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新疆农机化 2021年第5期 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2021 05 010 中图分类号 S365 文献标识码 A 0 引言 新疆水资源缺乏 据统计2019年全疆用水量农业 领域为511 4亿m 3 已超过全疆总用水量的87 1 2 显著 超出了2012年 新疆可持续发展中有关水资源的战略研 究 中提到的灌溉用水400亿m 3 3 由此可见 新疆水资 源使用量严重超支 必须加以节制 同时 新疆为响应国 家 双减 政策不断深入开展化肥农药减量增效工作 现 代水肥管控技术能有效将肥料管控与灌溉节水相结合 4 针对南疆设施农业灌溉施肥现状 发展水肥精准管控技 术是促进节水节肥 优化生态环境的可靠途径 5 当前 设施农业中智能连栋温室使用的水肥一体化设 备大多从国外进口 例如以色列Galcon公司的Fertimix 水肥一体机和丹麦Senmatic公司的AMI Penta水肥一 体机等 6 该设备的优点是能有效对水肥溶液进行Ec 电 导率 及pH值精准调节 但需专业维护团队定期维护 且 价格高昂 使用场景一般为大型连栋温室和智能玻璃温 室 南疆日光温室目前主要采用压差罐进行水肥一体化 施用 优点是价格便宜 操作简单 易维修 但无法调控水 肥比例及集群式智能管控 文章编号 1007 7782 2021 05 0032 03 南疆日光温室轻简型水肥一体化系统设计与实现 陈毅飞 杨会民 喻 晨 王学农 马 艳 1 新疆农业科学院农业机械化研究所 新疆乌鲁木齐830091 2 农业农村部林果棉装备科学观测实验站 3 新疆设施农业智能化管控 技术重点实验室 摘 要 针对南疆日光温室对水肥一体机高精度 低成本的需求 设计了一套轻简型水肥一体化系统 系统采用隔膜阀和大流 量文丘里施肥器精准调节水肥比例 通过调节水路配置实现肥料自动化搅拌 减少固体肥料的不充分溶解 系统为水肥调控提 供定时 远程 现场控制 集群控制等多种控制模式 方便用户按需控制 该南疆日光温室轻简型水肥一体化系统在不同水肥比 例要求下 水肥配比精度高 运行稳定 可集群式作业 可实现精准水肥管控 关键词 水肥一体化 轻简型 集群控制 远程控制 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 通讯作者 杨会民 基金项目 新疆农业科学院自主培育项目 智能农机装 备开发 nkyzztd 003 设施农业 32 新疆农机化2021年第5期 结合南疆实际情况 设计了一种适用于南疆日光温室 的基于物联网的具有精准水肥调控功能的轻简型水肥一 体系统 首先 该水肥一体化系统采用特制的大流量文丘 里吸肥装置 其次利用隔膜式肥量调节阀根据水肥比例 要求及施肥时间调节注肥速率 系统可通过对水肥机水 路配置的控制实现肥料自动搅拌 此外 加入物联网水肥 控制系统 用户可通过手机APP对多个水肥一体系统进 行集群式操作 因此 该水肥一体化系统具有水肥比例调 节精准可控 使用便捷 吸肥量大 成本低廉 多功能融 合 结构简单 可集群式作业 易于推广普及等优点 水肥 利用率也能得到一定比例的提升 1 系统总体设计 本文针对南疆日光温室水肥管理过程中的实际需求 设计了一款具有大流量 水肥比例可调 自动混肥及可远程 集群式作业的轻简型水肥一体化系统 主要设计思路如下 1 大流量吸肥通道 本系统采用大流量文丘里射流 器 该射流器具有防堵 防倒吸 易安装 高吸肥量功能 以解决水肥一体化系统中肥料溶解不充分 水流倒灌 吸 肥量不足等问题 2 水肥比例可调控 日光温室原有施肥装置大多为 压差式施肥罐 该施肥罐会造成施肥时注肥不均匀的问题 本系统将按照清水灌溉 水肥混合施肥 管道清水冲洗的 步骤进行操作 首先清水灌溉时灌溉泵使管道充盈后持压 确保灌水均匀 避免直接施肥导致高浓度肥料烧苗 其次 系统可线性调节水肥比例 水肥浓度波动较小 注肥时间 可精准掌控 最后为清洗模式 利用清水将肥桶中剩余肥 液注入主管道 防止肥液残留在肥桶中发酵滋生细菌 防 止化肥残余溶液滞留 6 3 为便于操作 设置手动 定时和远距离操作3种 模式以满足不同的应用场景 用户可现场手动操作水肥一 体化设备 也可用定时模式 例如夜晚需要施肥 灌溉时可 在白天提前将肥料备好后利用定时模式在夜间进行施 肥 灌溉等操作 本文所设计的轻简水肥一体化系统分为水肥一体化 管控云平台 水肥一体化控制网络和水肥管控终端3部分 如图1 水肥一体化管控云平台主要负责水肥一体化控制 网络的数据上传下达及存储 控制网络负责实时采集灌溉 泵 施肥泵等设备的工作状态 并反馈给云平台 用户可 通过云平台进行主水启停功能 肥料搅拌功能 注肥比例 调节 清洗功能 分区阀门控制等集群式操作 用户可使用 微信小程序进行设备参数查询 录入 统计曲线查询等操 作 在日光温室施肥灌溉过程中 用户根据实际生长情况 确定灌溉持续时间 施肥持续时间 利用水肥一体化系统 进行灌溉 注肥 管道清洗等操作 图1 轻简型水肥一体化系统示意 图2 灌溉施肥机结构原理 图3轻简型水肥一体机样机 2 系统设计与实现 2 1 轻简型水肥一体机的结构设计与工作原理 轻简式水肥一体机管路结构主要由4部分组成 混 肥系统 注肥系统 灌溉系统和支撑机构 其中混肥系统 包括肥料桶 混肥阀门 过滤器 注肥系统包括大流量文丘 里射流器 网式过滤器 隔膜式肥量调节阀 转子流量计 水肥一体化管控云平台 水肥一体化管控服务 手机 APP 小程 序 WEB 网页 水肥一体化控制网络 网关 1 温室 网关 n 温室 4G 2G LoRa通信 4G 2G LoRa通信 主水 灌溉 启停 功能 肥料 水力 搅拌 功能 可调 比例 注肥 功能 水肥 管路 清洗 功能 灌溉 分区 阀门 控制 主水 灌溉 启停 功能 肥料 水力 搅拌 功能 可调 比例 注肥 功能 水肥 管路 清洗 功能 灌溉 分区 阀门 控制 水源 过滤器 主水泵 压力计 电磁阀 肥泵 管道混合 文丘里注肥器 流量计 肥料桶 物联网 控制器 P 灌 溉 区 域 电磁阀 设施农业 33 新疆农机化 2021年第5期 施肥泵 灌溉系统包括主水泵 支路电磁阀 电动阀和压力 计 叠片过滤器 5 灌溉施肥机的结构原理如图2 样机如 图3 2 2 轻简型水肥一体机的控制系统 轻简型水肥一体机电路控制如图4 该设备主控器采 用基于STM32集成度较高的物联网控制器 物联网控制器 对输入的控制信息进行数据分析 该设备状态数据经自定 义Socket通信协议转发给水肥管控云平台 云平台通过 TCP IP协议实时侦听并对集群式物联网控制器的设备进 行上线识别与在线监测 用户通过手机APP 微信小程序 WEB网页都可对单个或多个物联网控制器发送控制指 令 最后控制信号经自定义Socket通信协议转发给物联 网控制器 物联网控制器根据协议进行控制信号解析 相 应地驱动支路电磁阀 电动阀 灌溉电机 注肥电机等 图4 轻简型水肥一体机电路控制系统 图5 手机APP展示界面 3 水肥一体机软件平台设计 水肥管控云平台通过自定义Socket通信协议连接 基于STM32的物联网控制器 实时显示与存储水肥管控 数据 手机APP的展示界面如图5 使用水肥一体化管控 平台 可绑定多个水肥一体机 设置水肥一体机的工作模 式 查询设备工作状态和数据历史曲线等 水肥一体机通 过手机APP设置其控制模式 如远程点动控制 定时控 制 远程点动控制模式下 用户在温室劳作过程中可通过 手机控制主水泵与灌溉分区阀开启进行灌溉操作 需要施 肥时可远程启动施肥泵进行水肥一体化作业 灌溉量 灌 溉时间 施肥量 施肥时间由用户远程点动控制 定时控 制模式下 灌溉作业时用户可设定单个或多个温室主水 泵开启及持续时间 同时设定单个或多个轮灌组进行分区 灌溉 水肥一体化作业时可提前设定注肥泵开启及持续时 间 该设备就会按时按比例完成注肥任务 灌溉及水肥一 体化定时控制可脱机操作 控制参数设置完成后即使断网 情况下 水肥一体机也会执行相关定时灌溉 施肥程序 4 结语 1 利用物联网控制器实现了水肥一体机远程控制 使日光温室内的水肥一体化施用做到了单体控制和集群 式管理 提高了日光温室的灌溉 施肥一体化管控水平 2 设计的水肥一体机解决了日光温室水肥比例不 可控的问题 实现了水肥比例稳定可控 同时对硬件结构 与控制系统进行了轻简化设计 具有体积小 重量轻 肥 桶与管路一体化设计 成本较低 使用便捷等特点 3 设计的水肥一体机贴近南疆日光温室农户使用 习惯 具备吸肥量大 肥料自动化搅拌 易操作 易维修等 特点 具有较好的应用及推广前景 4 由于隔膜式肥量调节阀需要用户根据实际作物生 长周期进行手动调节 施肥过程中无法通过物联网控制器 进行在线调节 故该注肥比例远程调控功能应继续开发 参考文献 1 邹平 肖林刚 王晓冬 等 南疆四地州设施农业发展现状 存在问 题及对策建议 J 新疆农机化 2019 1 20 22 2 阿力甫 吐鲁番地区高新节水的发展现状存在的问题及对策 J 农 业与技术 2012 32 10 37 37 3 黄宝连 张风丽 基于水资源合理配置的干旱区产业结构特征研 究 以新疆为例 C 中国软科学研究会 第七届软科学国际研讨 会论文集中国卷 上 中国软科学研究会 中国软科学研究会 2012 226 237 4 苏秋芳 水肥一体化技术在北京市设施农业中的应用与思考 J 农 业工程 2020 10 78 4 106 110 5 曹晓林 刘洋 单巍 浅谈设施农业低压水肥一体化技术 J 南方 农机 2019 15 9 9 6 狄娇 汪小旵 孙国祥 等 温室轻简式灌溉施肥机的设计 J 西北 农林科技大学学报 自然科学版 2016 44 5 222 227 7 李秋田 日光大棚滴灌节水技术 J 山西农业科学 2009 4 94 直流稳压 控制电源 单相电机 电源 三相电机 电源 电源模块 水肥一体机控制系统 物联网控制器 交流 接触器 交流 接触器 中继 继电器 灌溉电机 注肥电机 分区阀门 潜 水 泵 管 道 泵 离 心 泵 螺 杆 泵 电 磁 阀 电 动 阀 水肥管控云平台 手机 APP 小 程序 WEB 网页 管控展示平台 管控方式 定时 控制 远程 控制 本地 手动 设施农业 34
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