设施草莓精准灌溉施肥系统的设计与实现

孙昌权，黄 锋

（江苏农林职业技术学院机电工程学院，江苏句容 212400）

0 引言

中国耕地面积约占世界耕地面积的9%，人口约占世界人口的21%，人口与耕地面积的不平衡关系日益加重[1]。随着我国传统农业向现代化农业转型，水肥资源浪费现象愈加突出。据统计，近年我国化肥产量6 620万 t/年，化肥施用量4 124万 t/年，总产量和总消费量均占世界的1/3以上，单位面积农用化肥施用量434.4 kg/hm²，是国际公认单位面积施肥量安全上限的1.93倍[2]。过度施用肥料导致土壤次生盐渍化和酸化、土壤营养失衡、产量和品质下降，严重威胁农业可持续发展。

针对以上问题，亟需加强水肥一体化灌溉技术研究[3-8]，开发出高效率、高精度的水肥一体化系统。设施产业发达国家，如荷兰、以色列等，大力推广水肥一体化技术，其中以色列的耐特菲姆（NETAFM）公司研制的Netajet系列施肥机，目前已发展到第四代，配合其自主研发的模拟肥料阀，保证施肥机输出肥水的EC和pH值一致。我国随起步较晚，但是也取得了许多高质量的成就，其中刘永华、沈明霞等人利用CFD仿真对文丘里吸肥器进行模拟优化，经过试验相对传统吸肥器在吸肥流量等方面显著提升[9]。

笔者基于目前现有技术，结合设施草莓水肥供应实际需求，设计和开发设施草莓精准灌溉施肥系统。该系统基于作物生长过程对水分和肥料的动态需求，精确控制灌水流量、施肥流量及时间，并结合互联网实现对农作物远程水肥管理与监控，可以有效提高水肥资源利用率，提高养分的有效性，有助于提高作物产量和质量，节省资源、减少环境污染、提高劳动生产效率。

1 系统总体结构

1.1 整体结构设计

笔者根据市场上已有的产品和现有技术，结合用户需求，设计系统的整体结构。如图1为设备的三维设计图，该设备外框使用铝型材搭建、混合桶使用不锈钢材料防止营养液腐蚀、控制箱使用防火的有机材料。智能精准灌溉施肥设备设计三路吸肥，EC、pH、流量等数据采集，最大程度上实现作物的智能水肥一体化管理。

图1 三维设计图

1.2 硬件系统设计

精准灌溉施肥设备结构如图2所示，包括供肥系统、灌溉施肥回路系统、PLC控制系统、传感器监测系统、远程控制系统。精准灌溉施肥设备实物图如3所示。

供肥系统包括母液桶、酸液桶、碱液桶、过滤器、电磁阀、文丘里吸肥器、混合罐等。配肥过程，由文丘里吸肥器将母液罐、酸液罐、碱液罐中的溶液吸入混合罐内，PLC控制系统通过控制电磁阀的通断时间，改变占空比，从而调整母液、酸碱液的吸入量。

控制系统包括PLC、模拟量模块、智能远程控制器、触摸屏等。其中PLC作为控制执行器，实现对离心泵、电磁阀的关断，动态调节喷灌量、配肥浓度等。模拟量模块实现对传感器数据的周期性采集，并对采集信息进行分析处理。PLC通过串口1与触摸屏进行通信，实现本地数据监控，同时通过串口2实现与智能远程控制器进行通信，实现WEB端的数据访问、数据下置。

图3 智能精准灌溉施肥设备实物图

2 系统软件设计

2.1 系统配肥软件设计

系统的控制指令由专家控制系统和PLC控制系统发出，其中专家控制系统布置在云服务器端，其生成的控制指令由远程控制器转发至PLC中，如图4所示为系统控制流程图。系统判断EC、pH值是否在允许范围内，如果EC值低于下限则增大施肥阀流量，如果EC值高于上限则减少施肥阀流量；如果pH值低于下限增加碱性调节液，如果pH值高于上限增加酸性调节液。

在手动模式下，系统可控部件依靠操作人员经验进行水肥管理。在设计电气控制系统时，需将水泵与灌溉电磁阀做电气互锁，保证至少有一路灌溉区域打开时，水泵被允许工作，防止灌溉系统因无法出水导致出水回路压力过大，损坏设备。

自动模式下，PLC控制系统按照自动控制程序，并结合专家系统给的控制决策，进行动态水肥管理。

图4 系统控制流程图

2.2 人机界面设计

系统由本地触摸屏和计算机WEB端两个人机交互端口。其中本地触摸如图5所示，可选择手自动切换，其中自动模式下是按照预先在PLC控制器中编写的逻辑控制指令运行，手动状态下可实时监测当前灌溉施肥设备的工作状态及水肥信息，对水泵、电磁阀等执行机构进行手动控制。WEB端水肥管理页面如图6所示，可实现远程水肥管理运维，极大地提高了生产效率。

图2 智能精准灌溉施肥设备机械本体结构示意图

图5 本地触摸屏操作界面

图6 WEB端管理界面

3 系统测试

以江苏农博园草莓基地温室高架基质栽培草莓为研究对象，使用研发的智能精准灌溉施肥设备控制不同的出水量、配肥量，分别探究低水低肥、低水中肥、中水中肥、中水高肥等不同水肥量对草莓单果质量、产量等产生的影响。

3.1 材料与方法

3.1.1 实验材料

本实验于2020年9月—2020年4月在江苏农博园草莓基地的玻璃温室大棚中进行。该温室建筑全部采用钢架结构加钢化双层玻璃，温室内草莓种植模式采用高架基质栽培，其栽培模式如图7，栽培槽上方铺设PE管用于滴灌，滴灌所需的水肥由智能精准灌溉施肥设备供应。

图7 高架基质栽培模式

3.1.2 试验设计

草莓试验选用N、P2O5、K2O比例为14：6：30的复合肥。本试验的草莓品种“红颜”是日本静冈县用章姬与幸香杂交育成的早熟栽培品种良种，本试验共设计两个变量因素：3种滴灌量（低水W3：50%、中水W2：75%、高水W1：98%）3种施肥量（低肥：1 321.46 kg/hm²、中肥：1 733.15 kg/hm²、高肥F1：2 198.79 kg/hm²），分别探究：W1F1、W1F2、W1F3、W2F1、W2F2、W2F3、W3F2、W3F1、W3F2、W3F3十组变量对草莓产量、品质的影响，每组变量设计十株草莓苗共100株苗，一陇种植20株共5陇，考虑到草莓对生长空间的需求，每株苗间距25 cm。

草莓苗于2020年9月7日定植，智能精准灌溉施肥设备控制系统，控制出水量与施肥量，实现对草莓苗的精准灌溉施肥与水肥管理。环境信息监测终端对温室环境信息进行周期监测，如图8所示为温室安装的环境信息监测终端，可以监测温室内的温湿度、光照强度、土壤墒情等信息。

图8 环境监测终端

3.2 试验结果与分析

3.2.1 实验结果

经过对比，100株草莓产量、品质各不相同。草莓产量由大到小依次为F1、F2、F3；草莓品质由大到小依次为G1、G2、G3。在同等施肥量下，在高肥和低肥处理时的产量随灌水量的增加而上升。

在草莓生长阶段，参考安装在智能温室大棚的环境传感器采集的数据信息，调整营养液浓度、灌溉时间和灌溉量，根据草莓变化的生长情况做出响应的调整，同时采集的PH值、EC值参数保持在PC机中，绘制AB液系统阶跃响应曲线如9所示。

可知增加灌水量可以提高草莓的单果质量和产量，减少灌水量有利于增加草莓的可溶性固形物含量、维生素C、含量及水肥利用效率，中等灌溉水平有利于草莓可溶性糖含量、糖酸比和可溶性蛋白质含量提升；较低施肥量可以提升草莓的品质及水分利用效率，中等施肥水平有利于增加草莓的单果质量、产量和肥料利用效率。

图9 AB液系统阶跃响应曲线

3.2.2 结果分析

传统草莓种植模式，主要依靠人工进行水肥管理。不仅费时、肥力而且灌溉施肥精度不高，容易造成作物徒长。经过三个月实验栽培，使用智能精准灌溉施肥设备的草莓苗与传统种植模式下的生长情况草莓的可溶性糖含量、糖酸比和可溶性蛋白质含量的对比表如表1所示。可知使用智能精准灌溉施肥设备与传统人工灌溉施肥在各方面都有较好的表现。

表1 四种水肥模式下的草莓营养成分表