李 爽，崔翀翔，陳奕萌，繆 宏，胡小琴，徐 杰，楊 錚

（1.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000；3.江蘇德利爾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司，江蘇 宿遷 223800）

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)水資源缺乏的國(guó)家，農(nóng)業(yè)灌溉用水約占總用水量的60%，化肥用量占世界的35%，平均單位面積化肥用量是世界平均的4倍，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)污染占全部污染的47%,農(nóng)業(yè)化肥的利用率低，僅為30%，相比發(fā)達(dá)國(guó)家低20%，在農(nóng)業(yè)中過(guò)度投入化肥所造成的生態(tài)環(huán)境污染、土壤板結(jié)、作物減產(chǎn)已經(jīng)制約我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展。水肥一體化灌溉系統(tǒng)節(jié)水節(jié)肥、節(jié)省成本、減少溫室氣體排放、增加施肥效用，是現(xiàn)代溫室農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域必備裝置和必然選擇，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

溫室水肥一體化技術(shù)是根據(jù)作物不同生育期實(shí)際的需水需肥規(guī)律而進(jìn)行科學(xué)灌溉施肥的技術(shù)。傳統(tǒng)大田漫灌方式導(dǎo)致水肥混合不均勻，營(yíng)養(yǎng)肥液易被水流沖刷到大田一側(cè)，造成作物施肥不均勻現(xiàn)象，制約著農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化、集約型和持續(xù)性方向發(fā)展。水肥一體化設(shè)備可對(duì)水肥混合液進(jìn)行科學(xué)比例調(diào)控，使水和母液以預(yù)期比例均勻混合，解決施肥不均勻問(wèn)題。

1 裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

溫室水肥一體化智能灌溉管控裝置主要由視覺(jué)傳感器、溫度傳感器、pH 值傳感器、EC 值傳感器、微機(jī)系統(tǒng)、攪拌桿、調(diào)配箱、水泵、灌溉噴頭和單片機(jī)組成。微機(jī)系統(tǒng)位于溫室內(nèi)壁，與各個(gè)傳感器相連；攪拌桿、調(diào)配箱和水泵位于溫室外部；灌溉噴頭位于溫室上方。

1.2 工作原理

通過(guò)視覺(jué)傳感器、溫度傳感器、pH 值傳感器、EC 值傳感器對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行信息采集，向微機(jī)系統(tǒng)輸入相關(guān)信息。微機(jī)系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，根據(jù)多種地域土壤和設(shè)施果蔬種類組合成復(fù)雜交錯(cuò)的數(shù)據(jù)庫(kù)，決策出最佳水肥配比灌溉方案。根據(jù)提供的水肥配液方案，水肥在調(diào)配箱中均勻混合，再通過(guò)水泵將配比好的水肥輸送到灌溉噴頭從而達(dá)到對(duì)農(nóng)作物施肥的目的。實(shí)施過(guò)程中微機(jī)系統(tǒng)根據(jù)溫室植物工廠中環(huán)境實(shí)時(shí)顯示作物生長(zhǎng)狀態(tài)、溫度、液位、pH 值、EC 值等信息，并變更配比灌溉策略，從而實(shí)現(xiàn)溫室植物智能管控水肥實(shí)施作業(yè)的優(yōu)化調(diào)控與節(jié)肥增效的目標(biāo)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

適用于溫室環(huán)境下的水肥一體化智能管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示，系統(tǒng)主要由電源、上位機(jī)、下位機(jī)和手機(jī)APP 組成。系統(tǒng)所用電源為直流轉(zhuǎn)換器，將220V 家用交流電轉(zhuǎn)換為直流隔膜所需的直流電，根據(jù)隔膜泵的工作參數(shù)，選用性能穩(wěn)定的直流轉(zhuǎn)換器可有效保護(hù)控制電路。上位機(jī)是基于樹(shù)莓派3B 開(kāi)發(fā)板所研發(fā)的調(diào)價(jià)控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)人機(jī)交互控制、濕潤(rùn)時(shí)間控制、水肥混合比例調(diào)節(jié)控制、施肥時(shí)間控制和清洗時(shí)間控制等。下位機(jī)是基于Arduino 開(kāi)發(fā)板的水速和肥速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為上位機(jī)運(yùn)行各個(gè)控制階段的控制算法提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。下位機(jī)也是手機(jī)APP 與上位機(jī)通信的中間設(shè)備，負(fù)責(zé)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 上位機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

上位機(jī)以樹(shù)莓派3B 為控制核心的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，硬件組成包括樹(shù)莓派3B、調(diào)速控制模塊、直流隔膜泵、繼電器、蜂鳴器、矩陣按鍵鍵盤(pán)、LCD1602液晶顯示屏、導(dǎo)線、杜邦線。上位機(jī)利用上述硬件模塊完成灌溉施肥任務(wù)控制，具體控制過(guò)程為：上位機(jī)控制通過(guò)控制矩陣按鍵鍵盤(pán)或接收APP 所發(fā)送的數(shù)據(jù)以獲取總的灌溉水量和肥量，通過(guò)所獲取的灌溉水量和肥量計(jì)算施肥過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)水肥比例。系統(tǒng)根據(jù)在潤(rùn)濕階段所獲取的水速，計(jì)算出期望肥速并判斷該值是否在系統(tǒng)可調(diào)控范圍內(nèi)，若肥速可調(diào)控，系統(tǒng)將計(jì)算潤(rùn)濕溫室土壤環(huán)境所占用的時(shí)間，該時(shí)間段過(guò)后，系統(tǒng)通過(guò)控制直流隔膜泵開(kāi)啟施肥過(guò)程，根據(jù)實(shí)時(shí)水肥比例與標(biāo)準(zhǔn)水肥比例之間的誤差，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)速模塊調(diào)控直流隔膜泵的施肥速率，直至兩者之間的誤差達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)置的誤差范圍。