韓衛(wèi)華

(山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原030031)

0 引言

水是作物生存之源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必要條件；肥料是農(nóng)作物增產(chǎn)增量的關(guān)鍵保證。我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)傳統(tǒng)的灌溉施肥方式浪費(fèi)大量的水肥資源，引起環(huán)境污染、資源浪費(fèi)和農(nóng)產(chǎn)品安全等問(wèn)題，制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

我國(guó)在水肥一體化技術(shù)智能灌溉系統(tǒng)方面的研究起步較晚，缺乏科學(xué)化、智能化和信息化管理。山西省近幾年掀起了溫室大棚設(shè)施蔬菜建設(shè)高潮，但缺乏有效的配套技術(shù)服務(wù)，溫室大棚機(jī)械化作業(yè)和自動(dòng)控制技術(shù)裝備水平低，降低了山西溫室大棚設(shè)施蔬菜競(jìng)爭(zhēng)力。推廣應(yīng)用智能水肥一體化技術(shù)，提高蔬菜質(zhì)量、產(chǎn)量和競(jìng)爭(zhēng)力顯得尤為重要[2-3]。

在借鑒PLC、LORA物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的水肥一體機(jī)進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)，研制出智能水肥機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)裝備，使水肥一體化技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效結(jié)合提高水肥利用率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田精準(zhǔn)施肥灌溉[4]。

1 研究?jī)?nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 研究?jī)?nèi)容

在現(xiàn)有水肥一體機(jī)功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，水肥一體化關(guān)鍵技術(shù)裝備智能控制系統(tǒng)采用遠(yuǎn)傳型浮子流量計(jì)與定制的微型電動(dòng)閥精準(zhǔn)控制水肥的流量，實(shí)現(xiàn)水肥定時(shí)定量自動(dòng)化控制；增加高效混合設(shè)備混肥腔，達(dá)到良好分散和充分混合的目的；控制系統(tǒng)采用PLC技術(shù)與觸摸屏技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)交互界面；結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)土壤信息、環(huán)境信息的無(wú)線傳輸采集，利用手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)指導(dǎo)施肥灌溉作業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能化、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)管理。引進(jìn)的設(shè)備如圖1所示，改進(jìn)后的設(shè)備如圖2所示。

圖1 引進(jìn)設(shè)備Fig.1 Imported equipment

圖2 改進(jìn)后設(shè)備Fig.2 Improved equipment

1.2 解決的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1關(guān)鍵技術(shù)

水肥一體化是一項(xiàng)綜合技術(shù)，涉及農(nóng)田灌溉、作物栽培和土壤耕作等多方面的農(nóng)業(yè)技術(shù)。水肥一體機(jī)設(shè)備主要由首部樞紐系統(tǒng)、水肥一體機(jī)、管道系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。

引進(jìn)設(shè)備改進(jìn)后控制系統(tǒng)采用PLC技術(shù)與觸摸屏技術(shù)相結(jié)合，灌溉施肥采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、傳感器等技術(shù)，利用無(wú)線傳輸，對(duì)農(nóng)田土壤信息、環(huán)境信息和設(shè)備工作狀態(tài)等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集傳輸，結(jié)合土壤濕度值和水肥的EC值、pH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程或現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的運(yùn)行，大大提高作物灌溉施肥效率[5]。水肥一體化關(guān)鍵技術(shù)裝備智能控制系統(tǒng)首部系統(tǒng)連接示意如圖3所示。

圖3 水肥一體化關(guān)鍵技術(shù)裝備智能控制系統(tǒng)首部系統(tǒng)連接示意Fig.3 Connection diagram of head system of intelligent control system for key technology equipment of water and fertilizer integration

1.2.2改進(jìn)后設(shè)備性能參數(shù)

改進(jìn)后的設(shè)備主要性能參數(shù)：吸肥通道4個(gè)；最大吸肥量18～480 L/h；無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間≥1 000 h。

1.2.3改進(jìn)的關(guān)鍵部件

(1)混肥腔是一種沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的高效混合設(shè)備，是先進(jìn)的混合器，通過(guò)固定在管內(nèi)的混合單元體使多股流體產(chǎn)生切割、剪切和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而起到混合作用?；旆是辉谒蕶C(jī)的應(yīng)用使得肥料與水進(jìn)行良好分散和充分混合，避免肥料的不均勻與沉淀。混肥腔如圖4所示。

圖4 混肥腔Fig.4 Mixed fertilizer cavity

(2)采用遠(yuǎn)傳信號(hào)輸出型浮子流量計(jì)與微型電動(dòng)閥，結(jié)合文丘里施肥器完成肥料的輸送、計(jì)量和調(diào)節(jié)功能,達(dá)到精準(zhǔn)控制施肥濃度，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程的目的[6]。水肥一體機(jī)的4個(gè)通道可以將4種不同肥料按準(zhǔn)確比例輸入工藝流程中進(jìn)行混合。浮子流量計(jì)及電動(dòng)閥如圖5所示。

圖5 浮子流量計(jì)及電動(dòng)閥Fig.5 Float flowmeter and electric valve

(3)物聯(lián)網(wǎng)的主要功能是基于互聯(lián)網(wǎng)的所有事物的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息交換和通訊。物聯(lián)網(wǎng)就是把各種傳感器、信息處理器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合成一個(gè)有機(jī)整體，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)感知、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)分析與決策的智能管理。

隨著傳感技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，利用各種傳感器來(lái)監(jiān)控種植區(qū)內(nèi)的溫度、濕度、光照、土壤濕度、土壤溫度和CO2濃度等影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)，采用LORA通訊技術(shù)獲取數(shù)據(jù)并快速安全地?zé)o線傳送到信息決策層，再將大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合智能化分析，通過(guò)系統(tǒng)或者手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制種植區(qū)內(nèi)的施肥機(jī)、水泵、閥門和加熱等設(shè)備的操作，為用戶提供最佳灌溉施肥方案[7-10]。物聯(lián)網(wǎng)控制模塊如圖6所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)控制模塊Fig.6 Internet of things control module

在借鑒PLC、LORA窄帶物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成一套具有物聯(lián)網(wǎng)功能的智能水肥一體化裝備。物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，對(duì)溫室大棚中的環(huán)境信息和土壤信息數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸監(jiān)測(cè)，為精確配肥、自動(dòng)控制提供依據(jù)，也為大棚內(nèi)農(nóng)機(jī)具作業(yè)提供便利的工作環(huán)境[11]。設(shè)備改進(jìn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 設(shè)備改進(jìn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Equipment improvement test site

改進(jìn)后的智能水肥一體機(jī)具有較為先進(jìn)的功能，可滿足個(gè)性化需求；自動(dòng)化程度高，配置多種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可根據(jù)環(huán)境狀況、土壤墑情實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，精準(zhǔn)控制肥料濃度；有多個(gè)供肥通道，除一次性補(bǔ)充所有營(yíng)養(yǎng)元素外，還可根據(jù)需要添加酸或堿調(diào)節(jié)pH值，根據(jù)作物需要及時(shí)供水供肥；省水省肥省工，節(jié)約生產(chǎn)成本。智能水肥一體機(jī)設(shè)備還具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能，方便查詢，為后續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化生產(chǎn)管理積累參考數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

水肥一體化關(guān)鍵技術(shù)裝備智能控制系統(tǒng)裝備安裝于晉中市榆次區(qū)東陽(yáng)鎮(zhèn)北席村進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)前，檢查水泵、過(guò)濾器、壓力及流量監(jiān)測(cè)設(shè)備、壓力保護(hù)裝置、水肥一體機(jī)設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備連接的可靠性、系統(tǒng)的完整性。根據(jù)實(shí)際種植作物及灌溉作業(yè)，通過(guò)操作觸摸屏按照設(shè)定的配方、攪拌時(shí)間的長(zhǎng)短、EC/pH值的上下限、灌溉過(guò)程參數(shù)，自動(dòng)控制灌溉量、吸肥量、肥液濃度和酸堿度等水肥過(guò)程中的重要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉、施肥的定時(shí)、定量控制。確定無(wú)誤后開啟總開關(guān)進(jìn)行試驗(yàn)。智能水肥一體機(jī)控制系統(tǒng)田間布局如圖8所示。

圖8 智能水肥一體機(jī)控制系統(tǒng)田間布局Fig.8 Field layout of intelligent water and fertilizer machine control system

按照試驗(yàn)大綱規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目順序進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)大綱中所要求的指標(biāo)進(jìn)行記錄。設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：注肥通道4個(gè)；主泵功率3 kW，揚(yáng)程32 m，流量10 m3/h；施肥機(jī)泵功率1.5 kW，揚(yáng)程56 m，流量4 m3/h。

當(dāng)設(shè)定施肥機(jī)流量為350 L/h時(shí)，主路流量為8.57 m3/h，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，施肥機(jī)1#、2#、3#、4#通道的流量數(shù)值與設(shè)定值相差≤1%，EC值準(zhǔn)確度≤10%，pH值準(zhǔn)確度±0.1,施肥機(jī)每個(gè)通道流量最大可達(dá)600 L/h，完全符合設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，改進(jìn)后的智能水肥一體機(jī)設(shè)備比傳統(tǒng)施肥機(jī)節(jié)水30%以上、省肥30%～50%；自動(dòng)化、智能化水平提高，節(jié)約勞動(dòng)力60%左右。關(guān)鍵技術(shù)裝備智能控制系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)性能基本達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求，第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)表明，其技術(shù)性能指標(biāo)完全符合技術(shù)任務(wù)書的要求。

3 存在問(wèn)題及改進(jìn)建議

3.1 存在問(wèn)題

我國(guó)在智能水肥一體化領(lǐng)域取得了一定成效，但是目前國(guó)內(nèi)研制的眾多水肥一體化智能配肥控制系統(tǒng)裝備還存在以下問(wèn)題。

(1)本項(xiàng)目中的傳感器或者控制器均采用無(wú)線傳輸，解決了種植分布廣、監(jiān)測(cè)點(diǎn)多及布線困難的問(wèn)題，但由于資金欠缺，沒(méi)有形成統(tǒng)一便捷的信息交互平臺(tái)。

(2)試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)水肥一體機(jī)調(diào)節(jié)水肥EC值和pH值過(guò)程中存在非線性、時(shí)變性、時(shí)滯性和不確定因素等問(wèn)題，影響灌溉施肥的精準(zhǔn)度，對(duì)EC值、pH值的控制模型有待進(jìn)一步研究。

(3)滴灌噴頭容易堵塞。水肥一體化技術(shù)對(duì)肥料有較高的要求，目前國(guó)內(nèi)使用的水溶性肥料常含有過(guò)磷酸鈣等雜質(zhì)，易堵塞滴灌噴頭，影響灌溉設(shè)備正常運(yùn)行。

3.2 改進(jìn)建議

(1)智能水肥一體化技術(shù)是多學(xué)科、多技術(shù)相互結(jié)合的系統(tǒng)，將傳感技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)和農(nóng)藝技術(shù)等眾多關(guān)鍵技術(shù)相融合，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、利用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建統(tǒng)一便捷的信息交互平臺(tái)。

(2)針對(duì)調(diào)節(jié)水肥EC值和pH值過(guò)程的非線性、時(shí)變性和時(shí)滯性等問(wèn)題，簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)自抗擾控制器并進(jìn)行改進(jìn)[12-13]。

(3)加強(qiáng)肥料研究，研發(fā)適合水肥一體化技術(shù)應(yīng)用的水溶性肥料。

4 結(jié)束語(yǔ)

引進(jìn)一套智能水肥一體機(jī)設(shè)備，在借鑒PLC、LORA窄帶物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，將傳感技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)和農(nóng)藝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)相融合，使其成為適合設(shè)施農(nóng)業(yè)的高精度、具有物聯(lián)網(wǎng)功能的智能水肥一體化裝備，實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量自動(dòng)化控制水肥，提高作物品質(zhì)。改進(jìn)后的水肥一體化關(guān)鍵技術(shù)裝備智能控制系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)性能基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，通過(guò)了第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)。改進(jìn)后的智能水肥一體機(jī)設(shè)備比傳統(tǒng)施肥機(jī)節(jié)水30%以上、省肥30%～50%；自動(dòng)化、智能化水平提高，節(jié)約勞動(dòng)力60%左右。

水肥一體化關(guān)鍵技術(shù)裝備的推廣與實(shí)施，符合我國(guó)當(dāng)前對(duì)節(jié)能減排、生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展要求，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化智能控制系統(tǒng)裝備在我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景。