南疆日光温室轻简型水肥一体化系统设计与实现

陈毅飞，杨会民，喻 晨，王学农，马 艳

（1.新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆乌鲁木齐830091；2.农业农村部林果棉装备科学观测实验站；3.新疆设施农业智能化管控技术重点实验室）

0 引言

新疆水资源缺乏，据统计2019年全疆用水量农业领域为511.4亿m3，已超过全疆总用水量的87%[1-2]，显著超出了2012年《新疆可持续发展中有关水资源的战略研究》中提到的灌溉用水400亿m3[3]，由此可见，新疆水资源使用量严重超支，必须加以节制。同时，新疆为响应国家“双减”政策不断深入开展化肥农药减量增效工作。现代水肥管控技术能有效将肥料管控与灌溉节水相结合[4]，针对南疆设施农业灌溉施肥现状，发展水肥精准管控技术是促进节水节肥、优化生态环境的可靠途径[5]。

当前，设施农业中智能连栋温室使用的水肥一体化设备大多从国外进口，例如以色列Galcon公司的Fertimix水肥一体机和丹麦Senmatic公司的AMI Penta水肥一体机等[6]，该设备的优点是能有效对水肥溶液进行Ec（电导率）及pH值精准调节，但需专业维护团队定期维护，且价格高昂，使用场景一般为大型连栋温室和智能玻璃温室。南疆日光温室目前主要采用压差罐进行水肥一体化施用，优点是价格便宜、操作简单、易维修，但无法调控水肥比例及集群式智能管控。

结合南疆实际情况，设计了一种适用于南疆日光温室的基于物联网的具有精准水肥调控功能的轻简型水肥一体系统。首先，该水肥一体化系统采用特制的大流量文丘里吸肥装置，其次利用隔膜式肥量调节阀根据水肥比例要求及施肥时间调节注肥速率，系统可通过对水肥机水路配置的控制实现肥料自动搅拌。此外，加入物联网水肥控制系统，用户可通过手机APP对多个水肥一体系统进行集群式操作。因此，该水肥一体化系统具有水肥比例调节精准可控、使用便捷、吸肥量大、成本低廉、多功能融合、结构简单、可集群式作业、易于推广普及等优点，水肥利用率也能得到一定比例的提升。

1 系统总体设计

本文针对南疆日光温室水肥管理过程中的实际需求设计了一款具有大流量、水肥比例可调、自动混肥及可远程集群式作业的轻简型水肥一体化系统，主要设计思路如下：

（1）大流量吸肥通道。本系统采用大流量文丘里射流器，该射流器具有防堵、防倒吸、易安装、高吸肥量功能，以解决水肥一体化系统中肥料溶解不充分、水流倒灌、吸肥量不足等问题。

（2）水肥比例可调控。日光温室原有施肥装置大多为压差式施肥罐，该施肥罐会造成施肥时注肥不均匀的问题。本系统将按照清水灌溉、水肥混合施肥、管道清水冲洗的步骤进行操作。首先清水灌溉时灌溉泵使管道充盈后持压确保灌水均匀、避免直接施肥导致高浓度肥料烧苗；其次系统可线性调节水肥比例，水肥浓度波动较小、注肥时间可精准掌控；最后为清洗模式，利用清水将肥桶中剩余肥液注入主管道，防止肥液残留在肥桶中发酵滋生细菌，防止化肥残余溶液滞留[6]。

（3）为便于操作，设置手动、定时和远距离操作3种模式以满足不同的应用场景。用户可现场手动操作水肥一体化设备，也可用定时模式，例如夜晚需要施肥、灌溉时可在白天提前将肥料备好后利用定时模式在夜间进行施肥、灌溉等操作。

本文所设计的轻简水肥一体化系统分为水肥一体化管控云平台、水肥一体化控制网络和水肥管控终端3部分，如图1。水肥一体化管控云平台主要负责水肥一体化控制网络的数据上传下达及存储。控制网络负责实时采集灌溉泵、施肥泵等设备的工作状态，并反馈给云平台，用户可通过云平台进行主水启停功能、肥料搅拌功能、注肥比例调节、清洗功能、分区阀门控制等集群式操作。用户可使用微信小程序进行设备参数查询、录入、统计曲线查询等操作。在日光温室施肥灌溉过程中，用户根据实际生长情况确定灌溉持续时间、施肥持续时间，利用水肥一体化系统进行灌溉、注肥、管道清洗等操作。

图1 轻简型水肥一体化系统示意

2 系统设计与实现

2.1 轻简型水肥一体机的结构设计与工作原理

轻简式水肥一体机管路结构主要由4部分组成：混肥系统、注肥系统、灌溉系统和支撑机构，其中混肥系统包括肥料桶、混肥阀门、过滤器。注肥系统包括大流量文丘里射流器、网式过滤器、隔膜式肥量调节阀、转子流量计、施肥泵。灌溉系统包括主水泵、支路电磁阀/电动阀和压力计、叠片过滤器[5]。灌溉施肥机的结构原理如图2，样机如图3。

图2 灌溉施肥机结构原理

图3 轻简型水肥一体机样机

2.2 轻简型水肥一体机的控制系统

轻简型水肥一体机电路控制如图4，该设备主控器采用基于STM32集成度较高的物联网控制器，物联网控制器对输入的控制信息进行数据分析，该设备状态数据经自定义Socket通信协议转发给水肥管控云平台，云平台通过TCP/IP协议实时侦听并对集群式物联网控制器的设备进行上线识别与在线监测。用户通过手机APP、微信小程序、WEB网页都可对单个或多个物联网控制器发送控制指令。最后控制信号经自定义Socket通信协议转发给物联网控制器，物联网控制器根据协议进行控制信号解析，相应地驱动支路电磁阀/电动阀、灌溉电机、注肥电机等。

图4 轻简型水肥一体机电路控制系统

3 水肥一体机软件平台设计

水肥管控云平台通过自定义Socket通信协议连接基于STM32的物联网控制器，实时显示与存储水肥管控数据，手机APP的展示界面如图5。使用水肥一体化管控平台，可绑定多个水肥一体机，设置水肥一体机的工作模式、查询设备工作状态和数据历史曲线等。水肥一体机通过手机APP设置其控制模式，如远程点动控制、定时控制。远程点动控制模式下，用户在温室劳作过程中可通过手机控制主水泵与灌溉分区阀开启进行灌溉操作，需要施肥时可远程启动施肥泵进行水肥一体化作业，灌溉量、灌溉时间、施肥量、施肥时间由用户远程点动控制；定时控制模式下，灌溉作业时用户可设定单个或多个温室主水泵开启及持续时间，同时设定单个或多个轮灌组进行分区灌溉，水肥一体化作业时可提前设定注肥泵开启及持续时间，该设备就会按时按比例完成注肥任务。灌溉及水肥一体化定时控制可脱机操作，控制参数设置完成后即使断网情况下，水肥一体机也会执行相关定时灌溉、施肥程序。

图5 手机APP展示界面

4 结语

（1）利用物联网控制器实现了水肥一体机远程控制，使日光温室内的水肥一体化施用做到了单体控制和集群式管理，提高了日光温室的灌溉、施肥一体化管控水平。

（2）设计的水肥一体机解决了日光温室水肥比例不可控的问题，实现了水肥比例稳定可控，同时对硬件结构与控制系统进行了轻简化设计，具有体积小、重量轻、肥桶与管路一体化设计、成本较低、使用便捷等特点。

（3）设计的水肥一体机贴近南疆日光温室农户使用习惯，具备吸肥量大、肥料自动化搅拌、易操作、易维修等特点，具有较好的应用及推广前景。

（4）由于隔膜式肥量调节阀需要用户根据实际作物生长周期进行手动调节，施肥过程中无法通过物联网控制器进行在线调节，故该注肥比例远程调控功能应继续开发。