智能水肥机控制系统关键技术装备研制

韩卫华

(山西省农业机械发展中心，山西 太原030031)

0 引言

水是作物生存之源，是农业生产发展的必要条件；肥料是农作物增产增量的关键保证。我国农业生产传统的灌溉施肥方式浪费大量的水肥资源，引起环境污染、资源浪费和农产品安全等问题，制约了农业的可持续发展[1]。

我国在水肥一体化技术智能灌溉系统方面的研究起步较晚，缺乏科学化、智能化和信息化管理。山西省近几年掀起了温室大棚设施蔬菜建设高潮，但缺乏有效的配套技术服务，温室大棚机械化作业和自动控制技术装备水平低，降低了山西温室大棚设施蔬菜竞争力。推广应用智能水肥一体化技术，提高蔬菜质量、产量和竞争力显得尤为重要[2-3]。

在借鉴PLC、LORA物联网等技术的基础上，对现有的水肥一体机进行改进试验，研制出智能水肥机控制系统关键技术装备，使水肥一体化技术与物联网技术有效结合提高水肥利用率，实现农田精准施肥灌溉[4]。

1 研究内容及关键技术

1.1 研究内容

在现有水肥一体机功能的基础上进行改进设计，水肥一体化关键技术装备智能控制系统采用远传型浮子流量计与定制的微型电动阀精准控制水肥的流量，实现水肥定时定量自动化控制；增加高效混合设备混肥腔，达到良好分散和充分混合的目的；控制系统采用PLC技术与触摸屏技术相结合，设计了良好的人机交互界面；结合物联网技术，通过土壤信息、环境信息的无线传输采集，利用手机APP进行远程监测指导施肥灌溉作业，实现智能化、现代化农业管理。引进的设备如图1所示，改进后的设备如图2所示。

图1 引进设备Fig.1 Imported equipment

图2 改进后设备Fig.2 Improved equipment

1.2 解决的关键技术

1.2.1关键技术

水肥一体化是一项综合技术，涉及农田灌溉、作物栽培和土壤耕作等多方面的农业技术。水肥一体机设备主要由首部枢纽系统、水肥一体机、管道系统和自动控制系统等组成。

引进设备改进后控制系统采用PLC技术与触摸屏技术相结合，灌溉施肥采用电动调节阀、传感器等技术，利用无线传输，对农田土壤信息、环境信息和设备工作状态等现场数据进行远程采集传输，结合土壤湿度值和水肥的EC值、pH值监测系统，可实现远程或现场控制设备的运行，大大提高作物灌溉施肥效率[5]。水肥一体化关键技术装备智能控制系统首部系统连接示意如图3所示。

图3 水肥一体化关键技术装备智能控制系统首部系统连接示意Fig.3 Connection diagram of head system of intelligent control system for key technology equipment of water and fertilizer integration

1.2.2改进后设备性能参数

改进后的设备主要性能参数：吸肥通道4个；最大吸肥量18～480 L/h；无故障运行时间≥1 000 h。

1.2.3改进的关键部件

(1)混肥腔是一种没有运动部件的高效混合设备，是先进的混合器，通过固定在管内的混合单元体使多股流体产生切割、剪切和旋转运动，从而起到混合作用。混肥腔在水肥机的应用使得肥料与水进行良好分散和充分混合，避免肥料的不均匀与沉淀。混肥腔如图4所示。

图4 混肥腔Fig.4 Mixed fertilizer cavity

(2)采用远传信号输出型浮子流量计与微型电动阀，结合文丘里施肥器完成肥料的输送、计量和调节功能,达到精准控制施肥浓度，简化生产工艺流程的目的[6]。水肥一体机的4个通道可以将4种不同肥料按准确比例输入工艺流程中进行混合。浮子流量计及电动阀如图5所示。

图5 浮子流量计及电动阀Fig.5 Float flowmeter and electric valve

(3)物联网的主要功能是基于互联网的所有事物的互联，实现信息交换和通讯。物联网就是把各种传感器、信息处理器和无线网络融合成一个有机整体，对目标进行精准感知、自动控制、数据分析与决策的智能管理。

随着传感技术和自动化技术的发展，利用各种传感器来监控种植区内的温度、湿度、光照、土壤湿度、土壤温度和CO2浓度等影响农作物生长的环境参数，采用LORA通讯技术获取数据并快速安全地无线传送到信息决策层，再将大量的数据进行综合智能化分析，通过系统或者手机APP远程控制种植区内的施肥机、水泵、阀门和加热等设备的操作，为用户提供最佳灌溉施肥方案[7-10]。物联网控制模块如图6所示。

图6 物联网控制模块Fig.6 Internet of things control module

在借鉴PLC、LORA窄带物联网等技术的基础上，形成一套具有物联网功能的智能水肥一体化装备。物联网在农业上的应用，对温室大棚中的环境信息和土壤信息数据的无线传输监测，为精确配肥、自动控制提供依据，也为大棚内农机具作业提供便利的工作环境[11]。设备改进试验现场如图7所示。

图7 设备改进试验现场Fig.7 Equipment improvement test site

改进后的智能水肥一体机具有较为先进的功能，可满足个性化需求；自动化程度高，配置多种数据采集系统和控制系统，可根据环境状况、土壤墒情实现自动化操作，精准控制肥料浓度；有多个供肥通道，除一次性补充所有营养元素外，还可根据需要添加酸或碱调节pH值，根据作物需要及时供水供肥；省水省肥省工，节约生产成本。智能水肥一体机设备还具有数据储存功能，方便查询，为后续改进和优化生产管理积累参考数据。

2 试验验证

水肥一体化关键技术装备智能控制系统装备安装于晋中市榆次区东阳镇北席村进行测试试验。试验前，检查水泵、过滤器、压力及流量监测设备、压力保护装置、水肥一体机设备和自动化控制设备连接的可靠性、系统的完整性。根据实际种植作物及灌溉作业，通过操作触摸屏按照设定的配方、搅拌时间的长短、EC/pH值的上下限、灌溉过程参数，自动控制灌溉量、吸肥量、肥液浓度和酸碱度等水肥过程中的重要参数，实现对灌溉、施肥的定时、定量控制。确定无误后开启总开关进行试验。智能水肥一体机控制系统田间布局如图8所示。

图8 智能水肥一体机控制系统田间布局Fig.8 Field layout of intelligent water and fertilizer machine control system

按照试验大纲规定的试验项目顺序进行试验，并对大纲中所要求的指标进行记录。设备主要技术参数：注肥通道4个；主泵功率3 kW，扬程32 m，流量10 m3/h；施肥机泵功率1.5 kW，扬程56 m，流量4 m3/h。

当设定施肥机流量为350 L/h时，主路流量为8.57 m3/h，设备运行稳定后，施肥机1#、2#、3#、4#通道的流量数值与设定值相差≤1%，EC值准确度≤10%，pH值准确度±0.1,施肥机每个通道流量最大可达600 L/h，完全符合设计要求。

试验结果显示，改进后的智能水肥一体机设备比传统施肥机节水30%以上、省肥30%～50%；自动化、智能化水平提高，节约劳动力60%左右。关键技术装备智能控制系统各项技术性能基本达到设计技术要求，第三方检验机构的检测表明，其技术性能指标完全符合技术任务书的要求。

3 存在问题及改进建议

3.1 存在问题

我国在智能水肥一体化领域取得了一定成效，但是目前国内研制的众多水肥一体化智能配肥控制系统装备还存在以下问题。

(1)本项目中的传感器或者控制器均采用无线传输，解决了种植分布广、监测点多及布线困难的问题，但由于资金欠缺，没有形成统一便捷的信息交互平台。

(2)试验过程发现水肥一体机调节水肥EC值和pH值过程中存在非线性、时变性、时滞性和不确定因素等问题，影响灌溉施肥的精准度，对EC值、pH值的控制模型有待进一步研究。

(3)滴灌喷头容易堵塞。水肥一体化技术对肥料有较高的要求，目前国内使用的水溶性肥料常含有过磷酸钙等杂质，易堵塞滴灌喷头，影响灌溉设备正常运行。

3.2 改进建议

(1)智能水肥一体化技术是多学科、多技术相互结合的系统，将传感技术、互联网技术、无线通讯技术和农艺技术等众多关键技术相融合，采用物联网技术、利用网络构建统一便捷的信息交互平台。

(2)针对调节水肥EC值和pH值过程的非线性、时变性和时滞性等问题，简化数学模型，对两个系统分别设计自抗扰控制器并进行改进[12-13]。

(3)加强肥料研究，研发适合水肥一体化技术应用的水溶性肥料。

4 结束语

引进一套智能水肥一体机设备，在借鉴PLC、LORA窄带物联网等技术的基础上，改进自动控制系统，将传感技术、互联网技术、无线通讯技术和农艺技术等关键技术相融合，使其成为适合设施农业的高精度、具有物联网功能的智能水肥一体化装备，实现定时定量自动化控制水肥，提高作物品质。改进后的水肥一体化关键技术装备智能控制系统各项技术性能基本达到设计要求，通过了第三方检验机构的检测。改进后的智能水肥一体机设备比传统施肥机节水30%以上、省肥30%～50%；自动化、智能化水平提高，节约劳动力60%左右。

水肥一体化关键技术装备的推广与实施，符合我国当前对节能减排、生态文明建设的发展要求，有利于农业的可持续发展。基于物联网技术的水肥一体化智能控制系统装备在我国农业现代化发展中具有广阔的应用前景。