陳海錄

設(shè)施蔬菜水肥一體化智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境與管理的全自動(dòng)化運(yùn)行，它通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)和手機(jī)APP完成遠(yuǎn)程監(jiān)管。利用內(nèi)置氣象預(yù)報(bào)、灌溉施肥控制模型，能預(yù)報(bào)未來7～15天內(nèi)作物需水情況，智能判別作物生育期和肥水濃度，實(shí)現(xiàn)灌溉預(yù)報(bào)、肥液攪拌與在線檢測(cè)、自動(dòng)配比與混合以及分區(qū)水肥控制等遠(yuǎn)程化監(jiān)控與管理。

1 創(chuàng)新工藝技術(shù)

1.1 工藝設(shè)計(jì)思路：利用在溫室中布設(shè)的土壤水分、養(yǎng)分傳感器及溫度濕度傳感器，水肥一體化智能控制系統(tǒng)可以將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的土壤養(yǎng)分、水分等數(shù)據(jù)傳送到PLC中，并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

由PLC利用云平臺(tái)把信息傳送到遠(yuǎn)端，利用內(nèi)置的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使該數(shù)據(jù)與作物生長(zhǎng)情況的視覺采集信息相結(jié)合，對(duì)作物水分、養(yǎng)分狀況進(jìn)行分析，以設(shè)定的判別標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，綜合判定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在PLC的控制下，自動(dòng)開啟水肥裝置中的電磁閥，實(shí)現(xiàn)了水肥一體化使用。

1.2 智能控制系統(tǒng)

1.2.1 無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)利用可擴(kuò)充的多信道數(shù)字感知采集器，由無線發(fā)射裝置和傳感器組成。所選擇的環(huán)境信息傳感器都是數(shù)字型傳感器，數(shù)字型傳感器包括I2C總線數(shù)字傳感器、單總線數(shù)字傳感器、RS485接口型數(shù)字傳感器。

此外，設(shè)計(jì)中采用接口拓展版來動(dòng)態(tài)擴(kuò)充傳感器使用總量，在理論上，接入擴(kuò)展版后，該系統(tǒng)可以同時(shí)處理256個(gè)傳感器信息，交換機(jī)可以利用撥號(hào)對(duì)每一個(gè)傳感器進(jìn)行IP定位。Zigbee? CC2530定時(shí)向傳感器發(fā)出采集數(shù)據(jù)的命令，然后將這些數(shù)據(jù)通過RF模塊以無線的方式傳輸?shù)脚c主機(jī)連接的協(xié)調(diào)器。

1.2.2 基于ARM智能決策節(jié)水灌溉控制器設(shè)計(jì)。在智慧決策的節(jié)水灌溉控制器中，包含了ARM開發(fā)板和ZigbeeCC2530協(xié)調(diào)器兩部分。協(xié)調(diào)器利用RS232串口與ARM開發(fā)板連接，CC2530協(xié)調(diào)器將收到的Zigbee終端上報(bào)的環(huán)境信息以串口的方式發(fā)送到ARM開發(fā)板。在此基礎(chǔ)上，利用ARM軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯。Zigbee協(xié)調(diào)者僅為1個(gè)，其負(fù)責(zé)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)、建立和維護(hù)。

實(shí)現(xiàn)采集傳感器數(shù)據(jù)、對(duì)灌水狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)控、制定合理的灌水施肥策略，使灌水達(dá)到智能?？刂破鞑捎玫氖且粔K擁有高性能Cortex-A8核心板的ARM開發(fā)板，其使用的是Linux操作系統(tǒng)，可以解析并封裝傳感器獲取的信息，并根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和人工分析，下達(dá)智能灌溉指令。

1.2.3 無線灌溉控制節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)由WRF接收模塊、文丘里比例施肥機(jī)、數(shù)字流量計(jì)、液面計(jì)、2個(gè)電磁閥組成。

在無線射頻接收模塊從協(xié)調(diào)器收到灌溉命令時(shí)，該射頻模塊會(huì)按照該命令，將第一或第二電磁閥打開，在打開之后，持續(xù)地對(duì)數(shù)字流量計(jì)或液位計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，如果達(dá)到了規(guī)定的灌溉數(shù)值，就會(huì)將第一或第二電磁閥關(guān)閉。

第一個(gè)螺線管就是對(duì)注入水進(jìn)行控制的管道，而數(shù)字流量計(jì)就是對(duì)注入水進(jìn)行計(jì)數(shù)的儀器；第2個(gè)電磁閥為控制灌水管道，水平儀為計(jì)量灌水水量的儀器。

2 智能控制系統(tǒng)應(yīng)用

以某溫室大棚為實(shí)例，對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)并使用。該大棚尺寸為12m×60m，作物總面積為0.067hm2，土壤屬于砂壤土。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合兩年來大棚蔬菜生產(chǎn)情況，以黃瓜為例介紹了如何在生產(chǎn)中選擇合適的灌溉水量及肥料用量。該大棚的黃瓜株距為25cm，行距為80cm，使用的是水肥一體化滴灌系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行灌溉和施肥，管徑為Φ16，滴頭間距為25cm，流量為2L/h。為避免灌水器的阻塞，在水肥綜合施用中使用了特殊的水溶性肥料。

2.1 灌水量的確定

黃瓜根系淺薄，在地表以下25～30cm處，在植物周圍30cm處較為集中，其最適水分含量約為60%～90%。利用土壤濕度傳感器測(cè)定的土壤濕度和不同生育時(shí)期的土壤濕度，按水均衡方程，確定大棚內(nèi)的灌溉水量。由于大棚內(nèi)沒有自然降水，所以在灌溉過程中不會(huì)產(chǎn)生地面的徑流，也不會(huì)產(chǎn)生土壤的深層滲透量；在土壤水分含量低于下限的情況下進(jìn)行灌溉，根據(jù)不同時(shí)期的作物水分含量來決定上限的灌水量，其灌水定額如下：

M=H（?max-θmin）/0.667

2.2 施肥量的確定

根據(jù)土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素，測(cè)定出的肥力，再結(jié)合作物對(duì)肥力的需求，來決定施肥量。黃瓜對(duì)氮、磷、鉀的需求比例通常為1∶0.56∶1.38。以日光溫室黃瓜的單株0.67hm2為10，000kg，氮素28～32kg，磷酸鹽58～13kg，鉀素36～44kg。在瓜果期，需要大量的營(yíng)養(yǎng)元素，其對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收在全生長(zhǎng)期中所占比例超過80%。盛果期是對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素要求最高的階段，也是追肥的重要階段，在此階段施用肥料，可使產(chǎn)量得到較大的提高。

表1為該試驗(yàn)設(shè)施所需的肥料用量，該用量由主機(jī)控制。水肥結(jié)合技術(shù)使氮肥的利用率達(dá)到了40%，磷肥的利用率達(dá)到了25%，鉀肥的利用率達(dá)到了45%。根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量和黃瓜的營(yíng)養(yǎng)吸收規(guī)律，以每一階段3次為基礎(chǔ)，制定了具體的施肥方案。

3設(shè)施蔬菜全生育期灌溉模式

以使用者所提供的有關(guān)資料為依據(jù)，來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，在自動(dòng)模式下，能夠收集到土壤水分和營(yíng)養(yǎng)的資料，并將這些資料傳送給PLC，而云計(jì)算則會(huì)對(duì)這些資料進(jìn)行分析，再計(jì)算出所需要的灌水和肥料的數(shù)量，并將這些信息傳遞給PLC，PLC在接收到的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行操作，從而讓作物的生長(zhǎng)環(huán)境維持在一個(gè)最佳的水平。