基于云平台的智能精准配方施肥机设计与实现

李合营，张同心，刘海法，宋成秀，陈立利，李圣文

（1.山东锋士信息技术有限公司，山东济南 250100；2.水发智慧农业科技有限公司，山东济南 250100；3.水发集团有限公司，山东济南 250100））

0 引言

水肥一体化技术在提高水肥利用率、降低劳动力成本等方面具有显著优势，我国自1975年试验研究、示范应用以来，尤其在“一控二减三基本”政策强制要求下，已在多种作物生产中得到大面积推广应用[1]。随着物联网、云计算、大数据等关键信息技术发展，水肥一体化系统的自动化、智能化管控成为研究和应用的热点[2-8]。当前我国水肥一体化技术体系中，管控平台的设计和建设较为薄弱，平台功能大多比较简单，如查看机器状态、直接控制机器开关等，少数实现了完整的用户和权限管理，鲜有提供线上预设水肥计划和策略或是根据实时监测值自动计算和分配水肥的功能，不能有效提升水肥一体化技术的管控水平[9-11]。本研究设计并实现一种基于阿里云的智能水肥一体化智能装备及管控系统，拥有完善的机构、用户、温室、机器和权限管理功能，专家可以线上帮助农户预设水肥计划和策略，并通过实时采集分析土壤、环境等数据再结合专家经验知识，计算和分配水肥，提高水肥一体化技术的全方位自动化和智能化管理水平。

1 平台架构设计

本研究中的架构设计参考了经典的三层架构：数据访问层（UI）、业务逻辑层（BLL）、表现层（UI），并结合实际情况，设计了包括基础设施层、数据层、服务层、应用层的架构。

2 系统结构

设备主要结构包括：肥料制备单元、注肥单元、轮灌控制单元和水肥核心控制单元。

2.1 肥料制备单元

负责将施肥所需的原料（水溶性）进行充分溶解，主要设备包括：肥料桶、搅拌器和液位开关。其中，肥料桶用于储存肥料原料；搅拌器负责加快肥料原料溶解速度；液位开关包含上限和下限两处，用于采集液位极限信号。

2.2 注肥单元

负责将肥液按照系统要求的稀释比、施肥量和施肥时长，注入灌溉水中，主要设备包括：施肥泵、射流器、脉冲电动阀、EC传感器。其中，施肥泵负责提供灌溉及注肥所需的压力和流量；射流器用于将肥液从肥料桶输送至调蓄水箱；脉冲电动阀用于控制肥液流量。

2.3 轮灌控制单元

负责按照要求的轮灌顺序，对相应的大棚阀门进行开关控制，主要设备包括：电磁阀和无线控制器。电磁阀负责灌溉控制。对于适合布线的场景，采用电缆对阀门进行控制；对于不适合布线且距离不超过2 km的场景，采用无线LORA控制器对阀门进行控制。

2.4 水肥核心控制单元

核心控制单元是整个智慧灌溉系统的大脑，负责对整个灌溉流程、灌溉设备及周边配套仪表传感器进行统一管理。核心控制器主要结构包括：主控模块、通信模块、输入输出模块、扩展模块、人机交互模块等部分。

3 主要参数

1）额定流量：根据前期调研和工程实践，单个地块灌溉最大流量为35 m³/h，设计额定流量为40 m³/h。

2）额定压力：根据滴灌带工作压力：50～300 kPa要求，设计额定压力0.4 MPa。

3）轮灌组数：按照每天最多轮灌3个地块、灌溉周期最短6天计算，轮灌组数最大18个，设计支持20个轮灌组。

4）肥料桶容积：根据研究数据，单个肥料桶肥液平均最大用肥量为50 kg/667m2，按照每天最多轮灌3个地块，同时考虑尽量减小占地面积，兼顾肥料制备频率不要过高，设计肥料桶容积为1 m3，管理常规100 m长度的温室时，肥料制备的周期为7天。

5）注肥流量：管理地块面积最大为3333.33 m2，单种肥料最大用量15 kg/667m2，5倍稀释，单次灌溉施肥最短时间1 h计算，最大注肥量为375 L/h。

4 工作流程

4.1 用户注册

设备安装完成后，种植户登录智慧种植管理服务云平台注册，录入用户、水源、地块、灌溉设施等基础信息。信息录入完成后，系统自动将与灌溉相关的信息同步到对应的水肥一体化管理设备。

用户信息包括：种植户姓名、身份证号、手机号、项目区位置。

泵站信息包括：泵站编号、水源类型、出口压力、额定流量、水泵功率。

地块信息包括：地块编号、所属泵站、地块面积、灌溉方式、滴头流量、滴头间距、滴灌带平均间距、测土配方数据、作物类型、作物品种、种植时间。

轮灌阀门信息包括：阀门编号、阀门规格、所属地块。

4.2 方案推送

在开始灌溉前，智慧种植管理服务平台分析生成水肥一体化灌溉方案，方案主要内容包括：灌溉地块编号、灌溉开始时间、亩均灌水量、A肥亩均施肥量、B肥亩均施肥量、C肥亩均施肥量、D肥亩均施肥量，推送到种植户手机，种植户对灌溉方案进行微调确认后，平台将灌溉方案下载到水肥一体化管理设备。

4.3 智慧灌溉

水肥一体化管理设备通过运算，生成灌溉的详细参数及流程，如：计算灌溉时长、分配预灌时间、冲洗时间、计算施肥速度等，并在开始灌溉后自动控制相应的水源、水肥机、轮灌阀门等设备，全自动完成灌溉。

4.4 流程时间节点

1）设备安装完成时，按要求登记基础信息。

2）灌溉季开始前，登记作物的种植信息。

3）灌溉开始前3天，推送灌溉方案信息。

4）灌溉开始前1天，推送灌溉方案，种植户调整确认。

5）灌溉开始前1 h，要求种植户确认设施正常、电源正常、手阀位置正确。

6）灌溉开始时间到达，水肥管理设备自动启动水源，待入口压力正常后启动水肥机；打开轮灌1组阀门开始预灌；预灌时间到达后，启动脉冲电动阀开始水肥一体化灌溉；水肥一体化灌溉结束后，关闭脉冲电动阀，开始冲洗管路；冲洗结束后，关闭轮灌1组阀门，灌溉轮灌1组灌溉结束，打开轮灌2组阀门，按以上顺序进行轮灌2组灌溉，循环直至本次灌溉方案完成。

7）灌溉过程中出现报警、故障需要停机时，可暂停灌溉，通过手机通知用户及时处理，用户处理完成并确认后，系统从中断处开始，重新灌溉。

5 主要环节设计

5.1 核心控制器

使用公司现有水肥核心控制器，分阶段实施。第一阶段开发期间通过PLC+触摸屏进行原型开发试验，第二阶段通过核心控制器（显示设置）+PLC（控制调节）进行现场测试，第三阶段通过升级核心控制器，完全满足现场使用要求。

根据通讯、输入输出点及程序容量，第一阶段开发期选择S7200 smart系列的ST60作为原型开发控制器，配套tpc1061ti触摸显示屏。

5.2 控制策略设计

精准配方施肥机联网智慧平台工作，具体流程前已表述，水肥机程序的控制策略如下：

水肥机接收到的灌溉方案内容示例：灌溉地块2#、灌溉开始时间10：00、均灌水量15 m³/667m2、纯氮3.51 kg/667m2、纯磷0.22 kg/667m2、纯钾0.25 kg/667m2，需微量元素肥0.3 kg/667m2（中微量元素与功能性肥料分别间隔使用）。

1）计算灌溉时长T1：通过基础信息调取2#地块滴头流量2 L/h、滴头间距300 mm、滴灌带平均间距0.8 m，灌溉时长计算公式如下：

T1=Q1×L1×L2/（Q2×0.667）

式中，T1—灌溉时长（h）；

Q1—平均灌水量（m³/667m2）；

L1—滴头间距（m）；

L2—滴灌带平均间距（m）；

Q2—滴头流量（L/h）。

将数据代入公式计算出灌溉时长为：T1=15×0.3×0.8/（2×0.667）=2.7 h。

2）计算施肥时长T2：根据经验数据取预灌时长15 min、冲洗30 min，施肥时长T2=1.95 h。

3）计算肥液养分浓度：A、B、C三个大量元素肥料的氮磷钾养分浓度通过以下公式计算：

D桶的功能肥浓度：D桶功能肥浓度=肥料投入量/溶液体积。

示例如：A桶以氮肥为主，选用尿素（46-0-0）；B桶以磷肥为主，选用磷酸一铵（11-52-0）；C桶以钾肥为主，选用硫酸钾（0-0-50），肥料容积1 m³，A桶肥料投入量均为200 kg，其余B、C桶肥料投入量均为100 kg，各肥料桶内养分浓度分：

A桶：氮元素浓度为：a1=0.46×200/1000=9.2%，磷、钾元素浓度为：0。

B桶：氮元素浓度为：b1=0.11×100/1000=1.1%，磷元素浓度为：b2=0.52×100/1000=5.2%，钾元素浓度为：0。

C桶：氮磷为：0，钾元素浓度为：c3=0.5×100/1000=5%。

原则上选择基础原料后，各肥料桶的配法即固定不再更改。

4）计算肥液用量：由三元一次方程计算出本次灌溉所需各肥料桶溶液的亩均用量。

方程如下：

其中，MN、MP、MK分别为本次灌溉所需纯氮、磷、钾的亩均用量（由上位机模型计算得出），ηN、ηP、ηK分别为追肥所选肥料的氮、磷、钾肥料利用系数，a1、b1、c1分别为A桶的氮、磷、钾养分浓度（%），a2、b2、c2分别为B桶的氮、磷、钾养分浓度（%），a3、b3、c3分别为C桶的氮、磷、钾养分浓度（%），V1、V2、V3分别为本次灌溉所需三个肥料溶液的亩均用量。

施肥方案示例如：纯氮3.51 kg/667m2、纯磷0.22 kg/667m2、纯钾0.25 kg/667m2，A桶氮元素浓度a1=9.2%，磷、钾元素浓度为0。B桶氮元素浓度b1=1.1%，磷元素浓度b2=5.2%，钾元素浓度为0。C桶氮磷为0，钾元素浓度c3=5%。根据番茄日光温室种植肥料利用率实验数据，取氮肥为30%，磷肥为20%，钾肥为50%。

解方程得：v1=125 L；v2=21 L；v3=10 L。1#地块面积0.133 hm2，计算出本次施肥量为：A肥250 L，B肥42 L，C肥20 L。

5）计算各通道注肥流量：注肥流量L=注肥量V/施肥时长T2。

计算得出，A通道：La=250 L/1.95 h=128 L/h，B通道：Lb=42 L/1.95 h=22 L/h，C通道：Lc=20 L/1.95 h=10 L/h。

6）施肥量控制。施肥量控制采用比例调节方式，用户首先调整各注肥通道流量达到额定值La0、Lb0、Lc0、Ld0，确定注肥调节周期T0，取各通道的注肥流量计算值La、Lb、Lc、Ld，计算注肥调节周期内开关时长，如A通道调节周期内：T开=T0×La/La0，T关=T0×（La0-La）/La0，通过对电磁阀开关时长的调节，实现对注肥流量进行调节，从而精确控制施肥量。

7）肥料稀释比复核。以上实例肥料投加总量为：250 L×0.2 kg/L+42 L×0.1 kg/L+20 L×0.1 kg/L=74.2 kg；灌溉水量为30 m³，肥料的稀释比为2.5‰，符合肥料使用要求。

5.3 设备选型

5.3.1 施肥泵设计选型。施肥泵流量：施肥泵应满足最大地块面积灌溉、施肥及监测取样所需的流量、压力要求。以番茄为例，滴灌流量为5～6 m³/h，最大管理面积3333.33 m2计算，所需最大灌溉流量为30 m³/h；施肥及取样管路流量2.2 m³/h×4+1 m³/h=10 m³/h；施肥泵总流量为40 m³/h，扬程取30 m，水泵功率5.5 kW。

5.3.2 电磁阀设计选型。参照国外设备及其开关动作频率，在保证灌溉水肥液均匀度的前提下，尽量减少阀门动作次数，增加阀门寿命。

5.3.3 肥料桶设计选型。根据施肥量参数，按5～7d制备一次肥料计算，确定肥料桶容积为1 m³，黑色，带锥底，配套不锈钢搅拌器。

5.4 施肥器参数

根据各施肥通道流量，选用DN25射流器，吸液量230～530 L/h。