胡靈云，張曉晶，張圣微，姚丁文，楊晨曦
（內蒙古農業大學 水利與土木工程建筑學院，內蒙古自治區 呼和浩特 010018）
近年來，我國的蔬菜產業發展迅猛，尤其在自然氣候條件較差的地區，設施農業成為人們“菜籃子”需求的重要保障[1]。我國設施蔬菜水肥管理普遍存在“高水高肥”、灌水施肥方法粗放、時間隨意等問題，沒有按照蔬菜各生育期對水肥的需求規律補充水分和養分，使得水肥利用率低，未被作物利用的水肥進入地下水，造成環境污染或引起土壤次生鹽堿化。我國化肥用量高居世界第一，但肥料利用率僅30%；
人均水資源量僅為世界平均水平的1/4，灌溉水利用率僅0.6；
農業生產存在資源不足與浪費嚴重并存的現象，急需提高水肥利用率[2]。蔬菜生產對施肥和灌溉要求高，按作物需求提供養分和水分不但可以提高產量、品質，也可提高水肥利用率和效益，減少環境污染[3]。
利用微灌技術，達到精準灌溉施肥、提高水肥利用率的目的[4]。由于我國設施蔬菜種植多為一家一戶分散經營，規模小、蔬菜種類多，目前水肥一體化設備價格較高、多用于種植面積較大的地方，造成設備投放使用困難[5]。因此，研發價格合理、操作和管理便捷、因地制宜、適用于大棚的小型設施蔬菜水肥一體化設備，根據水土情況與作物需求配置施肥液體，通過水肥智能控制系統，采取定時、定量、定向的灌水施肥方式，能減少肥料揮發、流失，實現集中施肥和平衡施肥，對實現蔬菜灌溉、施肥的精準管理、減少農業面源污染具有實用價值。
根據設施蔬菜管理要求，水肥一體化智能控制系統主要由設施灌溉施肥系統、信息采集系統和控制系統構成，其中設施灌溉施肥系統包括：水源、動力（水泵）、壓力表、過濾器和施肥器、肥料罐、干支管及毛管（滴灌管等）；
信息采集系統包括：溫度傳感器、濕度傳感器（空氣）、土壤水分傳感器、養分傳感器、管道壓力等；
控制系統包括：信息顯示、灌水定額計算模塊、施肥量計算模塊、灌溉決策系統和施肥決策系統、閥門控制系統等，通過實時采集作物生長環境溫度、濕度、土壤含水量和養分信息，結合不同作物不同生長期需水需肥指標，控制設備進行精準灌水和施肥，提供準確施肥和灌溉服務，真正實現按作物所需“喂養”的目的。
圖1 設施蔬菜水肥一體化智能控制系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated intelligent control system of water and fertilizer for facility vegetables
系統基于云計算、節水灌溉原理和植物營養原理，結合物聯網技術、機電一體化基礎理論和管理技術手段，通過相關設備、管理系統，檢測環境、設備狀態和參數，并根據作物的生長特點及生長過程中對水分、養料的需求量，做出相關決策和控制，達到信息采集、傳輸、管理與設施控制、自動化灌水施肥控制于一體的目的。
2.1 工藝設計思路
水肥一體化智能控制系統通過大棚中布設的土壤水分、養分傳感器及溫度濕度傳感器，將實時監測的土壤養分、水分等數據傳輸到PLC中進行檢測，由PLC通過云平臺把數據傳輸到服務器，通過內置軟件處理數據，結合作物生長狀況視覺采集信息，分析作物水分、養分狀況，根據設置的判別標準，確定是否需要灌溉、施肥及灌水量、施肥種類及施肥量，并將決策結果反饋到PLC；
通過PLC控制系統自動打開灌溉施肥系統的電磁閥，實現自動灌溉、施肥。當各傳感器數值達到標準值，可以自動停止灌溉施肥。
2.2 智能控制系統
信息采集部分，通過無線傳感器結合協議形式與將所采集的信息傳輸至PLC，該傳輸模式的優點是可以同時連接多個傳感器并采集相應數據，省去傳感器的各種連接線，降低了設備的安裝要求，并提高了整套裝備運行的可靠性。由于溫室大棚作物定植后，灌溉施肥系統及通風降溫等設備均已固定，在PLC輸出方面這里都采用直接連接線的方式，方便控制各種設備（見圖2）。PLC通過網絡將數據上傳到云端服務器，由服務器(WEB服務器)對云端服務器發送GET/POST請求，云端服務器收到請求后作出響應，向服務器發送數據，WEB服務器將獲取到的數據存入MySQL數據庫。系統與云端無縫對接，將信息返回PLC后，對其進行控制，實現灌水施肥。
圖2 設施蔬菜智能水肥一體控制系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of integrated control system of intelligent water and fertilizer for facility vegetables
系統通過485通訊線將觸摸屏與PLC連接，用戶在終端可直觀的看到當前大棚作物種植的各種數據，工作模式為自動、手動模式，2種模式相輔相成，由用戶自行確定。自動模式下，由智能控制系統執行判斷并發出指令；
手動模式下，用戶通過登錄賬號進入控制系統，切換到手動控制模式。根據觸摸屏上的相關控制按鍵，顯示所需數據及大棚中施肥罐和滴灌管進行施肥灌溉等。
2.3 系統核心部件技術參數及工作方式
2.3.1 溫濕度傳感器
土壤溫濕度采用RS485數字溫濕度傳感器測定，技術參數詳見表1。溫度傳感器采用熱敏電阻原理測量，根據種植作物設定適宜生長溫度范圍，當溫度偏離此范圍時，電阻會調整電流強度，間接地調整溫度；
土壤水分設置RP1為水分下限預制點，RP2為上限預制點，當水分超出（低于）設置的上限點（下限點）時，傳感器會發出蜂鳴聲，將信號編碼傳至主控制器，由主控制器決定控制狀態。長度不同的若干溫濕度傳感器探針插入土壤，測量不同深度的土壤水分及溫度。
表1 RS485數字溫濕度傳感器技術參數Tab.1 RS485 digital temperature and humidity sensor technical specifications
2.3.2 總控制器
設施蔬菜智能水肥一體控制系統的總控制器主要由PCL和顯示屏組成。數據控制臺根據預設或用戶選定的作物灌溉施肥方案，系統對自動采集的土壤環境溫濕度進行數據解析計算，對水分數據、養分數據與“合適喂養”狀態進行比較，確定是否需要灌溉、施肥，如需灌溉施肥，計算灌溉施肥量，并發出指令。
2.3.3 文丘里吸肥器及電磁閥
系統施肥裝置采用文丘里吸肥器[6]，當流體通過文丘里吸肥器收縮段時，由于管徑變小導致工作流體的一部分壓力能轉換為動能，流體速度變大，在喉部形成負壓區，待負壓達到一定值后可以把肥液罐中的肥液吸入，肥液與灌溉水混合后進入滴灌管滴入作物根部。
灌溉及施肥量采用DC24V水用電磁閥控制，技術參數見表2。當電磁閥處于常位時，活動鐵芯封住導閥口，閥腔內壓力平衡，主閥口封閉。當控制端發出指令、線圈通電時，電磁力將活動鐵芯吸上，主閥腔內產生壓力差，膜片或閥杯被迅速托起，主閥口開啟。線圈斷電時，磁場消失，活動鐵芯復位，導閥口封閉，主閥腔內壓力平衡后，閥口關閉。
表2 DC24V水用電磁閥技術參數Tab.2 Technical parametersof DC24V water solenoid valve
以呼和浩特市賽罕區某溫室大棚為例進行設計和應用，溫室12 m×60 m，其中種植面積約0.067 hm2，土壤為砂壤土，供試土壤的基本理化性質見表3。
表3 供試土壤的基本理化性質Tab.3 Basic physicochemical properties of tested soil
該農戶近2年溫室種植的蔬菜有黃瓜、茄子、西紅柿，以黃瓜為例說明系統運行過程中灌水量和施肥量的確定方法。該溫室黃瓜株距25 cm，行距80 cm，采用水肥一體化滴灌系統灌溉施肥，一行一管，管徑Φ16，滴頭間距25 cm，流量2 L/h。為防止滴頭堵塞采用滴灌專用水溶肥進行水肥一體化施肥作業，其他蔬菜方案以此為參考。
3.1 灌水量的確定
黃瓜為淺根系，主要分布于表土下25～30 cm，集中于植株半徑30 cm內，適宜土壤含水量為田間持水率的60%～90%。通過土壤水分傳感器所測得的土壤含水率及作物生長階段適宜土壤含水率，根據水量平衡方程式計算溫室黃瓜的灌溉量[7，8]。溫室中無大氣降水量，采用滴灌技術無地表徑流量和深層土壤滲漏量；
當土壤含水率低于下限時灌溉，上限按作物各階段適宜含水率確定，灌水定額為：
式中：M——灌溉定額，m3/0.067 hm2；
H——計劃濕潤層深度，mm；
θmax、θmin——土壤體積含水率上、下限，%。
在黃瓜幼苗期根系10 cm以內，θmin為60%θ田，抽蔓期、結果初期及盛期根系深度約30 cm，θmin為70%θ田，上限均為100%θ田；
結果末期θmin為60%θ田，上限90%θ田。計算所得灌水量見表4。
3.2 施肥量的確定
施肥量通過土壤養分傳感器所測得的肥料含量和作物需肥量確定。黃瓜對氮、磷、鉀的需求比例一般是1∶0.56∶1.38[9]。該溫室黃瓜每0.067 hm2的目標產量為10 000 kg，需要N 28～32 kg、P2O58～13 kg、K2O 36～44 kg。黃瓜結果期需肥量大，養分吸收量可占整個生育期吸收量的80%以上。盛果期是黃瓜養分需求的最大時期，也是追肥的關鍵時期，此時施肥能大幅度提高黃瓜產量。土壤的基礎肥力可以提供N 974 g、P2O580 g、K2O 2.7 kg。根據黃瓜各生育階段需肥量，由式3計算各個時期中土壤供肥量，二者的差值即為施肥量。
表4中給出了試驗溫室黃瓜需要的施肥量，通過主控制器進行施肥。采用水肥一體化技術，肥料利用率較高，氮肥、磷肥、鉀肥的利用效率分別為40%、25%、45%。基于目標產量及黃瓜的養分吸收規律具體的施肥方案見下表4，以每個階段3次隨水施肥為基準。
表4 黃瓜不同時期的灌水定額及施肥量Tab.4 Irrigation quota and fertilizer amount of cucumber in different periods
3.3 系統應用
根據用戶提供的相關信息調試試統，在自動模式下可以對土壤水分及養分的數據進行采集，通過有線傳輸的方式傳送至PLC，云端以設定數據為基礎，分析所獲得的數據，計算所需的灌水施肥量并將這一信息傳導至PLC，PLC會根據收到的數據控制不同的設備運行，使得農作物生長環境保持最佳狀態。
在自動模式期間，用戶可以每天觀察農作物生產情況數據，如果此時數據偏離理想設定值，則啟動設備動作進行補給，圖3給出了該系統的交互界面。針對生產情況隨時調整各要素。當切換至手動模式，用戶可以通過觸摸屏上的按鍵，控制PLC輸出端的所連設備，比如滴灌管流量，施肥罐所投放化肥含量等一系列操作，在手動模式時傳感器依然會實時采集數據。這些數據將會以表格的形式儲存下來，用戶可以將數據通過U盤等存儲設備導出，也可隨時查詢歷史數據。
圖3 設施蔬菜智能水肥一體控制系統交互界面Fig.3 Interactive interface of integrated control system of intelligent water and fertilizer for facility vegetables
采用Modbus協議將PLC和物聯網云盒子相連，將數據經4G網絡傳遞到電腦端，實現遠程控制，體現智能種植一體化。與此同時可以使用手機小程序監測數據及生長狀態，隨時隨地即可種植，減輕勞動力并縮短務農時間，幫助用戶找到最佳作物生長環境，提高大棚種植的經濟效益，更加體現精準種植優勢。
對于不同的溫室規模、作物等，該系統可根據種植情況及作物優質高產灌溉施肥模式，通過自動采集土壤信息，確定作物所需的灌溉量、灌溉頻次、施肥量等技術指標的個性化技術指導服務和跟蹤反饋，實現設施蔬菜精準灌溉施肥，使溫室環境保持在作物生長所需的最佳條件。
根據我國北方設施蔬菜種植多為分散經營、規模小、蔬菜種類多的特點，開發了設施蔬菜智能水肥一體控制系統，并在內蒙古呼和浩特呼和浩特市賽罕區溫室黃瓜種植中進行了實際應用，得到以下主要結論。
（1）設計研發了設施蔬菜水肥一體化智能控制系統，主要由設施灌溉施肥系統、信息采集系統和控制系統構成，通過實時采集作物生長環境溫度、濕度、土壤含水量和養分信息，結合不同作物不同生長期需水需肥指標，精準灌水和施肥，提供準確施肥和灌溉服務，真正實現按作物所需“喂養”作物。
（2）通過內蒙古呼和浩特市賽罕區某溫室大棚黃瓜種植進行了系統測試，系統根據溫室種植條件、土壤特性、作物特征和作物產量模式等，在自動模式下采集所需土壤信息數據，通過有線傳輸至PLC，由PLC對所采集的數據轉運，云端以設定數據為基礎，分析所獲得的數據，計算所需的灌水施肥量并將這一信息反饋至PLC，PLC根據收到的數據控制不同的設備動作，使作物生長環境保持最佳狀態，實現設施蔬菜精準灌溉施肥。
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