水肥一体智能灌溉设备的研发及应用

宋成秀，李合营，王雪莹

（1.山东锋士信息技术有限公司，山东 济南 270000；2.中国灌溉排水发展中心，北京 100054）

水资源短缺和化肥用量高是制约我国农业可持续发展的重要瓶颈，实施水肥一体化技术以提高水肥利用效率对于我国农业发展至关重要[1]。近年来，我国水肥一体化技术发展速度呈现快速增加趋势。水肥一体化设备是实现水肥一体化技术的重要基础设施，现阶段我国水肥一体化设备的应用呈现引进国外产品与国内自行研制发展并重的特征。国外水肥一体化设备普遍采用互联网、EC/pH综合控制、气候控制、循环加热降温、自动排水反冲洗、喷雾控制等技术，基本实现混配肥精准化、智能化和施肥管控一体化[2-4]。国内市场上主要产品有施肥罐、施肥池、压差式施肥机（如比例泵、文丘里、计量泵、普通泵）等[5]。尽管经历了一定发展，但是我国水肥一体化设备研制应用仍处于初期阶段，质量和管理水平与发达国家仍有差距[6]。在设备质量方面，存在自动化程度低及施肥不精准的问题；在管理方面，缺乏与之配套的智能灌溉软件，控制精度不高，不能实现水肥的精准调控。

云服务技术在计算机等行业中的大量应用为提出基于云服务系统实现水肥一体化灌溉设备性能提升提供了参考，但是仍需要在系统构建、关键技术解析中进行加强，并通过应用实例说明其应用效果。基于此，本文基于云服务技术云服务技术进行水肥一体智能灌溉设备设计，讨论其中的关键技术，并举例说明基于云服务的水肥一体智能灌溉设备应用场景及效果。

1 水肥一体化设计方案

基于云服务的智能水肥一体化解决方案由智慧灌溉云平台和智能水肥一体系统构成。智慧灌溉云平台是整个方案的数据处理中心，它接收采集数据后进行数据处理，生成最优的施肥、灌溉方案，同时可以将方案下发到控制中心，指导智慧灌溉。智能水肥一体化系统是整个方案的执行系统，主要由核心控制器、数据采集单元、灌溉控制单元及肥料控制单元组成。核心控制器是整个水肥一体化系统的控制中心，它负责将采集数据上传到云平台，也负责接收云平台计算生成的最优施肥、灌溉方案，解析执行灌溉、施肥计划。数据采集单元负责将当前种植物的实时墒情、气象等数据采集并上传到核心控制器，核心控制器再上传至云服务器。灌溉控制单元主要负责泵阀等的开关，进而精准控制灌溉用水量。肥料控制单元主要负责肥料的配比、混合、投放等施肥工序的执行，进而达到精准施肥的目的。

2 水肥一体化技术实现

2.1 核心控制器工作原理

核心控制器由主控模块、无线LoRa模块、4G移动通信模块、视频采集模块、分控制器控制模块等组成。核心控制器主控模块负责协调各个模块之间的运行；无线LoRa模块负责与无线分控制器进行通信；4G移动通信模块主要是通过4G网络与智慧灌溉云平台通信；视频采集模块负责采集视频信息，并上传至智慧灌溉云平台；分控制器主要由标准化传感器接口模块、无线LoRa模块、继电器模块、485模块等组成；分控制器主控模块负责协调各个模块之间的运行；传感器接口模块主要用于采集各种传感器数据；无线LoRa模块负责与核心控制器通过无线通信；继电器模块负责核心控制器下发命令的执行。

2.2 核心控制器内部结构

核心控制器主要由核心控制单元、移动通信单元、无线组网单元、数据采集单元、外围设备驱动单元、供电单元、数据存储单元组成。核心控制单元负责解析并执行用户通过人机交互界面或者灌溉云平台下发的灌溉计划，进行灌溉过程控制，并对灌溉过程中的信息进行有效反馈，通过以太网、移动通信、无线LoRa将信息上传到灌溉云平台或者下发到分控制器。

数据存储单元包括内部存储单元与外部存储单元两部分。内部存储单元采用先进的串行FLASH芯片，能够快速完成读写程序与数据。外部存储单元采用外挂2T存储硬盘，能够对视频数据、灌溉计划等进行存储。

供电单元中，核心控制器采用交流220V/50Hz市电，然后，经由开关电源转换成直流12 V电源，再通过电源转换芯片转变为核心控制模块所需直流12 V电源的5 V、3.3 V、1.5 V、1.2 V等直流电源，进而完成对整个核心控制器的供电。

2.3 核心控制器工作流程

水肥一体智能灌溉设备的嵌入式软件主要由Linux系统软件和核心控制应用软件两部分组成。Linux系统软件为核心控制应用软件提供可靠的运行和操作支撑。核心控制应用软件由灌溉进程控制程序、多地块水肥分配程序、灌溉云平台通信程序、分控制器控制程序、人机交互程序和视频采集程序组成。

1）灌溉进程控制程序。根据灌溉计划或人机交互命令执行灌溉流程，在灌溉过程中随时向分控制器控制程序发送查询和操作指令，整个灌溉程序可分为19个阶段，直至灌溉完成。灌溉过程中，根据灌溉计划生成轮灌组的信息，控制灌溉流程中不同状态阶段的执行和跳转。在施肥过程中，通过检测传感器的pH值、EC值自动调整施肥的浓度。

2）多地块水肥分配程序。多地块水肥分配程序是根据灌溉云平台下发的灌溉方案，依据当前水源泵站的流量、水源水量、地块支管流量、施肥量、灌水量、施肥配置比、作物类型、地块分布等情况，将灌溉计划分成最为合理的几个灌溉组，把最优的灌溉组交给执行单元执行灌溉计划，以最高的效率完成灌溉施肥过程。

3）智能灌溉云服务通信程序。灌溉云平台通信程序负责建立、保持、管理与灌溉云平台的连接，实时接收云平台下发的数据包，并解析出指令和数据内容，分发给其他各单元，同时向其他各单元开放数据共享接口。

4）分控制器控制程序。分控制器控制程序主要创建一个事件服务器，同时监听网络和串口，为请求连接的有线或无线分控制器程序建立对应的连接，接收分控制器程序消息并解析，同时为其他单元开放数据共享接口，监控各分控制器工作状态。该事件服务器实现有线分控制器和无线分控制器的同时控制，为核心控制器安装到复杂的地况提供有力保障。

5）人机交互程序。人机交互程序用于呈现人工操作界面。管理人员可通过操作界面对核心控制器进行硬件配置、分控制器配置和软件参数配置等操作，可以在本地编辑、执行自动灌溉计划/手动灌溉操作流程，还可以执行地块信息管理、历史数据查询、传感器数据实时查看、监视视频实时查看、回放视频查看、灌溉计划执行状态查看等功能。

6）视频采集程序。视频采集程序负责实时监测作物的生长情况，查看设备的运行情况。视频采集程序包括远程云台控制、视频采集、视频存储、视频回放等程序。

7）过滤控制程序。过滤控制程序负责检测管道压力变化情况，根据用户设定的时间，控制过滤器进行反冲洗，保证灌溉的正常运行。

8）数据采集程序。数据采集程序主要由模拟量采集、数字量输入、开关量输出、RS485通信等程序组成。数据采集单元采用进口高精度芯片，能够精确完成采集外部传感器数据，检测外部设备状态，控制外部设备启停。

2.4 智能水肥一体化系统工作模式

水肥一体智能灌溉管理设备具备三种工作模式：智能控制模式、定量控制模式和手动控制模式。

1）在智能控制模式下，水肥一体智能灌溉设备下载灌溉方案，设备按照灌溉方案要求自动控制设备各单元的运行，实现灌溉方案的精确执行。

2）在定量控制模式下，以设备下载的水肥一体灌溉方案为基础，通过设备的交互装置设定灌溉水量、施肥量、灌溉时间等关键参数，满足对灌溉方案微调的使用需要。

3）在手动控制模式下，在参照水肥一体灌溉方案的基础上，通过操作按钮人工控制水肥一体化设备进行灌溉施肥作业，满足自主进行灌溉施肥的需要。

3 水肥一体化设备的应用案例

莱芜市致远林果专业合作社位于辛庄镇蔡店村，该合作社拥有林果基地200 hm2，依托高效节水灌溉示范项目，实施灌溉面积66.67 hm2，其中小管出流灌溉面积54.67 hm2，微喷灌面积12 hm2。在首部泵房内安装水肥一体智能管理设备一套，可同时控制8个地块。

本文选取1.33 hm2苹果（树龄7年）、1.33 hm2（树龄4年）进行试验示范，苹果、桃的目标产量分别为每公顷60 000 kg、37 500 kg，应用水肥一体化智慧灌溉设备后，较常规大水漫灌方式节水22.7%～54.3%；施肥量合理控制，节肥23.3%～40.7%，增产6.4～9.9%，果实品质得到有效提升。详见表1和表2。

表1 折合每亩效益分析

表2 对苹果、桃品质的影响

4 结语

基于云服务的水肥一体智能灌溉设备实现了对作物种植环境、生长态势信息的实时采集和数据上传，能够自动接收、解析和执行云平台推荐的水肥一体灌溉方案，并支持人工对方案进行优化和参数调整。示范工程应用实例表明，水肥一体智能灌溉设备不仅能大幅度降低用水、用肥和人工成本，而且可以提高农产品品质，增加农民收入，具有极大的推广应用价值。