南疆日光溫室輕簡(jiǎn)型水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

新疆農(nóng)機(jī)化 2021年第5期 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2021 05 010 中圖分類號(hào) S365 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 0 引言 新疆水資源缺乏 據(jù)統(tǒng)計(jì)2019年全疆用水量農(nóng)業(yè) 領(lǐng)域?yàn)?11 4億m 3 已超過全疆總用水量的87 1 2 顯著 超出了2012年 新疆可持續(xù)發(fā)展中有關(guān)水資源的戰(zhàn)略研 究 中提到的灌溉用水400億m 3 3 由此可見 新疆水資 源使用量嚴(yán)重超支 必須加以節(jié)制 同時(shí) 新疆為響應(yīng)國(guó) 家 雙減 政策不斷深入開展化肥農(nóng)藥減量增效工作 現(xiàn) 代水肥管控技術(shù)能有效將肥料管控與灌溉節(jié)水相結(jié)合 4 針對(duì)南疆設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉施肥現(xiàn)狀 發(fā)展水肥精準(zhǔn)管控技 術(shù)是促進(jìn)節(jié)水節(jié)肥 優(yōu)化生態(tài)環(huán)境的可靠途徑 5 當(dāng)前 設(shè)施農(nóng)業(yè)中智能連棟溫室使用的水肥一體化設(shè) 備大多從國(guó)外進(jìn)口 例如以色列Galcon公司的Fertimix 水肥一體機(jī)和丹麥Senmatic公司的AMI Penta水肥一 體機(jī)等 6 該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是能有效對(duì)水肥溶液進(jìn)行Ec 電 導(dǎo)率 及pH值精準(zhǔn)調(diào)節(jié) 但需專業(yè)維護(hù)團(tuán)隊(duì)定期維護(hù) 且 價(jià)格高昂 使用場(chǎng)景一般為大型連棟溫室和智能玻璃溫 室 南疆日光溫室目前主要采用壓差罐進(jìn)行水肥一體化 施用 優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜 操作簡(jiǎn)單 易維修 但無(wú)法調(diào)控水 肥比例及集群式智能管控 文章編號(hào) 1007 7782 2021 05 0032 03 南疆日光溫室輕簡(jiǎn)型水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 陳毅飛 楊會(huì)民 喻 晨 王學(xué)農(nóng) 馬 艷 1 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 新疆烏魯木齊830091 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部林果棉裝備科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站 3 新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管控 技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 摘 要 針對(duì)南疆日光溫室對(duì)水肥一體機(jī)高精度 低成本的需求 設(shè)計(jì)了一套輕簡(jiǎn)型水肥一體化系統(tǒng) 系統(tǒng)采用隔膜閥和大流 量文丘里施肥器精準(zhǔn)調(diào)節(jié)水肥比例 通過調(diào)節(jié)水路配置實(shí)現(xiàn)肥料自動(dòng)化攪拌 減少固體肥料的不充分溶解 系統(tǒng)為水肥調(diào)控提 供定時(shí) 遠(yuǎn)程 現(xiàn)場(chǎng)控制 集群控制等多種控制模式 方便用戶按需控制 該南疆日光溫室輕簡(jiǎn)型水肥一體化系統(tǒng)在不同水肥比 例要求下 水肥配比精度高 運(yùn)行穩(wěn)定 可集群式作業(yè) 可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)水肥管控 關(guān)鍵詞 水肥一體化 輕簡(jiǎn)型 集群控制 遠(yuǎn)程控制 Design and Realization of Lightweight and Simple Water and Fertilizer Integrated System for Solar Greenhouse in Southern Xinjiang CHEN Yifei YANG Huimin YU Chen WANG Xuenong MA Yan 1 Xinjiang Institut of Engineering Urumqi 830023 Xinjiang China 2 Scientific Observation and Experiment Station of Forest Fruit Cotton and Facility Agricultural Equipment Ministry of Agriculture Ministry of Agriculture and Rural Affairs 3 Xinjiang Provincial key laboratory of Agricultural in Structure and Environment for Intelligent Management and Control Technology Abstract In response to the high precision and low cost requirements of the solar greenhouse in southern Xinjiang for the high precisionandlow costwaterandfertilizerintegratedmachine alightandsimplewaterandfertilizerintegratedsystemwas designed Thesystemadoptsadiaphragmvalveandalarge flowVenturifertilizerapplicatortopreciselyadjusttheratioofwater to fertilizer Byadjustingthe waterwayconfiguration the automatic mixingoffertilizerisrealized and the inadequate dissolu tionofsolidfertilizerisreduced Thesystemprovidestiming remote on sitecontrol clustercontrolandothercontrolmodesfor waterandfertilizerregulation whichisconvenientforuserstocontrolondemand Undertherequirementsofdifferentwaterand fertilizerratios thelightandsimplewater fertilizerintegratedsystemforthesouthernXinjiangsolargreenhousehashighaccu racyofwaterandfertilizerratio stableoperation clusteroperation andaccuratewaterandfertilizermanagementandcontrol Key words Fertigation Lightandsimpletype Clustercontrol RemoteControl 修回日期 2021 08 24 通訊作者 楊會(huì)民 基金項(xiàng)目 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主培育項(xiàng)目 智能農(nóng)機(jī)裝 備開發(fā) nkyzztd 003 設(shè)施農(nóng)業(yè) 32 新疆農(nóng)機(jī)化2021年第5期 結(jié)合南疆實(shí)際情況 設(shè)計(jì)了一種適用于南疆日光溫室 的基于物聯(lián)網(wǎng)的具有精準(zhǔn)水肥調(diào)控功能的輕簡(jiǎn)型水肥一 體系統(tǒng) 首先 該水肥一體化系統(tǒng)采用特制的大流量文丘 里吸肥裝置 其次利用隔膜式肥量調(diào)節(jié)閥根據(jù)水肥比例 要求及施肥時(shí)間調(diào)節(jié)注肥速率 系統(tǒng)可通過對(duì)水肥機(jī)水 路配置的控制實(shí)現(xiàn)肥料自動(dòng)攪拌 此外 加入物聯(lián)網(wǎng)水肥 控制系統(tǒng) 用戶可通過手機(jī)APP對(duì)多個(gè)水肥一體系統(tǒng)進(jìn) 行集群式操作 因此 該水肥一體化系統(tǒng)具有水肥比例調(diào) 節(jié)精準(zhǔn)可控 使用便捷 吸肥量大 成本低廉 多功能融 合 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 可集群式作業(yè) 易于推廣普及等優(yōu)點(diǎn) 水肥 利用率也能得到一定比例的提升 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本文針對(duì)南疆日光溫室水肥管理過程中的實(shí)際需求 設(shè)計(jì)了一款具有大流量 水肥比例可調(diào) 自動(dòng)混肥及可遠(yuǎn)程 集群式作業(yè)的輕簡(jiǎn)型水肥一體化系統(tǒng) 主要設(shè)計(jì)思路如下 1 大流量吸肥通道 本系統(tǒng)采用大流量文丘里射流 器 該射流器具有防堵 防倒吸 易安裝 高吸肥量功能 以解決水肥一體化系統(tǒng)中肥料溶解不充分 水流倒灌 吸 肥量不足等問題 2 水肥比例可調(diào)控 日光溫室原有施肥裝置大多為 壓差式施肥罐 該施肥罐會(huì)造成施肥時(shí)注肥不均勻的問題 本系統(tǒng)將按照清水灌溉 水肥混合施肥 管道清水沖洗的 步驟進(jìn)行操作 首先清水灌溉時(shí)灌溉泵使管道充盈后持壓 確保灌水均勻 避免直接施肥導(dǎo)致高濃度肥料燒苗 其次 系統(tǒng)可線性調(diào)節(jié)水肥比例 水肥濃度波動(dòng)較小 注肥時(shí)間 可精準(zhǔn)掌控 最后為清洗模式 利用清水將肥桶中剩余肥 液注入主管道 防止肥液殘留在肥桶中發(fā)酵滋生細(xì)菌 防 止化肥殘余溶液滯留 6 3 為便于操作 設(shè)置手動(dòng) 定時(shí)和遠(yuǎn)距離操作3種 模式以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景 用戶可現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作水肥一 體化設(shè)備 也可用定時(shí)模式 例如夜晚需要施肥 灌溉時(shí)可 在白天提前將肥料備好后利用定時(shí)模式在夜間進(jìn)行施 肥 灌溉等操作 本文所設(shè)計(jì)的輕簡(jiǎn)水肥一體化系統(tǒng)分為水肥一體化 管控云平臺(tái) 水肥一體化控制網(wǎng)絡(luò)和水肥管控終端3部分 如圖1 水肥一體化管控云平臺(tái)主要負(fù)責(zé)水肥一體化控制 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上傳下達(dá)及存儲(chǔ) 控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集灌溉 泵 施肥泵等設(shè)備的工作狀態(tài) 并反饋給云平臺(tái) 用戶可 通過云平臺(tái)進(jìn)行主水啟停功能 肥料攪拌功能 注肥比例 調(diào)節(jié) 清洗功能 分區(qū)閥門控制等集群式操作 用戶可使用 微信小程序進(jìn)行設(shè)備參數(shù)查詢 錄入 統(tǒng)計(jì)曲線查詢等操 作 在日光溫室施肥灌溉過程中 用戶根據(jù)實(shí)際生長(zhǎng)情況 確定灌溉持續(xù)時(shí)間 施肥持續(xù)時(shí)間 利用水肥一體化系統(tǒng) 進(jìn)行灌溉 注肥 管道清洗等操作 圖1 輕簡(jiǎn)型水肥一體化系統(tǒng)示意 圖2 灌溉施肥機(jī)結(jié)構(gòu)原理 圖3輕簡(jiǎn)型水肥一體機(jī)樣機(jī) 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 1 輕簡(jiǎn)型水肥一體機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理 輕簡(jiǎn)式水肥一體機(jī)管路結(jié)構(gòu)主要由4部分組成 混 肥系統(tǒng) 注肥系統(tǒng) 灌溉系統(tǒng)和支撐機(jī)構(gòu) 其中混肥系統(tǒng) 包括肥料桶 混肥閥門 過濾器 注肥系統(tǒng)包括大流量文丘 里射流器 網(wǎng)式過濾器 隔膜式肥量調(diào)節(jié)閥 轉(zhuǎn)子流量計(jì) 水肥一體化管控云平臺(tái) 水肥一體化管控服務(wù) 手機(jī) APP 小程 序 WEB 網(wǎng)頁(yè) 水肥一體化控制網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)關(guān) 1 溫室 網(wǎng)關(guān) n 溫室 4G 2G LoRa通信 4G 2G LoRa通信 主水 灌溉 啟停 功能 肥料 水力 攪拌 功能 可調(diào) 比例 注肥 功能 水肥 管路 清洗 功能 灌溉 分區(qū) 閥門 控制 主水 灌溉 啟停 功能 肥料 水力 攪拌 功能 可調(diào) 比例 注肥 功能 水肥 管路 清洗 功能 灌溉 分區(qū) 閥門 控制 水源 過濾器 主水泵 壓力計(jì) 電磁閥 肥泵 管道混合 文丘里注肥器 流量計(jì) 肥料桶 物聯(lián)網(wǎng) 控制器 P 灌 溉 區(qū) 域 電磁閥 設(shè)施農(nóng)業(yè) 33 新疆農(nóng)機(jī)化 2021年第5期 施肥泵 灌溉系統(tǒng)包括主水泵 支路電磁閥 電動(dòng)閥和壓力 計(jì) 疊片過濾器 5 灌溉施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖2 樣機(jī)如 圖3 2 2 輕簡(jiǎn)型水肥一體機(jī)的控制系統(tǒng) 輕簡(jiǎn)型水肥一體機(jī)電路控制如圖4 該設(shè)備主控器采 用基于STM32集成度較高的物聯(lián)網(wǎng)控制器 物聯(lián)網(wǎng)控制器 對(duì)輸入的控制信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析 該設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)自定 義Socket通信協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給水肥管控云平臺(tái) 云平臺(tái)通過 TCP IP協(xié)議實(shí)時(shí)偵聽并對(duì)集群式物聯(lián)網(wǎng)控制器的設(shè)備進(jìn) 行上線識(shí)別與在線監(jiān)測(cè) 用戶通過手機(jī)APP 微信小程序 WEB網(wǎng)頁(yè)都可對(duì)單個(gè)或多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)控制器發(fā)送控制指 令 最后控制信號(hào)經(jīng)自定義Socket通信協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給物聯(lián) 網(wǎng)控制器 物聯(lián)網(wǎng)控制器根據(jù)協(xié)議進(jìn)行控制信號(hào)解析 相 應(yīng)地驅(qū)動(dòng)支路電磁閥 電動(dòng)閥 灌溉電機(jī) 注肥電機(jī)等 圖4 輕簡(jiǎn)型水肥一體機(jī)電路控制系統(tǒng) 圖5 手機(jī)APP展示界面 3 水肥一體機(jī)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì) 水肥管控云平臺(tái)通過自定義Socket通信協(xié)議連接 基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)控制器 實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)水肥管控 數(shù)據(jù) 手機(jī)APP的展示界面如圖5 使用水肥一體化管控 平臺(tái) 可綁定多個(gè)水肥一體機(jī) 設(shè)置水肥一體機(jī)的工作模 式 查詢?cè)O(shè)備工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)歷史曲線等 水肥一體機(jī)通 過手機(jī)APP設(shè)置其控制模式 如遠(yuǎn)程點(diǎn)動(dòng)控制 定時(shí)控 制 遠(yuǎn)程點(diǎn)動(dòng)控制模式下 用戶在溫室勞作過程中可通過 手機(jī)控制主水泵與灌溉分區(qū)閥開啟進(jìn)行灌溉操作 需要施 肥時(shí)可遠(yuǎn)程啟動(dòng)施肥泵進(jìn)行水肥一體化作業(yè) 灌溉量 灌 溉時(shí)間 施肥量 施肥時(shí)間由用戶遠(yuǎn)程點(diǎn)動(dòng)控制 定時(shí)控 制模式下 灌溉作業(yè)時(shí)用戶可設(shè)定單個(gè)或多個(gè)溫室主水 泵開啟及持續(xù)時(shí)間 同時(shí)設(shè)定單個(gè)或多個(gè)輪灌組進(jìn)行分區(qū) 灌溉 水肥一體化作業(yè)時(shí)可提前設(shè)定注肥泵開啟及持續(xù)時(shí) 間 該設(shè)備就會(huì)按時(shí)按比例完成注肥任務(wù) 灌溉及水肥一 體化定時(shí)控制可脫機(jī)操作 控制參數(shù)設(shè)置完成后即使斷網(wǎng) 情況下 水肥一體機(jī)也會(huì)執(zhí)行相關(guān)定時(shí)灌溉 施肥程序 4 結(jié)語(yǔ) 1 利用物聯(lián)網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)了水肥一體機(jī)遠(yuǎn)程控制 使日光溫室內(nèi)的水肥一體化施用做到了單體控制和集群 式管理 提高了日光溫室的灌溉 施肥一體化管控水平 2 設(shè)計(jì)的水肥一體機(jī)解決了日光溫室水肥比例不 可控的問題 實(shí)現(xiàn)了水肥比例穩(wěn)定可控 同時(shí)對(duì)硬件結(jié)構(gòu) 與控制系統(tǒng)進(jìn)行了輕簡(jiǎn)化設(shè)計(jì) 具有體積小 重量輕 肥 桶與管路一體化設(shè)計(jì) 成本較低 使用便捷等特點(diǎn) 3 設(shè)計(jì)的水肥一體機(jī)貼近南疆日光溫室農(nóng)戶使用 習(xí)慣 具備吸肥量大 肥料自動(dòng)化攪拌 易操作 易維修等 特點(diǎn) 具有較好的應(yīng)用及推廣前景 4 由于隔膜式肥量調(diào)節(jié)閥需要用戶根據(jù)實(shí)際作物生 長(zhǎng)周期進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié) 施肥過程中無(wú)法通過物聯(lián)網(wǎng)控制器 進(jìn)行在線調(diào)節(jié) 故該注肥比例遠(yuǎn)程調(diào)控功能應(yīng)繼續(xù)開發(fā) 參考文獻(xiàn) 1 鄒平 肖林剛 王曉冬 等 南疆四地州設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 存在問 題及對(duì)策建議 J 新疆農(nóng)機(jī)化 2019 1 20 22 2 阿力甫 吐魯番地區(qū)高新節(jié)水的發(fā)展現(xiàn)狀存在的問題及對(duì)策 J 農(nóng) 業(yè)與技術(shù) 2012 32 10 37 37 3 黃寶連 張風(fēng)麗 基于水資源合理配置的干旱區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征研 究 以新疆為例 C 中國(guó)軟科學(xué)研究會(huì) 第七屆軟科學(xué)國(guó)際研討 會(huì)論文集中國(guó)卷 上 中國(guó)軟科學(xué)研究會(huì) 中國(guó)軟科學(xué)研究會(huì) 2012 226 237 4 蘇秋芳 水肥一體化技術(shù)在北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與思考 J 農(nóng) 業(yè)工程 2020 10 78 4 106 110 5 曹曉林 劉洋 單巍 淺談設(shè)施農(nóng)業(yè)低壓水肥一體化技術(shù) J 南方 農(nóng)機(jī) 2019 15 9 9 6 狄嬌 汪小旵 孫國(guó)祥 等 溫室輕簡(jiǎn)式灌溉施肥機(jī)的設(shè)計(jì) J 西北 農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2016 44 5 222 227 7 李秋田 日光大棚滴灌節(jié)水技術(shù) J 山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2009 4 94 直流穩(wěn)壓 控制電源 單相電機(jī) 電源 三相電機(jī) 電源 電源模塊 水肥一體機(jī)控制系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng)控制器 交流 接觸器 交流 接觸器 中繼 繼電器 灌溉電機(jī) 注肥電機(jī) 分區(qū)閥門 潛 水 泵 管 道 泵 離 心 泵 螺 桿 泵 電 磁 閥 電 動(dòng) 閥 水肥管控云平臺(tái) 手機(jī) APP 小 程序 WEB 網(wǎng)頁(yè) 管控展示平臺(tái) 管控方式 定時(shí) 控制 遠(yuǎn)程 控制 本地 手動(dòng) 設(shè)施農(nóng)業(yè) 34