溫室輕簡式灌溉施肥機的設計

第卷第期年月西北農林科技大學學報 （自然科學版 ） （） 網(wǎng)絡出版時間 ： ： ：網(wǎng)絡出版地址 ：溫室輕簡式灌溉施肥機的設計收稿日期 基金項目 國家自然科學基金項目 “基于作物信息融合的多尺度溫室環(huán)境控制系統(tǒng)研究 ”（）作者簡介 狄嬌 （），女 ，江蘇溧陽人 ，在讀碩士 ，主要從事農業(yè)設施環(huán)境模擬與控制研究 。：通信作者 汪小 禙（），男 ，安徽懷寧人 ，教授 ，博士 ，博士生導師 ，主要從事農業(yè)生物環(huán)境模擬與調控研究 。狄嬌，汪小 旵，孫國祥，施印炎，王煊（南京農業(yè)大學 工學院 ，江蘇 南京；江蘇省現(xiàn)代設施農業(yè)技術與裝備工程實驗室 ，江蘇 南京）摘要 【目的 】設計一款基于比例施肥泵和嵌入式控制器的輕簡式灌溉施肥機 ，為實現(xiàn)溫室大棚無土栽培的肥水一體化灌溉與施肥提供支持 ?！痉椒?】灌溉施肥機的結構采用輕型的鋁型材配以萬向輪進行設計 ，硬件主要包括比例施肥泵 、嵌入式控制器 、觸控屏 、多路傳感器 、電磁閥及營養(yǎng)液混合泵等 ，實現(xiàn)種肥水信息的在線監(jiān)測 、多路執(zhí)行設備的實時控制與人機交互 ；同時為實現(xiàn)肥水精準混合建立營養(yǎng)液稀釋模型 ?！窘Y果 】成功設計了溫室輕簡式灌溉施肥機 ，在溫室進行的肥水混合灌溉試驗表明 ，灌溉施肥機作業(yè)前營養(yǎng)液母液自混合以上 ，能夠消除營養(yǎng)液母液沉淀產(chǎn)生的肥水不均勻問題 ，灌溉施肥機電導率 （）控制精度誤差，標準偏差為，能夠滿足溫室無土栽培作物的灌溉施肥要求 ?！窘Y論 】所設計的灌溉施肥機具有較高的肥水混合精度 ，能有效提高肥水利用率 ，建立的營養(yǎng)液稀釋模型為確定作物不同生長期適宜的肥水混合比例提供了一種快速 、簡便的方法 。關鍵詞 無土栽培 ；灌溉施肥機 ；機械設計 ；營養(yǎng)液稀釋模型中圖分類號 文獻標志碼 文章編號 （） ， ， ， ， （ ， ，； ，）：【】 【】 ， ， ， ， ， ， 【】 ， 【】 ， ， ： ； ； ； 溫室無土栽培作物所需的養(yǎng)分和水分均需從灌溉營養(yǎng)液中汲取 ，所以肥水一體化灌溉是溫室無土栽培的核心技術之一 ，肥水一體化灌溉配套機具的研制符合我國設施農業(yè)的發(fā)展需求 ，具有極其重要的意義。傳統(tǒng)肥水灌溉設備通常采用文丘里施肥器 ，但其肥水均勻性和濃度無法精確控制 。目前以色列 、荷蘭等設施農業(yè)發(fā)達國家肥水一體化技術已相當成熟 ，已開發(fā)應用了新型的水溶肥料和功能完善成熟的灌溉施肥機具，如荷蘭公司生產(chǎn)的灌溉施肥機和以色列公司生產(chǎn)的自動灌溉施肥機 ，均能有效地控制灌溉水和肥液的混合 ，實現(xiàn)對電導率 （ ，）、酸堿度 （ ，）的精確控制 ，但其價格較貴 。我國肥水一體化技術的研究與應用還處于起步階段 ，國內學者對肥水灌溉設備也有較多研究，如楊仁全等研制的精密施肥機 ，能精確控制肥液的值和值 ，實現(xiàn)定時 、定量的自動灌溉施肥 ；姚舟華等研制的型溫室自動灌溉施肥機及俞衛(wèi)東等研制的基于的智能灌溉施肥機 ，均能實現(xiàn)多路營養(yǎng)液 、酸液的動態(tài)配比 ，但這些設備大多適用于大型溫室多路肥料的混合與施用 ，存在體積大 、營養(yǎng)液沉淀和自動化管理水平不高等問題 。為此 ，本研究采用嵌入式控制器與觸控系統(tǒng)相結合的硬件控制平臺 ，設計了一種輕簡式灌溉施肥機 ，擬實現(xiàn)對肥水信息的在線監(jiān)測和各執(zhí)行機構的實時控制 ，以解決小型溫室大棚的肥水灌溉一體化問題 ，并以黃瓜為研究對象 ，依據(jù)其不同生長時期的營養(yǎng)需求建立營養(yǎng)液稀釋模型 ，對其各個生長時期適宜的肥水比例進行分析 ；同時 ，為了驗證灌溉施肥機的穩(wěn)定性與可靠性 ，在溫室進行了灌溉施肥性能與控制精度測試 ，以期為溫室無土栽培的肥水一體化灌溉與施肥提供支持 。 輕簡式灌溉施肥機的設計 灌溉施肥機的結構設計與工作原理灌溉施肥機主要由部分組成 ：傳感器 、控制器 、執(zhí)行機構和輔助設備 ，其中傳感器包括液位傳感器 、傳感器 、傳感器 、流量傳感器和土壤濕度傳感器 ，控制器包括上位機觸控系統(tǒng)和下位機控制器 ，執(zhí)行機構包括比例施肥泵 、進水泵 、電磁閥和營養(yǎng)液混合泵 ，輔助設備包括控制箱 、營養(yǎng)液母液桶 、滴灌帶 、過濾器等 。灌溉施肥機的結構原理如圖所示 。圖 灌溉施肥機的結構原理圖 第期 狄嬌 ，等 ：溫室輕簡式灌溉施肥機的設計當進行施肥作業(yè)時 ，開啟進水泵 、進水閥 、進肥閥和施肥閥 ，灌溉水經(jīng)過濾器進入比例泵 ，同時在水壓的驅動下 ，吸肥管吸取相應比率的肥液和灌溉水一起經(jīng)滴灌帶輸送到作物根部 。比例施肥泵的比例調節(jié)范圍為，肥水混合前可以根據(jù)作物所需的肥水比例轉動 “”型調節(jié)鎖調節(jié)比例 ，肥水混合的比例在工作中保持恒定 。營養(yǎng)液母液桶內部設有液位傳感器 ，控制器可實時讀取當前母液液位并顯示在觸控界面上 ，當液位低于時 ，施肥閥自動關閉 ，并提示用戶添加母液 。灌溉施肥機的試驗樣機如圖所示 。圖 灌溉施肥機試驗樣機 營養(yǎng)液與水的均勻混合是均勻施肥的先決條件 。研究中選用固體肥料配制營養(yǎng)液母液 ，多種肥料之間的兼容性問題會使混合溶液產(chǎn)生沉淀 ，導致比例混合后的灌溉營養(yǎng)液值和值不夠準確 ，從而影響灌溉施肥機肥水混合的控制精度 ，故在灌溉施肥機中配置有營養(yǎng)液母液混合泵 ，在施肥作業(yè)前啟動該泵循環(huán)混合營養(yǎng)液母液 ，形成 “自混合 ”，為比例混合泵提供混合均勻的肥液 ，可以有效地提高灌溉施肥機的控制精度 。 灌溉施肥機的控制電路灌溉施肥機控制電路如圖所示 ，控制器上位機采用型觸控屏 ，下位機采用基于 內核的控制器 ，各傳感器信號經(jīng)模擬量電壓轉換模塊接入控制器的模數(shù)接口，控制器對采集到的參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理 ，數(shù)據(jù)經(jīng)標準協(xié)議轉發(fā)給上位機觸控系統(tǒng) ，上位機偵聽到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行解析并通過人機界面直觀顯示 ，實現(xiàn)對各肥水信息的在線監(jiān)測 。通過向觸控系統(tǒng)輸入控制信號 ，選擇施肥機的工作模式 ：灌溉 、施肥和監(jiān)測 ，同樣控制信號經(jīng)標準協(xié)議轉發(fā)給下位機控制器 ，控制器對信號進行解析 ，相應地驅動各執(zhí)行設備 （電磁閥和營養(yǎng)液混合泵 ）。圖 灌溉施肥機的控制電路圖 灌溉施肥機的觸控系統(tǒng)觸控系統(tǒng)通過接口連接下位機控制器 ，實時顯示與存儲肥水信息 ，其觸控系統(tǒng)界面如圖所示 。利用該觸控系統(tǒng) ，可觸控設置灌溉施肥機的工作模式 、查詢系統(tǒng)工作狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)等 。灌溉施肥機通過觸控系統(tǒng)設置其控制模式 ，如手動控制與自動控制 ：手動控制模式下 ，實現(xiàn)手動觸控灌溉 、施肥 ，其灌溉時間和灌溉量 、施肥時間和施肥量由用戶決定 ；自動控制模式下 ，依據(jù)系統(tǒng)設定的濕度下限實現(xiàn)自動灌溉 ，即濕度傳感西北農林科技大學學報 （自然科學版 ） 第卷器實時監(jiān)測基質濕度 ，當其低于時觸發(fā)中斷 ，定時滴灌。通過在線分析灌溉營養(yǎng)液與前一次灌溉后回收液之間的（，其中表示灌溉液的，表示前一次灌溉后回收液的，參考國內外專家推薦固體基質栽培的灌溉施肥原則設計）實現(xiàn)自動施肥 ，設定對作物進行施肥 ，反之不施肥 。圖 灌溉施肥機觸控系統(tǒng)界面 營養(yǎng)液母液稀釋模型的建立灌溉施肥系統(tǒng)可實現(xiàn)水與營養(yǎng)液母液的自動精確比例混合 ，而營養(yǎng)液母液稀釋模型是實現(xiàn)高效混肥的基礎 。不同作物在不同生長發(fā)育時期對營養(yǎng)液的濃度要求存在一定差異 ，以溫室黃瓜營養(yǎng)液灌溉為例，黃瓜定植前期適宜灌溉營養(yǎng)液的值為，定植后期為，營養(yǎng)生長期為，開 花 期 為，坐果期為，而整個生長發(fā)育時期營養(yǎng)液的最適宜值為。本研究以新津春號黃瓜為研究對象 ，參考黃瓜灌溉營養(yǎng)液的成熟配方，選定相應元素肥料配制營養(yǎng)液母液 ，標定營養(yǎng)液母液稀釋模型 ，確定適合黃瓜不同生長發(fā)育時期營養(yǎng)需求的稀釋比例 ，為系統(tǒng)肥水混合精準控制提供決策依據(jù) 。采用凈化水稀釋營養(yǎng)液母液 ，每次取樣本母液 ，稀釋倍數(shù)依次從增加至，標定營養(yǎng)液母液在不同稀釋倍數(shù)下的值和值 ，重復次 ，取其均值為最終標定值 ，標定液溫度為。標定結果如圖所示 。圖 黃瓜營養(yǎng)液值 、值與稀釋倍數(shù)的關系 研究中采用不同稀釋倍數(shù)下值和值的次標定結果均值 ，分別建立營養(yǎng)液、值與稀釋倍數(shù)的擬合方程 ，結果為 ：； （） ； （）式中 ：為營養(yǎng)液母液稀釋倍數(shù) ，為營養(yǎng)液值（），為營養(yǎng)液值 。擬合方程 （）、（）的決定系數(shù)分別為 和 ，該營養(yǎng)液母液稀釋模型方程為黃瓜不同生長期適宜的肥水混合比例提供了參考 。由營養(yǎng)液、值與稀釋倍數(shù)的擬合方程可以得出 ：黃瓜定植前期 、定植后期 、營養(yǎng)生長期及開花坐果期適宜的肥水比例分別為，與。第期 狄嬌 ，等 ：溫室輕簡式灌溉施肥機的設計 灌溉施肥機肥水混合試驗 灌溉施肥機自混合性能穩(wěn)定試驗 試驗方法試驗在南京農業(yè)大學工學院的三脊型溫室中進行 。具體試驗方案為 ：分別在黃瓜定植前期 、定植后期 、營養(yǎng)生長期及開花坐果期等個不同階段進行灌溉營養(yǎng)液的性能測試 ，肥水比例分別為，及，每個階段測試次 ，取次試驗結果的均值進行分析 ，試驗周期貫穿黃瓜的整個生長周期 。每次測試系統(tǒng)運行，每對灌溉營養(yǎng)液采樣次 ，連續(xù)采樣次 ，用精度為的便攜式電導率筆測定樣品的，最后分析系統(tǒng)自混合時間對不同肥水比例灌溉營養(yǎng)液達到穩(wěn)定值的影響 。系統(tǒng)自混合時間分別設置為，和。 試驗結果與分析如圖所示 ，不同肥水比例灌溉營養(yǎng)液的值隨系統(tǒng)自混合時間的不同而變化 。試驗表明 ：滴灌施肥作業(yè)前不開啟自混合功能時 ，肥水比例為，和的灌溉營養(yǎng)液的依次在，和后達到穩(wěn) 定 值 ，分 別 是，和。而開啟自混合功能，和時 ，各肥水比例營養(yǎng)液的均分別在，和后達到相應穩(wěn)定值 。因此 ，灌溉施肥機不開啟自混合功能時 ，營養(yǎng)液值的穩(wěn)定與肥水比例有關 ，營養(yǎng)液濃度越大 ，值穩(wěn)定所需時間越長 ；而當開啟自混合功能后 ，營養(yǎng)液值的穩(wěn)定與自混合的時間直接有關 ，受肥水比例影響較小 。因此 ，施肥作業(yè)前 ，灌溉施肥機自混合以上 ，營養(yǎng)液母液即混合均勻 ，灌溉營養(yǎng)液的可達穩(wěn)定值 ，有效解決了因營養(yǎng)液沉淀帶來的測量誤差 。圖 不同肥水比例灌溉營養(yǎng)液值隨系統(tǒng)自混合時間的變化 灌溉施肥機肥水混合控制精度試驗 試驗方法選定不同的肥水比例 ，測定肥水混合后相應比例的值 ，每種比例重復試驗次 ，計算實測均值及標準偏差 ，分析值的控制精度 。每次試驗前 ，灌溉施肥機自混合，確保營養(yǎng)液混合均勻 。 試驗結果與分析值控制精度試驗的具體數(shù)據(jù)如表所示 ，其結果表明 ：本灌溉施肥機對不同肥水比例營養(yǎng)液的值均具有較好的控制精度 ，控制 精 度 誤 差，標 準 偏 差 為，試驗期間樣機運行正常 ，性能穩(wěn)定 ，能滿足作物不同生長發(fā)育時期的灌溉施肥需求 。西北農林科技大學學報 （自然科學版 ） 第卷表 灌溉施肥機肥水不同比例混合后值控制精度試驗結果 肥水比例 稀釋后標定值 （） 灌溉時實測均值 （） 標準偏差 結論）本研究設計了基于嵌入式控制器和觸控系統(tǒng)的輕簡式智能灌溉施肥機 ，實現(xiàn)了肥水一體化灌溉施肥 。本灌溉施肥機體積小 ，使用便捷 ，肥水利用率高 ，能靈活地在溫室大棚中移動使用 ，具有一定的推廣意義 ，尤其適用于溫室無土栽培肥水一體化灌溉施肥 。）研究中對灌溉施肥機的運行性能進行了試驗設計與分析 ，結果表明 ：施肥作業(yè)前 ，營養(yǎng)液母液自混合以上 ，即可有效解決因營養(yǎng)液沉淀產(chǎn)生的肥水不均勻問題 ；灌溉施肥機對灌溉營養(yǎng)液值有較好的控制精度 ，精度誤差，標準偏差，能夠滿足溫室無土栽培作物的灌溉施肥要求 。）由于比例泵的肥水比例在施肥作業(yè)前按作物生育期需求設定 ，施肥過程中不能更改 ，故對應作物不同生育期所需的肥水比例需定期調節(jié) ，肥水比例的在線調節(jié)功能還有待進一步完善 。參考文獻 張承林 ，郭彥彪灌溉施肥技術 北京 ：化學工業(yè)出版社 ， ， ： ，（ ）郭世榮無土栽培學 北京 ：中國農業(yè)出版社 ， ： ，（ ） ， ， ， ，（）： ， ： ，（）： ， ，（）： ， ， ，：李加念 ，洪添勝 ，馮瑞玨 ，等柑橘園水肥一體化滴灌自動控制裝置的研制 農業(yè)工程學報 ，（）： ， ， ， ，（）：（ ）韓麗娜 ，汪小 禙文丘里施肥器水肥分布分析 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