水肥一体化管控系统设计和实现

金永奎,盛斌科,孙 竹,张 祎

(1.农业部南京农业机械化研究所,南京 210014;2.江西沃邦农业科技有限公司,江西 鹰潭 335000)

0 引言

我国水资源总量仅为世界的6%,人均不足世界平均水平的1/4,严重短缺。每年农业灌溉用水缺口超过300亿m3,约有667万hm2面积得不到有效灌溉[1-2]。主要粮食作物水分生产效率与发达国家相比仅为其1/2左右,存在较大差距。同时,因化肥施用量过高,化肥利用率偏低。水肥已成为制约农业可持续发展的瓶颈因素,因而大力发展节水农业、实施化肥使用量零增长行动及推广普及水肥一体化技术是促进农业可持续发展的必由之路[3-4]。根据农业部《推进水肥一体化实施方案(2016—2020年)》,到2020年水肥一体化技术推广面积将达到1 000万hm2,发展空间巨大。

近年来,随着产业结构调整,我国水肥一体化应用面积已超过500万hm2,灌溉形式主要以喷、滴灌为主,相配套的管控技术也得到一定的应用,开发了多种灌溉和施肥控制系统[5]。随着信息技术的发展,传统的灌溉方式被自动化、智能化的水肥管理模式替代[6-8],但目前一般仍以1个泵站为1个控制单元,或是建成投入较大的集中式信息化管理系统,没有快捷方便、投资小的管控平台供操作管理[9-10]。随着云端服务平台和移动端APP、微信小程序的出现,控制方式转向了管理平台和移动端[11-12]。本文在此基础上开发了水肥一体化管控系统,实现了各个灌溉单元在田间或电脑端、移动端的控制和管理,为水肥一体化系统设计和应用提供了参考。

1 系统总体设计

1.1 系统组成

管控系统根据目前水肥一体化系统存在的不足,结合灌溉基础理论和最新的管理技术手段,通过相关设备、管理系统,对环境、设备状态和参数进行监测,并做出决策和控制;用户可通过多种方式实现查看和操作,达到了信息采集、传输、管理、决策和控制于一体的目的。

本系统分为3个部分:一是以水肥一体机为核心的田间管控单元,包括水肥一体机、过滤设备、管道、阀门、喷头滴头、田间控制设备和管控软件等;二是以云端服务器为核心的管控平台,包括云端服务器、数据库、网站等;三是用户使用端,包括通过Internet网连接的电脑和通过WIFI/4G等网络连接的移动设备(手机或PAD)。系统架构如图1所示。

1.2 系统工作原理

管控系统以云端服务器作为管理核心,每个田间灌溉单元为管理对象,在电脑上通过网站、在移动端设备通过微信小程序进行查看和操作。田间灌溉单元配置1台水肥一体机,每台水肥一体机有1个固定的设备号,水肥一体机通过有线或无线管理本灌溉地块内的水泵、施肥泵、电磁阀、流量、压力、环境传感器等设备,并可在本地设置灌溉方式,通过决策系统实现自动水肥一体化灌溉;同时,把相关数据传送给云端服务器,用户可通过各种终端设备进行查询,并可对各种运行参数进行设置、对设备进行远程控制。

运行过程中,系统通过各个传感器,实时监测灌溉施肥情况,采集环境温湿度、光照度、土壤温湿度、EC值等参数,自动记录、统计、分析灌溉、施肥和生产等数据,通过数据网络、水肥一体机联动,用户根据数据分析对照作物生长需要,在手机或电脑上远程操控灌溉设备,实施精准灌溉和施肥。

图1 管控系统架构图

2 系统关键技术及硬件设计

系统由水肥一体机、田间控制部分、云端服务器、数据传输网络等部分组成,拓扑结构如图2所示。

2.1 水肥一体机

水肥一体机集成了灌溉泵、施肥泵、灌溉变频器、施肥变频器、触摸屏和控制系统,利用决策控制软件对灌溉、施肥等操作进行集中控制,结合各传感器的数据分析,制定灌溉施肥计划。设备具有本地手动触摸屏操作和通过电脑端、手机的远程控制双重操作功能,能在异地通过电脑及手机监控,实现灌溉水量、施肥浓度和施肥量的精准控制。

采用变频技术根据压力、流量、EC等多参数对灌溉泵进行综合调控,实现按需定量精准灌水。基于变量注入式混肥技术,按照设定的水肥比例和EC值,通过控制系统接受水肥信息反馈,通过智能PID对施肥量进行无级控制,将肥液按设定的浓度稳定、均匀、精准输出,实现水、肥在线自动混合及浓度可控,达到对灌溉、施肥精准控制的目的。

水肥一体机主要由灌溉系统、配肥系统、信息采集系统、自动控制系统和一体化壳体等部件组成,如图3所示。

图2 系统拓扑结构图

1.进水接口 2.控制系统 3.触摸屏 4.一体化壳体 5.肥液箱 6.主管流量计 7.压力传感器 8.过滤器 9.EC传感器 10.出水接口 11.施肥流量计 12.施肥泵 13.灌溉泵

2.2 田间控制部分

田间控制部分主要由田间控制器、电磁阀、传感器及网关组成,如图4所示。田间控制器及各传感器由太阳能供电系统提供电源,传感器采集的数据传输到田间控制器,控制器接收后通过网关发送到水肥一体机,水肥一体机将数据存储在本地同时也上传至云端服务器。数据由管控软件自动分析处理后做出决策,水肥一体机接收到服务器或本地程序发出的控制命令,打开对应的电磁阀或执行相关的操作。

图4 田间灌溉单元结构图

2.3 云端服务器和数据库

云服务器(Elastic Compute Service, ECS)是一种简单高效、安全可靠、处理能力可弹性伸缩的服务器,其管理方式比物理服务器更简单高效。用户无需提前购买硬件,即可迅速创建多台云服务器。云服务器可以有效地解决传统物理主机与VPS服务中存在的管理难度大、业务扩展性弱的缺陷。

本文对选用的云服务器进行了配置和软件安装,建立了图5所示的云服务器和数据库。田间的灌溉单元产生的数据通过水肥一体机与服务器进行通讯,云服务提供商通过ELB(负载均衡)选择合适的服务器,服务器接受数据并分析,根据数据类型写入数据库,管控软件根据数据做出响应;在用户端,用户通过各种设备进行查询或操作,用户的申请通过传输网络到达服务器端,服务器根据具体申请内容,调用数据库数据并呈现在用户界面上,同时把运行指令发送至水肥一体机,控制田间设备运行。云端采用HTTP方式,以网站和微信小程序框架为基础,构建设备交互平台。

图5 云服务器和数据库结构图

2.4 数据传输网络

随着电子技术、计算机技术及无线通信技术蓬勃发展,出现了各种标准的无线数据传输标准,它们各有优缺点和不同的应用场合。本系统利用现有的各种数据传输技术,结合实际应用场景,选择不同的数据传输方式。

田间每个灌溉地块内部各设备间的数据传输采用ZigBee或WiFi方式,可以自己组网,使用方便、费用低;每个灌溉单元与云端服务器间采用4G网络或有线宽带进行数据传输,网络成熟,传输速度快、可靠性高;用户终端根据用户的具体情况,采用有线(宽带)、无线(4G、WiFi)方式与服务器连接。

3 应用程序开发

3.1 水肥一体化控制系统程序

水肥一体机的主要功能是灌溉和施肥,在实际使用时分两种情况:一种是只灌溉,不需要施肥;一种是按一定比例水肥同施。因而,要针对这两种情况分别编制不同的控制流程和程序。

灌溉分为手动模式和时间模式:在手动模式下,可直接打开和关闭选定的田间电磁阀进行灌溉,在调试设备或临时使用时也可采用。在时间模式下,先设定各电磁阀的开启时间和灌溉时长,系统自动开启和关闭,实现自动化控制;也可配置各种传感器,配合决策模型实现智能化灌溉。

施肥一般采用三段法,即灌水、施肥、灌水,有利于肥液均匀分布且灌溉管路中无残留。先选择需施肥电磁阀,设定灌水时间、灌水压力、施肥时间、施肥比例等各项参数,程序即可自动运行,可根据灌溉流量自动调节施肥流量,自动保持设定的比例,达到变量同比例施肥,能满足不同作物、不同生育期水肥多样化需求。图6为灌溉施肥控制流程。

图6 灌溉施肥控制流程图

3.2 网站程序开发

系统采用B/S结构,在用户端采用浏览器方式,负责接收用户通过Internet网络访问、输入及控制命令的发送、监测数据的获取等,在服务器端通过网络为浏览器提供数据服务。

本系统根据实际需求建成了一个面向管理人员和用户的网站。管理人员可通过网站发布设备相关信息、管理用户权限和设备数据;用户通过网站可浏览信息、查看设备运行数据、设置运行参数和对设备进行操作。

3.3 手机端微信小程序

针对移动终端APP软件存在平台通用性差、安装繁琐等问题,开发了基于微信系统的应用小程序,用户在微信内下载安装后经过授权即可实现查询和操作功能。

微信小程序需申请域名和微信公众号才能建立。首先进入微信公众平台注册并认证,通过认证后获得一个微信公众号,然后进行配置。小程序必须设置合法域名才能进行数据交互,且规定需要使用HTTPS协议。在域名申请好后,配置云服务器支持HTTPS协议,并根据需要在小程序基础上开发相关界面和功能。以下为用户登录小程序的程序语句。

//app.js App({

onLaunch: function () {

//调用API获取阿里云数据

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{

//登录接口

wx.login({

success: function () {

wx.getUserInfo({

success: function (res) {

that.globalData.userInfo = res.userInfo;

typeof cb == "function"

&& cb(that.globalData.userInfo)

}

})

}

});

}

},

globalData:{

userInfo:null

}

})

用户在微信的小程序菜单里搜索打开即可使用,不需要下载和安装。图7为微信小程序的首页界面,可了解产品等相关信息。

对于已安装水肥一体机的用户,可点击“我的设备”进入设备添加页面,如图8所示。管理员审核授权后,用户就可以对设备进行管理和操作。

图7 小程序首页界面

图8 添加设备界面

点击设备,查看设备和相关传感器的参数和实时数据,可对参数进行设置,对水泵和电磁阀开启和停止控制。通过微信小程序,在手机上就可完成监测和控制,方便快捷。图9为监控数据界面,图 10为参数设置界面,图11为设备开关设置界面。

图9 监控数据界面

图10 参数设置界面

图11 设备开关设置界面

4 管控系统田间应用

2018年春季,在江西鹰潭余江芦笋种植基地进行了安装应用。该基地芦笋种植面积约15hm2,采用水肥一体化管控系统,实现了灌溉施肥全程自动化、智能化,让芦笋基地精准肥水管理成为现实。图12为水肥一体机安装现场,图13为芦笋滴灌系统。目前,设备运行良好。传统灌溉方式(漫灌)每次需灌水450m3/hm2,而采用管控系统的滴灌方式每次仅灌溉150m3/hm2,可节水60%以上;施肥可用水溶肥并能精确控制比例,采用少量多次的方法,肥效利用率大幅提高,显著减少了肥料的用量,与原有施肥相比费用可节省50%以上;采用该系统灌溉施肥,通过在水肥一体机上的触摸屏或手机操作,只需1人即可完成,节省人工80%以上,而产量和品质均有提高,效益有较大提升,1年就可收回设备投入,取得了很好的效果。

目前,管控平台已接入100多台水肥一体机,分布在7个省,控制100多个地块的灌溉施肥系统运行,总面积达到1500多hm2,应用状况良好。

图12 水肥一体机安装现场

图13 芦笋滴灌系统

5 结论

设计的水肥一体化管控系统将传统的灌溉技术与智能控制技术、信息技术相结合,包括水肥一体机、田间控制系统和以云端服务器为核心的管控平台,实现了对水肥一体化系统的现场和远程查看、操作、控制和维护。系统实现了田间各种数据动态直观显示及智能决策,提高了水肥控制的精准度,同时可完成多个灌溉单元的集中操作和管理,节省人工。应用表明,系统可以节省大量人力、物力和水资源,通过精准灌溉、科学规范化施肥,提高了水肥利用率,减少了化肥农药施肥量,有利于提高产品质量和安全,提升了农业生产效益。