)根據(jù)壓力、流量、EC等多參數(shù)對(duì)灌溉泵進(jìn)行綜合調(diào)控,實(shí)現(xiàn)按需定量精準(zhǔn)灌水?；谧兞孔⑷胧交旆始夹g(shù),按照設(shè)定的水肥比例和EC值,通過控制系統(tǒng)接受水肥信息反饋,通過智能PID對(duì)施肥量進(jìn)行無級(jí)控制,將肥液按設(shè)定的濃度穩(wěn)定、均勻、精準(zhǔn)輸出,實(shí)現(xiàn)水、肥在線自動(dòng)混合及濃度可控,達(dá)到對(duì)灌溉、施肥精準(zhǔn)控制的目的。

水肥一體機(jī)主要由灌溉系統(tǒng)、配肥系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和一體化殼體等部件組成,如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.進(jìn)水接口 2.控制系統(tǒng) 3.觸摸屏 4.一體化殼體 5.肥液箱 6.主管流量計(jì) 7.壓力傳感器 8.過濾器 9.EC傳感器 10.出水接口 11.施肥流量計(jì) 12.施肥泵 13.灌溉泵

2.2 田間控制部分

田間控制部分主要由田間控制器、電磁閥、傳感器及網(wǎng)關(guān)組成,如圖4所示。田間控制器及各傳感器由太陽(yáng)能供電系統(tǒng)提供電源,傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教镩g控制器,控制器接收后通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送到水肥一體機(jī),水肥一體機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地同時(shí)也上傳至云端服務(wù)器。數(shù)據(jù)由管控軟件自動(dòng)分析處理后做出決策,水肥一體機(jī)接收到服務(wù)器或本地程序發(fā)出的控制命令,打開對(duì)應(yīng)的電磁閥或執(zhí)行相關(guān)的操作。

圖4 田間灌溉單元結(jié)構(gòu)圖

2.3 云端服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)

云服務(wù)器(Elastic Compute Service, ECS)是一種簡(jiǎn)單高效、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的服務(wù)器,其管理方式比物理服務(wù)器更簡(jiǎn)單高效。用戶無需提前購(gòu)買硬件,即可迅速創(chuàng)建多臺(tái)云服務(wù)器。云服務(wù)器可以有效地解決傳統(tǒng)物理主機(jī)與VPS服務(wù)中存在的管理難度大、業(yè)務(wù)擴(kuò)展性弱的缺陷。

本文對(duì)選用的云服務(wù)器進(jìn)行了配置和軟件安裝,建立了圖5所示的云服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)。田間的灌溉單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過水肥一體機(jī)與服務(wù)器進(jìn)行通訊,云服務(wù)提供商通過ELB(負(fù)載均衡)選擇合適的服務(wù)器,服務(wù)器接受數(shù)據(jù)并分析,根據(jù)數(shù)據(jù)類型寫入數(shù)據(jù)庫(kù),管控軟件根據(jù)數(shù)據(jù)做出響應(yīng);在用戶端,用戶通過各種設(shè)備進(jìn)行查詢或操作,用戶的申請(qǐng)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)到達(dá)服務(wù)器端,服務(wù)器根據(jù)具體申請(qǐng)內(nèi)容,調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)并呈現(xiàn)在用戶界面上,同時(shí)把運(yùn)行指令發(fā)送至水肥一體機(jī),控制田間設(shè)備運(yùn)行。云端采用HTTP方式,以網(wǎng)站和微信小程序框架為基礎(chǔ),構(gòu)建設(shè)備交互平臺(tái)。

圖5 云服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

2.4 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及無線通信技術(shù)蓬勃發(fā)展,出現(xiàn)了各種標(biāo)準(zhǔn)的無線數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn),它們各有優(yōu)缺點(diǎn)和不同的應(yīng)用場(chǎng)合。本系統(tǒng)利用現(xiàn)有的各種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景,選擇不同的數(shù)據(jù)傳輸方式。

田間每個(gè)灌溉地塊內(nèi)部各設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee或WiFi方式,可以自己組網(wǎng),使用方便、費(fèi)用低;每個(gè)灌溉單元與云端服務(wù)器間采用4G網(wǎng)絡(luò)或有線寬帶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,網(wǎng)絡(luò)成熟,傳輸速度快、可靠性高;用戶終端根據(jù)用戶的具體情況,采用有線(寬帶)、無線(4G、WiFi)方式與服務(wù)器連接。

3 應(yīng)用程序開發(fā)

3.1 水肥一體化控制系統(tǒng)程序

水肥一體機(jī)的主要功能是灌溉和施肥,在實(shí)際使用時(shí)分兩種情況:一種是只灌溉,不需要施肥;一種是按一定比例水肥同施。因而,要針對(duì)這兩種情況分別編制不同的控制流程和程序。

灌溉分為手動(dòng)模式和時(shí)間模式:在手動(dòng)模式下,可直接打開和關(guān)閉選定的田間電磁閥進(jìn)行灌溉,在調(diào)試設(shè)備或臨時(shí)使用時(shí)也可采用。在時(shí)間模式下,先設(shè)定各電磁閥的開啟時(shí)間和灌溉時(shí)長(zhǎng),系統(tǒng)自動(dòng)開啟和關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制;也可配置各種傳感器,配合決策模型實(shí)現(xiàn)智能化灌溉。

施肥一般采用三段法,即灌水、施肥、灌水,有利于肥液均勻分布且灌溉管路中無殘留。先選擇需施肥電磁閥,設(shè)定灌水時(shí)間、灌水壓力、施肥時(shí)間、施肥比例等各項(xiàng)參數(shù),程序即可自動(dòng)運(yùn)行,可根據(jù)灌溉流量自動(dòng)調(diào)節(jié)施肥流量,自動(dòng)保持設(shè)定的比例,達(dá)到變量同比例施肥,能滿足不同作物、不同生育期水肥多樣化需求。圖6為灌溉施肥控制流程。

圖6 灌溉施肥控制流程圖

3.2 網(wǎng)站程序開發(fā)

系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu),在用戶端采用瀏覽器方式,負(fù)責(zé)接收用戶通過Internet網(wǎng)絡(luò)訪問、輸入及控制命令的發(fā)送、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取等,在服務(wù)器端通過網(wǎng)絡(luò)為瀏覽器提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求建成了一個(gè)面向管理人員和用戶的網(wǎng)站。管理人員可通過網(wǎng)站發(fā)布設(shè)備相關(guān)信息、管理用戶權(quán)限和設(shè)備數(shù)據(jù);用戶通過網(wǎng)站可瀏覽信息、查看設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)和對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。

3.3 手機(jī)端微信小程序

針對(duì)移動(dòng)終端APP軟件存在平臺(tái)通用性差、安裝繁瑣等問題,開發(fā)了基于微信系統(tǒng)的應(yīng)用小程序,用戶在微信內(nèi)下載安裝后經(jīng)過授權(quán)即可實(shí)現(xiàn)查詢和操作功能。

微信小程序需申請(qǐng)域名和微信公眾號(hào)才能建立。首先進(jìn)入微信公眾平臺(tái)注冊(cè)并認(rèn)證,通過認(rèn)證后獲得一個(gè)微信公眾號(hào),然后進(jìn)行配置。小程序必須設(shè)置合法域名才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,且規(guī)定需要使用HTTPS協(xié)議。在域名申請(qǐng)好后,配置云服務(wù)器支持HTTPS協(xié)議,并根據(jù)需要在小程序基礎(chǔ)上開發(fā)相關(guān)界面和功能。以下為用戶登錄小程序的程序語句。

//app.js App({

onLaunch: function () {

//調(diào)用API獲取阿里云數(shù)據(jù)

var logs = wx.getStorageSync('logs') || []

logs.unshift(Date.now())

wx.setStorageSync('logs', logs)

},

getUserInfo:function(cb){

var that = this;

if(this.globalData.userInfo){

typeof cb == "function" &&cb(this.globalData.userInfo)

}else{

//登錄接口

wx.login({

success: function () {

wx.getUserInfo({

success: function (res) {

that.globalData.userInfo = res.userInfo;

typeof cb == "function"

&& cb(that.globalData.userInfo)

}

})

}

});

}

},

globalData:{

userInfo:null

}

})

用戶在微信的小程序菜單里搜索打開即可使用,不需要下載和安裝。圖7為微信小程序的首頁(yè)界面,可了解產(chǎn)品等相關(guān)信息。

對(duì)于已安裝水肥一體機(jī)的用戶,可點(diǎn)擊“我的設(shè)備”進(jìn)入設(shè)備添加頁(yè)面,如圖8所示。管理員審核授權(quán)后,用戶就可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理和操作。

圖7 小程序首頁(yè)界面

圖8 添加設(shè)備界面

點(diǎn)擊設(shè)備,查看設(shè)備和相關(guān)傳感器的參數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),可對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,對(duì)水泵和電磁閥開啟和停止控制。通過微信小程序,在手機(jī)上就可完成監(jiān)測(cè)和控制,方便快捷。圖9為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)界面,圖 10為參數(shù)設(shè)置界面,圖11為設(shè)備開關(guān)設(shè)置界面。

圖9 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)界面

圖10 參數(shù)設(shè)置界面

圖11 設(shè)備開關(guān)設(shè)置界面

4 管控系統(tǒng)田間應(yīng)用

2018年春季,在江西鷹潭余江蘆筍種植基地進(jìn)行了安裝應(yīng)用。該基地蘆筍種植面積約15hm2,采用水肥一體化管控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了灌溉施肥全程自動(dòng)化、智能化,讓蘆筍基地精準(zhǔn)肥水管理成為現(xiàn)實(shí)。圖12為水肥一體機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng),圖13為蘆筍滴灌系統(tǒng)。目前,設(shè)備運(yùn)行良好。傳統(tǒng)灌溉方式(漫灌)每次需灌水450m3/hm2,而采用管控系統(tǒng)的滴灌方式每次僅灌溉150m3/hm2,可節(jié)水60%以上;施肥可用水溶肥并能精確控制比例,采用少量多次的方法,肥效利用率大幅提高,顯著減少了肥料的用量,與原有施肥相比費(fèi)用可節(jié)省50%以上;采用該系統(tǒng)灌溉施肥,通過在水肥一體機(jī)上的觸摸屏或手機(jī)操作,只需1人即可完成,節(jié)省人工80%以上,而產(chǎn)量和品質(zhì)均有提高,效益有較大提升,1年就可收回設(shè)備投入,取得了很好的效果。

目前,管控平臺(tái)已接入100多臺(tái)水肥一體機(jī),分布在7個(gè)省,控制100多個(gè)地塊的灌溉施肥系統(tǒng)運(yùn)行,總面積達(dá)到1500多hm2,應(yīng)用狀況良好。

圖12 水肥一體機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)

圖13 蘆筍滴灌系統(tǒng)

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的水肥一體化管控系統(tǒng)將傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)與智能控制技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合,包括水肥一體機(jī)、田間控制系統(tǒng)和以云端服務(wù)器為核心的管控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)水肥一體化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程查看、操作、控制和維護(hù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了田間各種數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)直觀顯示及智能決策,提高了水肥控制的精準(zhǔn)度,同時(shí)可完成多個(gè)灌溉單元的集中操作和管理,節(jié)省人工。應(yīng)用表明,系統(tǒng)可以節(jié)省大量人力、物力和水資源,通過精準(zhǔn)灌溉、科學(xué)規(guī)范化施肥,提高了水肥利用率,減少了化肥農(nóng)藥施肥量,有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全,提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。