多功能水肥一体化定额灌溉施肥机的研制

摘要：多功能水肥一体化定额灌溉机是农业生产中实现节水灌溉、施肥、施药等生长管理过程的专用一体化设备，具有水肥一体化的灌溉施肥施药等多种功能。根据土壤墒情和作物生长不同阶段的水肥需求，对作物定额灌溉和施肥，减少水分和肥料的使用过多浪费或过少影响作物生长的问题，可极大提高节水施肥灌溉效率。产品采用模块化组装，用户可根据需要自行更换肥料输入装置和供水水泵，或者是用户可使用已有的水泵，系统可根据用户的水泵流量自动调整肥液浓度。具有较好的通用性。

关键词：水肥一体化定额灌溉土壤墒情监测

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.19.088

0前言

我国的水资源严重短缺，水资源的缺乏对我国农业的健康发展造成了极大的影响。在我国的农业生产中，农业生产灌溉用水的有效利用水平很低，特别是灌溉节水效果比较好的喷灌和滴灌等节水灌溉方式使用的面积占总灌溉面积的比例较小，绝大多数农业生产经营者还是习惯性地使用地面漫灌。推进微滴灌等节水灌溉模式的使用，特别大力发展水肥一体化的灌溉施肥技术，可以有效地减少农业生产过程中的水资源的浪费，减少肥料使用，对促进农业生产提质增效，减少化肥等肥料对土壤等的污染，整体提高农业生产力有极大的促进作用。提高灌溉用水施肥的效用，如何减少由于土壤缺乏养分和水、肥提供的不同步性而影响农作物产量和质量，是发展我国农业生产关键问题。滴灌施肥可最大限度地提升水肥利用率，根据种植的农作物在生长过程中对水肥需求特性，做到有的放矢，既能有效满足作物生长需要，又不会过量灌溉水分和施肥，实现精准的农业生产的过程管理，减少管理人员，最大限度地提高农业生产的效率，通过多年的应用证明，水肥一体化技术能够有效改善作物水肥的使用量，能够改善作物生长的土壤状况，改善土壤板结现象的发生。在作物生长过程中，有效降低设施大棚内的空气湿度、增加地温，减少病虫害的发生等不利于作物生长的因素。

灌溉施肥技术是把肥料溶解在水中一起实施的灌溉的农业新技术。该技术通过由施肥罐、灌溉施肥设备微滴灌管道等组成的灌溉系统，把可溶性固体肥料或液体肥料根据灌溉需求按照一定比例配兑，直接输送到作物根系生长所在的土壤里面，使作物根系周围均匀分布生长所需要的水分和肥料，而在土壤表面很少残留水分和肥料。

国外的水肥一体化设备，采用了先进的自动化控制技术、计算机技术结合不同作物的生长期水肥需求模型，在水肥一体化灌溉技术方面起步较早，使用时间较长，通过不断完善技术方案，技术日趋成熟。

国内现有水肥一体化灌溉施肥机能基本满足目前国内的农业生产发展水平的技术要求，但与国外较先进的技术相比，总体技术水平存在一定的差距，生产的产品主要是微滴灌管道、灌水器、过滤器、施肥器和功能比较单一的控制设备，控制的精度不够，侧重于硬件设计制造，但是基于生长模式的软件设计较差，产品技术低端，控制水肥一体化灌溉的自动化程度较落后。产品的适应性稳定性不高，在使用过程中大多只是数据采集，缺乏根据作物生长环境数据控制灌溉过程，产品不够稳定，使用操作界面复杂，用户应用的积极性不高，产品不能大面积推广使用。而实现简单控制的灌溉施肥设备为代表的低端产品占据市场，设备性能单一，控制方式较落后，控制参数较少，数据采集参数少并且不够准确，灌溉施肥过程中精度低等问题，以上问题的普遍存在给智能化设备的发展带来了不利因素。现在已建成投入使用的智能化灌溉施肥项目中，能在实际生产过程中使用智能化设备进行农业生产的企业或者种植户很少，原因之一是农业生产经营者的传统观念，认为以前的种植方式就可以满足农业生产的需要，没必要花费一定的资金进行现代化农业生产改造，原因之二是国外现代化的设备成本太高，并且在使用过程中出现问题时售后的服务不及时，影响了农业生产，很难在国内大面积推广使用。

本文讨论的多功能水肥一体化定额灌溉机是能实现灌溉施肥施药多种功能，设置多种灌溉施肥程序模式的设备，根据土壤墒情和作物生长阶段的水肥需求进行适量灌溉和施肥，避免超量或者欠量灌溉和施肥，有效提高施肥灌溉效率。具有水肥一体化、施药等多种功能，特别是本系统的适应性好，可根据用户需求选择不同的灌溉施肥方式，特别适合面积较大，种植不同作物的情况下，一次性设置各种灌溉施肥模式，按照不同作物的水肥需求自动灌溉施肥。

1系统总体结构

系统由水肥一体化系统由中心控制系统、人机对话界面、传感器水肥检测装置（土壤水分含量传感器、PH传感器、EC传感器、水流量传感器）、肥料原液罐、主管路、供水系统及灌溉系统组成。该系统中，不再需要混肥灌，肥料原液与水的混合在灌溉水泵的进水管道完成。由于从灌溉水泵的进水管道注肥，肥液在水泵叶轮的搅动下，混合非常均匀，如果注入的肥液含有少量没有完全溶解的细小颗粒肥料，在高速旋转的叶轮的作用下，会被搅碎溶解于水中，减少了堵塞滴管滴头的可能性。肥液均匀性和溶解度远远高于其他施肥机的混肥装置，是本系统特有的特点之一。

通过检测灌溉溶液营养成分及酸碱度，并通过控制系统PID运算进行释放不同肥料原液参与混合搅拌，达到农作物在本次灌溉时所需要的灌溉肥水浓度，最后通过滴管装置进行定向位置释放肥水。系统可实现定向于农作物根系最多的土壤位置进行定时、定量营养液或清水输灌。系统在灌溉施肥过程中，一般按照灌溉水一段时间后，使土壤含水量达到一定数值，然后再施肥，最后再灌溉一段时间的水分，用来清洗管道，这个过程可以最大限度地使根系所在土壤的含水含肥量达到所需的最大值，能够把管道里面的剩余肥料清洗干净，避免由于管道含有肥料使微生物生长，导致下次灌溉时滴头被堵塞现象的发生。

本产品特点：

（1）人机交互功能：通过触摸屏菜单的设置参数，实现灌溉施肥区域水肥状态的监测显示，灌溉水量、施肥量、灌溉时间、施肥时间等参数的实时数据的显示，用户设置灌溉施肥等参数在触摸屏直接输入等功能。

（2）灌溉方式设置功能：可以根据灌溉模式设置两种灌溉控制的方式，即种植期时钟方式和定时方式。在本系统中定时方式设置的定时器有8个，用户可以给每个灌区设置8个定时时间，满足分时多频次灌溉需求。

（3）人工干预灌溉施肥功能：对于一个灌区，根据用户设置的灌溉策略，根据用户设置的参数计算配肥控制参数，实现自动灌溉施肥控制。

（4）通过控制继电器组，实现对电磁阀、灌溉泵的控制。特别是根据用户设置的施肥量，灌溉水的总时间，确定灌溉水的过程和施肥过程。实现灌溉水浸润土壤、施肥、灌溉水清洗管道的控制过程。

（5）完成肥液ＥC、PH值检测和管道压力检测的功能。管道压力检测的作用是在灌溉过程中，如果管道由于断裂或者其他管道破损的情况，出现管道水压力突然降低的状况，系统会自动报警并停止灌溉，最大限度减少水肥浪费。

本项目设计水肥一体化控制器的核心功能为：用户可根据需要输入控制参数，选择自动运行后，系统自动完成灌溉、施肥的过程，同时对灌区的土壤含水量、灌溉时间、灌溉周期、施肥状况等数据进行存储，用户可以随时查询历史数据。

2系统硬件

本系统选择的控制板具有运算速度高，控制使用的外围接口数量多的特点，系统硬件使用硬石YS-F4Pro控制板模块，该模块主控芯片采用STM32F407，板载工业以太网、RS232等接口；具有16路光电隔离输出，12路光电隔离输出端口，可根据需要外拓输入输出端口。使用4个端口作为施肥4通道控制信号输出控制，一路水泵启停控制信号，一路施肥泵控制信号，10路灌溉控制通道，一路模拟量输入，一路485数据，RS232与组态屏连接。

3系统软件设计

系统软件的设计，主要是制订灌溉计划实施灌溉过程，控制灌溉设备和肥液输入控制。灌溉计划的制定，要根据作物种类，生长的阶段和生长状态，以及土壤状况和气候条件，确定什么时间灌溉，每次灌溉多长时间，灌溉多少水量，该阶段施肥的具体数量并结合灌溉水量控制施肥浓度，避免出现由于肥液浓度过高而损伤作物根系。在软件设置施肥参数时，如果设置的施肥浓度高于设定施肥浓度，则会报警提醒用户修改对应的参数。为了达到控制需求的精度，需要实时采集土壤含水量、EC等参数，作为灌溉参数设置的依据。针对不同灌区，可以分别设置灌溉时间，灌溉周期。根据每个灌区的不xxKZ/Jk1huCFPuMqaS63B55HY2jcKYeF0gQMP1ajlTw=同种植作物的水肥需求，设置灌溉模式，灌溉模式包含水量控制设置和施肥配方设置。

对于一个灌区，根据用户设置的灌溉策略设置的配肥控制参数，实现自动灌溉施肥控制。通过控制继电器组，实现对电磁阀、灌溉泵的控制，完成肥液ＥC、PH值检测和管道压力检测的功能。在肥料输入控制，由于本系统设计中没有使用混肥灌，肥液浓度控制是通过控制四路肥液输入电磁阀的开关频率，采用的输肥泵具有恒流输出特点，四路肥液输入电磁阀的控制根据设置的施肥量和施肥时间，确定开关频率，一般最小开关频率设定为每分钟30次，在整个程序控制中，避免电磁阀开关频率太高出现电磁阀不动作或者电流太大而损坏。

3.1便捷的人机交互功能

触摸屏：采用10.2寸大屏显示，提供图片及中文显示。触摸屏与控制参数设置和控制设备之间的交互，主要实现系统的状态数据、控制设备等的数据显示以及用户设置参数的输入等功能。在界面中可直接设置自动或者手动模式，手动模式是用户可根据自己的经验设置参数或者控制灌溉时间，自动模式是根据用户已设置好的灌溉参数，自动进行灌溉水量和施肥量的控制。启停按钮用于灌溉的控制，用于控制灌溉设备和注肥泵以及灌溉水泵的启停，开启后，用户可根据时间灌溉情况决定灌溉的水量和施肥量。界面可直接显示4个施肥电磁阀和灌溉水的水泵工作状态，实时显示管道水流量、施肥量以及肥液PH值和反应混合水肥浓度的电离子数值等数据。在界面右侧是灌溉设置、配方设置、自动运行等菜单。

3.2灌溉设置功能

灌溉设置主要用于对各种灌溉参数的配置，在其中选择配方号，浓度上限值，水分的上下限值，阀开关延时时间，各阀门的灌溉顺序与灌溉时间。灌溉时间以分钟为单位，其中设备标准配置为11路阀门控制，扩展阀门控制单独进行配置，通过下一页来选择最多可达64路的阀门控制。每一个阀门可控制一个灌区的水肥灌溉。

3.3施肥配方的编辑设置

共设置9个灌区的配方程序，通过右侧的上下按钮来进行翻页切换。每一个灌区设置4个施肥通道，配方设置主要进行配方的设定，每个通道有通道流量、施肥时间、施肥量3个参数进行设置。其他配方与通道设置方法相同。

4结论

本文设计的多功能水肥一体定额灌溉机，根据用户设置施肥参数、灌溉时间参数、灌溉模式等，自动测量管道水流量，根据用户设置参数和管道水流量计算肥液输入量，保证在一个灌区灌溉施肥时间内施肥浓度均匀。用户在使用时，可一次性设置多个灌区的施肥量和灌溉水量，设备自动运行完成所有灌区的灌溉施肥过程。具有自动化程度高，灌溉精度高的优点。

参考文献

［1］李红，宋秀华，陈超，等.注入式水肥一体化装置研究[J].灌溉排水学报，2023，（1）.

[2]王桂霞，周生霞.浅析水肥一体化应用技术[J].中国农业综合开发，2022，（6）.

[3]荣延军，刘洪岺，张建凯，等.一种多功能水肥一体化机械设备及其应用[J].农业技术与装备，2020，（9）.

[4]钱治丞，宋博，刘勇，等.水肥一体化远程施肥机控制系统设计与实现[J].黑龙江大学自然科学学报，2021，（3）.

[5]李家春，田莉，周茂茜，等.水肥一体化施肥机关键部件的设计与试验[J].中国农村水利水电，2018，（10）.

[6]赵鹏飞，王旭峰，胡灿，等.智能温室水肥一体化装备设计与试[J].农机化研究，2022，（9）.

[7]郭强，汤璐，郭佳，等.基于STM32的智能水肥一体化控制系统的设计[J].工业控制计算机，2015，（4）.

[8]李爱国，宋聪敏，李和平，等.多功能水肥一体定额灌溉机的研制与应用[J].安徽农业科学，2014，（7）.

[9]王梦阳，李亚敏，曾立华，等.大田卷盘拖管水溶肥平移灌溉控制系统的设计[J].农机化研究，2018，（01）.