李合營(yíng)，張同心，劉海法，宋成秀，陳立利，李圣文

（1.山東鋒士信息技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南 250100；2.水發(fā)智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司，山東濟(jì)南 250100；3.水發(fā)集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250100））

0 引言

水肥一體化技術(shù)在提高水肥利用率、降低勞動(dòng)力成本等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，我國(guó)自1975年試驗(yàn)研究、示范應(yīng)用以來(lái)，尤其在“一控二減三基本”政策強(qiáng)制要求下，已在多種作物生產(chǎn)中得到大面積推廣應(yīng)用[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息技術(shù)發(fā)展，水肥一體化系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化管控成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[2-8]。當(dāng)前我國(guó)水肥一體化技術(shù)體系中，管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建設(shè)較為薄弱，平臺(tái)功能大多比較簡(jiǎn)單，如查看機(jī)器狀態(tài)、直接控制機(jī)器開(kāi)關(guān)等，少數(shù)實(shí)現(xiàn)了完整的用戶(hù)和權(quán)限管理，鮮有提供線上預(yù)設(shè)水肥計(jì)劃和策略或是根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值自動(dòng)計(jì)算和分配水肥的功能，不能有效提升水肥一體化技術(shù)的管控水平[9-11]。本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于阿里云的智能水肥一體化智能裝備及管控系統(tǒng)，擁有完善的機(jī)構(gòu)、用戶(hù)、溫室、機(jī)器和權(quán)限管理功能，專(zhuān)家可以線上幫助農(nóng)戶(hù)預(yù)設(shè)水肥計(jì)劃和策略，并通過(guò)實(shí)時(shí)采集分析土壤、環(huán)境等數(shù)據(jù)再結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，計(jì)算和分配水肥，提高水肥一體化技術(shù)的全方位自動(dòng)化和智能化管理水平。

1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究中的架構(gòu)設(shè)計(jì)參考了經(jīng)典的三層架構(gòu)：數(shù)據(jù)訪問(wèn)層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）、表現(xiàn)層（UI），并結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層的架構(gòu)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)備主要結(jié)構(gòu)包括：肥料制備單元、注肥單元、輪灌控制單元和水肥核心控制單元。

2.1 肥料制備單元

負(fù)責(zé)將施肥所需的原料（水溶性）進(jìn)行充分溶解，主要設(shè)備包括：肥料桶、攪拌器和液位開(kāi)關(guān)。其中，肥料桶用于儲(chǔ)存肥料原料；攪拌器負(fù)責(zé)加快肥料原料溶解速度；液位開(kāi)關(guān)包含上限和下限兩處，用于采集液位極限信號(hào)。

2.2 注肥單元

負(fù)責(zé)將肥液按照系統(tǒng)要求的稀釋比、施肥量和施肥時(shí)長(zhǎng)，注入灌溉水中，主要設(shè)備包括：施肥泵、射流器、脈沖電動(dòng)閥、EC傳感器。其中，施肥泵負(fù)責(zé)提供灌溉及注肥所需的壓力和流量；射流器用于將肥液從肥料桶輸送至調(diào)蓄水箱；脈沖電動(dòng)閥用于控制肥液流量。

2.3 輪灌控制單元

負(fù)責(zé)按照要求的輪灌順序，對(duì)相應(yīng)的大棚閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，主要設(shè)備包括：電磁閥和無(wú)線控制器。電磁閥負(fù)責(zé)灌溉控制。對(duì)于適合布線的場(chǎng)景，采用電纜對(duì)閥門(mén)進(jìn)行控制；對(duì)于不適合布線且距離不超過(guò)2 km的場(chǎng)景，采用無(wú)線LORA控制器對(duì)閥門(mén)進(jìn)行控制。

2.4 水肥核心控制單元

核心控制單元是整個(gè)智慧灌溉系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)灌溉流程、灌溉設(shè)備及周邊配套儀表傳感器進(jìn)行統(tǒng)一管理。核心控制器主要結(jié)構(gòu)包括：主控模塊、通信模塊、輸入輸出模塊、擴(kuò)展模塊、人機(jī)交互模塊等部分。

3 主要參數(shù)

1）額定流量：根據(jù)前期調(diào)研和工程實(shí)踐，單個(gè)地塊灌溉最大流量為35 m3/h，設(shè)計(jì)額定流量為40 m3/h。

2）額定壓力：根據(jù)滴灌帶工作壓力：50～300 kPa要求，設(shè)計(jì)額定壓力0.4 MPa。

3）輪灌組數(shù)：按照每天最多輪灌3個(gè)地塊、灌溉周期最短6天計(jì)算，輪灌組數(shù)最大18個(gè)，設(shè)計(jì)支持20個(gè)輪灌組。

4）肥料桶容積：根據(jù)研究數(shù)據(jù)，單個(gè)肥料桶肥液平均最大用肥量為50 kg/667m2，按照每天最多輪灌3個(gè)地塊，同時(shí)考慮盡量減小占地面積，兼顧肥料制備頻率不要過(guò)高，設(shè)計(jì)肥料桶容積為1 m3，管理常規(guī)100 m長(zhǎng)度的溫室時(shí)，肥料制備的周期為7天。

5）注肥流量：管理地塊面積最大為3333.33 m2，單種肥料最大用量15 kg/667m2，5倍稀釋?zhuān)瑔未喂喔仁┓首疃虝r(shí)間1 h計(jì)算，最大注肥量為375 L/h。

4 工作流程

4.1 用戶(hù)注冊(cè)

設(shè)備安裝完成后，種植戶(hù)登錄智慧種植管理服務(wù)云平臺(tái)注冊(cè)，錄入用戶(hù)、水源、地塊、灌溉設(shè)施等基礎(chǔ)信息。信息錄入完成后，系統(tǒng)自動(dòng)將與灌溉相關(guān)的信息同步到對(duì)應(yīng)的水肥一體化管理設(shè)備。

用戶(hù)信息包括：種植戶(hù)姓名、身份證號(hào)、手機(jī)號(hào)、項(xiàng)目區(qū)位置。

泵站信息包括：泵站編號(hào)、水源類(lèi)型、出口壓力、額定流量、水泵功率。

地塊信息包括：地塊編號(hào)、所屬泵站、地塊面積、灌溉方式、滴頭流量、滴頭間距、滴灌帶平均間距、測(cè)土配方數(shù)據(jù)、作物類(lèi)型、作物品種、種植時(shí)間。

輪灌閥門(mén)信息包括：閥門(mén)編號(hào)、閥門(mén)規(guī)格、所屬地塊。

4.2 方案推送

在開(kāi)始灌溉前，智慧種植管理服務(wù)平臺(tái)分析生成水肥一體化灌溉方案，方案主要內(nèi)容包括：灌溉地塊編號(hào)、灌溉開(kāi)始時(shí)間、畝均灌水量、A肥畝均施肥量、B肥畝均施肥量、C肥畝均施肥量、D肥畝均施肥量，推送到種植戶(hù)手機(jī)，種植戶(hù)對(duì)灌溉方案進(jìn)行微調(diào)確認(rèn)后，平臺(tái)將灌溉方案下載到水肥一體化管理設(shè)備。

4.3 智慧灌溉

水肥一體化管理設(shè)備通過(guò)運(yùn)算，生成灌溉的詳細(xì)參數(shù)及流程，如：計(jì)算灌溉時(shí)長(zhǎng)、分配預(yù)灌時(shí)間、沖洗時(shí)間、計(jì)算施肥速度等，并在開(kāi)始灌溉后自動(dòng)控制相應(yīng)的水源、水肥機(jī)、輪灌閥門(mén)等設(shè)備，全自動(dòng)完成灌溉。

4.4 流程時(shí)間節(jié)點(diǎn)

1）設(shè)備安裝完成時(shí)，按要求登記基礎(chǔ)信息。

2）灌溉季開(kāi)始前，登記作物的種植信息。

3）灌溉開(kāi)始前3天，推送灌溉方案信息。

4）灌溉開(kāi)始前1天，推送灌溉方案，種植戶(hù)調(diào)整確認(rèn)。

5）灌溉開(kāi)始前1 h，要求種植戶(hù)確認(rèn)設(shè)施正常、電源正常、手閥位置正確。

6）灌溉開(kāi)始時(shí)間到達(dá)，水肥管理設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)水源，待入口壓力正常后啟動(dòng)水肥機(jī)；打開(kāi)輪灌1組閥門(mén)開(kāi)始預(yù)灌；預(yù)灌時(shí)間到達(dá)后，啟動(dòng)脈沖電動(dòng)閥開(kāi)始水肥一體化灌溉；水肥一體化灌溉結(jié)束后，關(guān)閉脈沖電動(dòng)閥，開(kāi)始沖洗管路；沖洗結(jié)束后，關(guān)閉輪灌1組閥門(mén)，灌溉輪灌1組灌溉結(jié)束，打開(kāi)輪灌2組閥門(mén)，按以上順序進(jìn)行輪灌2組灌溉，循環(huán)直至本次灌溉方案完成。

7）灌溉過(guò)程中出現(xiàn)報(bào)警、故障需要停機(jī)時(shí)，可暫停灌溉，通過(guò)手機(jī)通知用戶(hù)及時(shí)處理，用戶(hù)處理完成并確認(rèn)后，系統(tǒng)從中斷處開(kāi)始，重新灌溉。

5 主要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

5.1 核心控制器

使用公司現(xiàn)有水肥核心控制器，分階段實(shí)施。第一階段開(kāi)發(fā)期間通過(guò)PLC+觸摸屏進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，第二階段通過(guò)核心控制器（顯示設(shè)置）+PLC（控制調(diào)節(jié)）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，第三階段通過(guò)升級(jí)核心控制器，完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

根據(jù)通訊、輸入輸出點(diǎn)及程序容量，第一階段開(kāi)發(fā)期選擇S7200 smart系列的ST60作為原型開(kāi)發(fā)控制器，配套tpc1061ti觸摸顯示屏。

5.2 控制策略設(shè)計(jì)

精準(zhǔn)配方施肥機(jī)聯(lián)網(wǎng)智慧平臺(tái)工作，具體流程前已表述，水肥機(jī)程序的控制策略如下：

水肥機(jī)接收到的灌溉方案內(nèi)容示例：灌溉地塊2#、灌溉開(kāi)始時(shí)間10：00、均灌水量15 m3/667m2、純氮3.51 kg/667m2、純磷0.22 kg/667m2、純鉀0.25 kg/667m2，需微量元素肥0.3 kg/667m2（中微量元素與功能性肥料分別間隔使用）。

1）計(jì)算灌溉時(shí)長(zhǎng)T1：通過(guò)基礎(chǔ)信息調(diào)取2#地塊滴頭流量2 L/h、滴頭間距300 mm、滴灌帶平均間距0.8 m，灌溉時(shí)長(zhǎng)計(jì)算公式如下：

T1=Q1×L1×L2/（Q2×0.667）

式中，T1—灌溉時(shí)長(zhǎng)（h）；

Q1—平均灌水量（m3/667m2）；

L1—滴頭間距（m）；

L2—滴灌帶平均間距（m）；

Q2—滴頭流量（L/h）。

將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算出灌溉時(shí)長(zhǎng)為：T1=15×0.3×0.8/（2×0.667）=2.7 h。

2）計(jì)算施肥時(shí)長(zhǎng)T2：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取預(yù)灌時(shí)長(zhǎng)15 min、沖洗30 min，施肥時(shí)長(zhǎng)T2=1.95 h。

3）計(jì)算肥液養(yǎng)分濃度：A、B、C三個(gè)大量元素肥料的氮磷鉀養(yǎng)分濃度通過(guò)以下公式計(jì)算：

D桶的功能肥濃度：D桶功能肥濃度=肥料投入量/溶液體積。

示例如：A桶以氮肥為主，選用尿素（46-0-0）；B桶以磷肥為主，選用磷酸一銨（11-52-0）；C桶以鉀肥為主，選用硫酸鉀（0-0-50），肥料容積1 m3，A桶肥料投入量均為200 kg，其余B、C桶肥料投入量均為100 kg，各肥料桶內(nèi)養(yǎng)分濃度分：

A桶：氮元素濃度為：a1=0.46×200/1000=9.2%，磷、鉀元素濃度為：0。

B桶：氮元素濃度為：b1=0.11×100/1000=1.1%，磷元素濃度為：b2=0.52×100/1000=5.2%，鉀元素濃度為：0。

C桶：氮磷為：0，鉀元素濃度為：c3=0.5×100/1000=5%。

原則上選擇基礎(chǔ)原料后，各肥料桶的配法即固定不再更改。

4）計(jì)算肥液用量：由三元一次方程計(jì)算出本次灌溉所需各肥料桶溶液的畝均用量。

方程如下：

其中，MN、MP、MK分別為本次灌溉所需純氮、磷、鉀的畝均用量（由上位機(jī)模型計(jì)算得出），ηN、ηP、ηK分別為追肥所選肥料的氮、磷、鉀肥料利用系數(shù)，a1、b1、c1分別為A桶的氮、磷、鉀養(yǎng)分濃度（%），a2、b2、c2分別為B桶的氮、磷、鉀養(yǎng)分濃度（%），a3、b3、c3分別為C桶的氮、磷、鉀養(yǎng)分濃度（%），V1、V2、V3分別為本次灌溉所需三個(gè)肥料溶液的畝均用量。

施肥方案示例如：純氮3.51 kg/667m2、純磷0.22 kg/667m2、純鉀0.25 kg/667m2，A桶氮元素濃度a1=9.2%，磷、鉀元素濃度為0。B桶氮元素濃度b1=1.1%，磷元素濃度b2=5.2%，鉀元素濃度為0。C桶氮磷為0，鉀元素濃度c3=5%。根據(jù)番茄日光溫室種植肥料利用率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取氮肥為30%，磷肥為20%，鉀肥為50%。

解方程得：v1=125 L；v2=21 L；v3=10 L。1#地塊面積0.133 hm2，計(jì)算出本次施肥量為：A肥250 L，B肥42 L，C肥20 L。

5）計(jì)算各通道注肥流量：注肥流量L=注肥量V/施肥時(shí)長(zhǎng)T2。

計(jì)算得出，A通道：La=250 L/1.95 h=128 L/h，B通道：Lb=42 L/1.95 h=22 L/h，C通道：Lc=20 L/1.95 h=10 L/h。

6）施肥量控制。施肥量控制采用比例調(diào)節(jié)方式，用戶(hù)首先調(diào)整各注肥通道流量達(dá)到額定值La0、Lb0、Lc0、Ld0，確定注肥調(diào)節(jié)周期T0，取各通道的注肥流量計(jì)算值La、Lb、Lc、Ld，計(jì)算注肥調(diào)節(jié)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)時(shí)長(zhǎng)，如A通道調(diào)節(jié)周期內(nèi)：T開(kāi)=T0×La/La0，T關(guān)=T0×（La0-La）/La0，通過(guò)對(duì)電磁閥開(kāi)關(guān)時(shí)長(zhǎng)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)注肥流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而精確控制施肥量。

7）肥料稀釋比復(fù)核。以上實(shí)例肥料投加總量為：250 L×0.2 kg/L+42 L×0.1 kg/L+20 L×0.1 kg/L=74.2 kg；灌溉水量為30 m3，肥料的稀釋比為2.5‰，符合肥料使用要求。

5.3 設(shè)備選型

5.3.1 施肥泵設(shè)計(jì)選型。施肥泵流量：施肥泵應(yīng)滿(mǎn)足最大地塊面積灌溉、施肥及監(jiān)測(cè)取樣所需的流量、壓力要求。以番茄為例，滴灌流量為5～6 m3/h，最大管理面積3333.33 m2計(jì)算，所需最大灌溉流量為30 m3/h；施肥及取樣管路流量2.2 m3/h×4+1 m3/h=10 m3/h；施肥泵總流量為40 m3/h，揚(yáng)程取30 m，水泵功率5.5 kW。

5.3.2 電磁閥設(shè)計(jì)選型。參照國(guó)外設(shè)備及其開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率，在保證灌溉水肥液均勻度的前提下，盡量減少閥門(mén)動(dòng)作次數(shù)，增加閥門(mén)壽命。

5.3.3 肥料桶設(shè)計(jì)選型。根據(jù)施肥量參數(shù)，按5～7d制備一次肥料計(jì)算，確定肥料桶容積為1 m3，黑色，帶錐底，配套不銹鋼攪拌器。

5.4 施肥器參數(shù)

根據(jù)各施肥通道流量，選用DN25射流器，吸液量230～530 L/h。