果园水肥一体化自动控制系统设计和实现

2018-08-10王利源李建平

农机化研究 2018年12期

王利源，梁悦，杨欣，李建平，钱稷

(河北农业大学机电工程学院,河北保定 071001)

0 引言

我国水资源丰富，但人均水资源贫乏，且农业用水总量很大。我国面临水资源的严重匮乏及果园施肥方式不科学等问题，如养分管理粗放、水肥耦合效应差、肥料利用率低等，不利于水果增产和品质的改善，限制了水果产业的高效发展[1]。

水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术。水肥一体化通过压力系统或地形自然落差，将可溶性固体或液体肥料配兑成的肥液与水一起通过可控管道系统供水、供肥。水肥一体化技术在提高作物肥料和水分利用率、改善果树光合特性、提高果实品质、促进果树幼苗和新生枝条生长等方面具有重要意义[1-5]。近年来，水肥一体化技术在世界范围内快速发展，除了在意大利、美国、法国、日本等经济发达国家发展较快，在我国和印度等发展中国家，特别是干旱缺水严重地区，发展得尤为迅速[5]。

笔者以物联网技术为基础，设计了包括井房控制终端、气象站监测终端、田间控制终端和系统平台组成的果园水肥一体化自动控制系统。工作时，各终端设备监测到的数据会通过GPRS无线方式传输至服务器，呈现于系统平台展示界面，系统平台能够通过无线方式下发的指令。

1 终端设备设计

1.1 井房控制终端

井房控制终端(见图1)可通过远程控制、自动控制及手动控制的方式来决定水泵的开关，调节配肥泵的开合程度。终端设备通过GPRS无线方式接收系统平台下发的指令，进行相应控制开关的开启或关闭，传输各类传感器采集到的数据。

1.水泵 2.一级过滤层 3.逆止阀 4.吸肥泵 5.二级过滤层 6.排气阀 7.三级过滤层 8.EC传感器 9.PH传感器 10.流量传感器

在水泵出水管道(混肥前)配备一级过滤网，配肥泵出水管道(混肥前)配备二级过滤网，混肥后的出水管道配备三级过滤网，有效避免较大颗粒的尘埃、树叶在管道中漂流，阻塞田间喷灌的喷头。在混肥后的出水管道中内置EC传感器、pH传感器和流量传感器，监测灌溉施肥的EC值、pH值和流量值。在水泵和混肥器中间配备逆止阀，能够避免混肥器有腐蚀性的水回流水泵及水源，进而污染井房的水源；在混肥器后的管道中配备出气阀，能够提高供水效率，避免出现地下管道因负压造成破管的现象。

吸肥泵的开合程度取决于要施肥的水肥比例，依据出水管道EC传感器观测到的EC值来人工调节配肥泵的开合程度，使之符合施肥的水肥比例。

1.2 田间控制终端设计

田间控制终端(见图2)通过GPRS无线方式接收系统平台下发的指令，进行阀门的开或关，传输土壤温度传感器、土壤湿度传感器和流量传感器采集到的数据。电磁阀会按照系统平台下发的指令，进行阀门的自动开启或关闭；若系统出现故障或部件出现损坏等特殊情况，用户也可通过手动阀开启或关闭阀门。

1.无线数据收发装置 2.手动阀 3.太阳能电池板 4. 电磁阀 5.流量传感器 6.土壤温度传感器 7.土壤湿度传感器

直径50mm的管道一端连接来自井房的直径为110mm的主管道，另一端连接田间的软管。通过电磁阀或手动阀来控制主管道中的水肥流向该控制箱所管控的区域。流量传感器位于阀门开关的后端，能够更加精准地监测流向该控制箱负责区域的水流流量，为指导果园灌溉提供较为科学的参考数据。

控制箱外接土壤温度传感器和土壤湿度传感器，在随机选择的每株果树下选择以树杆为圆点的同心圆均布的3个位置，每个位置垂直细分为3个土壤层，各装1个温度传感器、1个湿度传感器，能够为用户提供更加权威的土壤温湿度数据，确保数据的精准性、全面性、系统性和科学性。

田间控制终端采用太阳能电池板+蓄电池组合供电模式及GPRS无线通讯方式，无需铺设电源线路和信号传输线路，降低了工程耗费，且兼电源供电和信号传输极其稳定，受地形因素的影响较小。

1.3 气象站监测终端设计

气象站监测终端由无线数据收发装置、太阳能电池板、空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器及蒸发量传感器等组成，如图3所示。

气象站上的各类传感器监测到的数据会通过无线数据收发装置及时发送给服务器，在服务器进行分类、汇总和筛选，然后呈现于系统平台上。气象站整体采用太阳能电池板+蓄电池组合供电的方式，既能全天候在线工作，又能节约建设与运营成本，具有环保、节能、美观、稳定等特点。

图3 气象站监测终端示意图Fig.3 Schematic diagram of weather station monitoring terminal

2 系统平台

系统平台是设计的软件系统，是自动化和智能化优势的集中体现。用户能随时随地登录系统平台，远程查看终端监测设备监测到的当前数据和历史数据，控制终端设备的工作状态，提高了工作效率，使果园管理变得更加自动化、智能化、现代化和科学化。

用户在搜索或输入正确的网址后，输入正确的“用户名”及“密码”，方可登录系统平台，进行其他操作。依据用户的权限等级不同，用户可分为“浏览用户”和“管理用户”两类：浏览用户拥有较低的浏览权限，仅可以浏览数据和查看设备状态；管理用户拥有较高的管理权限，还可以进行远程控制和系统设置。

2.1 首页

首页由编号分区、动漫(视频)展示区、终端设备手动控制区及数据展示区等组成，如图4所示。

编号分区是指系统平台所管控的果园分区，位于页面的左侧，选择不同分区，视频展示区会呈现不同的监控视频画面，数据展示区会出现不同的控制箱数据及设备状态。

动漫(视频)展示区是以动漫或监控视频展示为内容的页面布局，位于页面中间上方，切换左侧的编号分区，会出现相对应的动漫或视频。此功能需要安装监控设备才能实现，未选择分区时默认展示井房控制的动漫示意图。

终端设备手动控制区是指通过点击“开启”或“关闭”按钮，进行相应操作，分为井房开关和田间控制箱开关。其中，田间控制箱的开关需要在选择分区序号后才能进行。

数据展示区包括井房数据及状态、气象站数据及状态、田间控制箱数据及状态。切换编号分区时，井房和气象站的数据、状态都不会切换，而田间控制箱的数据及状态会随着切换编号分区而切换。

图4 系统平台首页Fig.4 Homepage of system platform

2.2 智能灌溉

智能灌溉由限时浇水、定时浇水和限时自动浇水3部分组成，如图5所示。用户可根据实际需要，选择其中的一种实现智能灌溉。

图5 智能灌溉Fig.5 Intelligent irrigation

限时灌溉可任意设置浇水的开始时间及历时时间。例如，设置每周周三14:20开始浇水，历时20min，那么主水泵就会在周三14:20时开始浇水，浇水20min后，于当天14:40关闭阀门，停止浇水。

定时浇水可自由选择浇水的时间段。例如，选择周一的5:00-5:10及14:10-14:40浇水，那么主水泵会在每周周一的这两个时间段进行浇水。

限时自动浇水可设置浇水时间、水分上限、水分下限等参数。例如，设置周一5:00-6:00浇水，土壤水分含量下限值60%，土壤水分含量上限值70%，那么设备会按照设置的要求进行限时自动浇水，持续浇水使其土壤水分含量高于下限值；若浇水过程中土壤水分含量接近或超过上限值，水泵会立即停止灌溉。

2.3 历史数据

历史数据(见图6)能够进行数据的查询及导出等操作。用户也可同时按时间范围与地点分区进行查询及检索某一分区某一时间范围内的数据。

图6 历史数据Fig.6 Historical data

1)按时间范围查询。在时间上选择查询的“开始时间”与“结束时间”，然后点击“查询”选项，就能够自动从服务器的数据库中检索出该段时间范围内的所有浇水记录或气象数据。

2)按地点分区查询。在地点上选择查询的“分区编号”，然后选择“查询”选项，就能够自动从服务器的数据库中检索到该区浇水的所有历史数据。若果园存在多台气象站，用户也可选择查询的“设备编号”或全部，然后选择“查询”选项，就能够自动从服务器的数据库中检索到该设备采集到的所有历史数据。

数据呈现的形式有EXCLE表格和折线图两种，并可在数据呈现后导出数据。EXCLE表格呈现的数据更加清晰、直观，便于进行要素之间的对比观察；折线图呈现的数据更加形象生动，能够反映出变化曲线。数据可以EXCLE表格的形式导出，另存至本地，报表下方的折线图或柱状图可以被导出到本地，以图片的形式存储下来。

2.4 专家系统

专家系统由评分建议与数据指导两个界面组成，如图7所示。

图7 专家系统Fig.7 Expert system

评分建议是依据果树种植专家的建议而形成的作物月份指标数据库。用户登录系统平台可查看各个月份或者每天的土壤湿度、土壤温度、EC值和pH值等建议值；专家建议位于左下方，种植专家登录相应的账号可进行编辑；系统会根据实际情况对建议值进行科学评分。通过这种形式来指导用户科学种植，进而使得果树处于相对科学的生长状态，确保苹果的质量，提高苹果的产量。

数据指导由当前气象参数、天气预报、建议灌溉值变化趋势图、浇水评价列表等组成。气象参数展示当前10min内的风速、风向、大气温度、大气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照、大气压力等参数值；天气预报的数据来源于中央气象台的气象预测，反映前4天、当天、未来4天的天气状况；建议灌溉值变化趋势图是一种反映最近几天苹果需水值、地下水值、建议灌溉值的折线图；浇水评价列表是依据浇水量的实际值，结合苹果的需水值，对过去5天的浇水质量做出一种科学性的评价。