水肥一體化管控系統(tǒng)設計和實現(xiàn)

　　摘要:針對目前水肥一體化系統(tǒng)存在首部和田間設備隨機組成、規(guī)格標準不統(tǒng)一、對各部件不能統(tǒng)一管理、運行維護智能化程度不高及管理效率低等問題，設計了一套水肥一體化管控系統(tǒng)。系統(tǒng)由水肥一體機、田間設備、云端服務平臺、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和管理網(wǎng)站及微信小程序等部分組成，應用了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、控制決策、智能控制等技術(shù)，在管理軟件的集成下實現(xiàn)了集信息采集、傳輸、管理與決策控制于一體。實際應用表明:系統(tǒng)集成度高，實現(xiàn)了水肥一體化精量灌溉和施肥，提升了管控水平，達到了節(jié)本增效和管理模式的創(chuàng)新，可為水肥一體化系統(tǒng)設計和應用提供參考，應用前景較好。

　　關(guān)鍵詞:高效節(jié)水灌溉;水肥一體化;管控系統(tǒng);智能決策;云端服務平臺;微信小程序

　　0引言

　　我國水資源總量僅為世界的6%，人均不足世界平均水平的1/4，嚴重短缺。每年農(nóng)業(yè)灌溉用水缺口超過300億m3，約有667萬hm2面積得不到有效灌溉［1－2］。主要糧食作物水分生產(chǎn)效率與發(fā)達國家相比僅為其1/2左右，存在較大差距。同時，因化肥施用量過高，化肥利用率偏低。水肥已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸因素，因而大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、實施化肥使用量零增長行動及推廣普及水肥一體化技術(shù)是促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路［3－4］。根據(jù)農(nóng)業(yè)部《推進水肥一體化實施方案(2016—2020年)》，到2020年水肥一體化技術(shù)推廣面積將達到1000萬hm2，發(fā)展空間巨大。

　　1系統(tǒng)總體設計

　　1．1系統(tǒng)組成

　　管控系統(tǒng)根據(jù)目前水肥一體化系統(tǒng)存在的不足，結(jié)合灌溉基礎理論和最新的管理技術(shù)手段，通過相關(guān)設備、管理系統(tǒng)，對環(huán)境、設備狀態(tài)和參數(shù)進行監(jiān)測，并做出決策和控制;用戶可通過多種方式實現(xiàn)查看和操作，達到了信息采集、傳輸、管理、決策和控制于一體的目的。本系統(tǒng)分為3個部分:一是以水肥一體機為核心的田間管控單元，包括水肥一體機、過濾設備、管道、閥門、噴頭滴頭、田間控制設備和管控軟件等;二是以云端服務器為核心的管控平臺，包括云端服務器、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)站等;三是用戶使用端，包括通過Internet網(wǎng)連接的電腦和通過WIFI/4G等網(wǎng)絡連接的移動設備(手機或PAD)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

　　1．2系統(tǒng)工作原理

　　管控系統(tǒng)以云端服務器作為管理核心，每個田間灌溉單元為管理對象，在電腦上通過網(wǎng)站、在移動端設備通過微信小程序進行查看和操作。田間灌溉單元配置1臺水肥一體機，每臺水肥一體機有1個固定的設備號，水肥一體機通過有線或無線管理本灌溉地塊內(nèi)的水泵、施肥泵、電磁閥、流量、壓力、環(huán)境傳感器等設備，并可在本地設置灌溉方式，通過決策系統(tǒng)實現(xiàn)自動水肥一體化灌溉;同時，把相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給云端服務器，用戶可通過各種終端設備進行查詢，并可對各種運行參數(shù)進行設置、對設備進行遠程控制。

　　2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及硬件設計

　　系統(tǒng)由水肥一體機、田間控制部分、云端服務器、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡等部分組成，拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2．1水肥一體機

　　水肥一體機集成了灌溉泵、施肥泵、灌溉變頻器、施肥變頻器、觸摸屏和控制系統(tǒng)，利用決策控制軟件對灌溉、施肥等操作進行集中控制，結(jié)合各傳感器的數(shù)據(jù)分析，制定灌溉施肥計劃。設備具有本地手動觸摸屏操作和通過電腦端、手機的遠程控制雙重操作功能，能在異地通過電腦及手機監(jiān)控，實現(xiàn)灌溉水量、施肥濃度和施肥量的精準控制。

　　2．2田間控制部分

　　田間控制部分主要由田間控制器、電磁閥、傳感器及網(wǎng)關(guān)組成，如圖4所示。田間控制器及各傳感器由太陽能供電系統(tǒng)提供電源，傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教镩g控制器，控制器接收后通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送到水肥一體機，水肥一體機將數(shù)據(jù)存儲在本地同時也上傳至云端服務器。數(shù)據(jù)由管控軟件自動分析處理后做出決策，水肥一體機接收到服務器或本地程序發(fā)出的控制命令，打開對應的電磁閥或執(zhí)行相關(guān)的操作。

　　3應用程序開發(fā)

　　3．1水肥一體化控制系統(tǒng)程序

　　水肥一體機的主要功能是灌溉和施肥，在實際使用時分兩種情況:一種是只灌溉，不需要施肥;一種是按一定比例水肥同施。因而，要針對這兩種情況分別編制不同的控制流程和程序。灌溉分為手動模式和時間模式:在手動模式下，可直接打開和關(guān)閉選定的田間電磁閥進行灌溉，在調(diào)試設備或臨時使用時也可采用。在時間模式下，先設定各電磁閥的開啟時間和灌溉時長，系統(tǒng)自動開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)自動化控制;也可配置各種傳感器，配合決策模型實現(xiàn)智能化灌溉。

　　3．2網(wǎng)站程序開發(fā)

　　系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，在用戶端采用瀏覽器方式，負責接收用戶通過Internet網(wǎng)絡訪問、輸入及控制命令的發(fā)送、監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取等，在服務器端通過網(wǎng)絡為瀏覽器提供數(shù)據(jù)服務。本系統(tǒng)根據(jù)實際需求建成了一個面向管理人員和用戶的網(wǎng)站。管理人員可通過網(wǎng)站發(fā)布設備相關(guān)信息、管理用戶權(quán)限和設備數(shù)據(jù);用戶通過網(wǎng)站可瀏覽信息、查看設備運行數(shù)據(jù)、設置運行參數(shù)和對設備進行操作。

　　4管控系統(tǒng)田間應用

　　2018年春季，在江西鷹潭余江蘆筍種植基地進行了安裝應用。該基地蘆筍種植面積約15hm2，采用水肥一體化管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了灌溉施肥全程自動化、智能化，讓蘆筍基地精準肥水管理成為現(xiàn)實。圖12為水肥一體機安裝現(xiàn)場，圖13為蘆筍滴灌系統(tǒng)。目前，設備運行良好。傳統(tǒng)灌溉方式(漫灌)每次需灌水450m3/hm2，而采用管控系統(tǒng)的滴灌方式每次僅灌溉150m3/hm2，可節(jié)水60%以上;施肥可用水溶肥并能精確控制比例，采用少量多次的方法，肥效利用率大幅提高，顯著減少了肥料的用量，與原有施肥相比費用可節(jié)省50%以上;采用該系統(tǒng)灌溉施肥，通過在水肥一體機上的觸摸屏或手機操作，只需1人即可完成，節(jié)省人工80%以上，而產(chǎn)量和品質(zhì)均有提高，效益有較大提升，1年就可收回設備投入，取得了很好的效果。

　　5結(jié)論

　　設計的水肥一體化管控系統(tǒng)將傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)與智能控制技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合，包括水肥一體機、田間控制系統(tǒng)和以云端服務器為核心的管控平臺，實現(xiàn)了對水肥一體化系統(tǒng)的現(xiàn)場和遠程查看、操作、控制和維護。系統(tǒng)實現(xiàn)了田間各種數(shù)據(jù)動態(tài)直觀顯示及智能決策，提高了水肥控制的精準度，同時可完成多個灌溉單元的集中操作和管理，節(jié)省人工。應用表明，系統(tǒng)可以節(jié)省大量人力、物力和水資源，通過精準灌溉、科學規(guī)范化施肥，提高了水肥利用率，減少了化肥農(nóng)藥施肥量，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全，提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。

　　參考文獻:

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　　［3］韓啟彪，馮紹元，黃修橋，等．我國節(jié)水灌溉施肥裝置研究現(xiàn)狀［J］．節(jié)水灌溉，2014(12):76－79+83．

　　［4］袁洪波，程曼，龐樹杰，等．日光溫室水肥一體灌溉循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)建及性能試驗［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(12):72－78．

《水肥一體化管控系統(tǒng)設計和實現(xiàn)》

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