智能温室水肥一体化装备设计与试验.pdf

智能温室水肥一体化装备设计与试验 赵鹏飞1 2 王旭峰1 2 胡 灿1 2 徐 灿3 郭文松1 2 贺小伟1 2 王 龙1 2 邢剑飞1 2 1 塔里木大学机械电气化工程学院 新疆阿拉尔 843300 2 新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工 程重点实验室 新疆阿拉尔 843300 3 广东省现代农业装备研究所 广州 510630 摘 要 目前 设施园艺营养液多采用先配后用的模式 成本高 效率低 同时温室内环境对作物生长至关重要 为此 设计了一套智能温室水肥一体化装备 该装备由灌溉管路 配肥装置 环境监测与调节系统和控制系统组 成 可以实现水肥的按需动态混合 栽培环境实时监控与控制等功能 配肥装置采用蠕动泵与文丘里吸肥器的 组合设计 并在主管道安装静态混合器 有效提高配肥速度与精度 达到了营养液现用现配 及时混合的目的 且 设计有环境监测与调节系统 以维持温室内环境的稳定 控制系统软件基于Microsoft Foundation Classes MFC 面 向对象开发 设计有简洁明了的人机交互界面以及功能分区 试验验证表明 蠕动泵与文丘里的组合可以有效 提高吸肥精度 温室内环境监测调节系统能够维持温室内环境稳定 控制软件系统稳定 人机交互便捷 装备整 体运行稳定 可以实现目标功能 为水肥一体化灌溉系统的设计提供了新的思路和技术支撑 关键词 水肥一体化 智能控制系统 人机交互 微软基础类库 中图分类号 S224 4 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2022 09 0224 05 0 引言 我国农业种植区域分布广阔 各地域水资源差异 较大 水资源不足和肥料利用率低是制约我国农业发 展的两大问题 1 合理保护和利用水资源的重要对 策之一就是转换生产方式 促进传统农业向现代农业 转型 且发展高效节水型农业是大势所趋 2 4 与传统灌溉方式相比 水肥一体化技术在节水 节肥 节药 增产及提高经济效益等方面效果显 著 5 7 但是 目前我国设施园艺生产中 营养液大多 采用先配后用的方法 即在储水池将营养液配置好后 用水泵抽送到相应灌溉区 8 此方法无法按照植物 生长所需动态配置营养液 存在费时费力 资源浪费 等问题 为此 国内外学者对此深入研究 孙宜田等 人针对混肥精度不高的问题 设计了适用于营养液混 合的模糊控制器 将灌溉 施肥 施药有机结合起来 收稿日期 2021 07 10 基金项目 新疆生产建设兵团南疆重点产业创新发展研究项目 2019DB001 2020年省级乡村振兴战略专项 粤财农 2020 100号 作者简介 赵鹏飞 1995 男 山西吕梁人 硕士研究生 E mail zpf2234264 163 com 通讯作者 邢剑飞 1994 男 新疆沙湾人 讲师 E mail 591101353 qq com 使肥料和药液随适量的灌水进入作物根系有效区域 从而提高了混肥的精度和实时性 即提高了肥效 9 以色列的NETAFIM公司研发了由泵站 过滤系统 施 肥灌溉系统 阀门控制系统和田间灌溉管网组成的水 肥一体化灌溉设备 可将配备好的肥料溶液与经净水 按一定比例自动混合 随后进入田间滴灌管网 实现 对作物的水肥一体化补给 10 胡昕宇等人研究了基 于压差式施肥罐的均匀施肥方法 基于肥料连续方程 推导了解析解 由计算机控制流入施肥罐的流量和直 接流过主管道进入灌溉系统的流量 基本实现了灌溉 过程中均匀施肥 11 徐灿等人基于蠕动泵进行了水 肥药一体机装备设计与试验 采用管道内混肥方式 实现了按照作物实际需求现用现配施肥模式 具有较 好的应用价值 12 综上所述 水肥一体化在节水节肥等多方面的优 势使其必将成为我国未来农业生产的发展方向 为 此 针对现有水肥一体机所存在的问题 设计了一套 智能温室水肥一体化装备 可以实现水肥的按需动态 混合 栽培环境实时监控与调节等功能 皆在为水肥 一体化灌溉装备的设计提供新的思路和技术支撑 1 装备组成及工作原理 1 1 装备组成 智能温室水肥一体化装备由灌溉管路 配肥装 422 2022年9月 农机化研究 第9期 置 环境监测与调节系统和控制系统组成 其关键硬 件结构清单如表1所示 表1 水肥一体装备关键结构清单 Table 1 Structural parameter of the pneumatic device 装备名称结构件型号参数数量 灌溉管路 接头4分12 弯头4分36 PE管4分6m 电磁阀4分常闭3 过滤器Y型叠片过滤器1 自吸泵500W 1 泄压阀4分1 配肥装置 蠕动泵57步进电机四辊子蠕动泵3 文丘里吸肥器4分3 静态混合器4分1 环境监测与 调节系统 光照传感器0 10V 1 补光灯0 10V 3 CO2传感器0 10V 1 温湿度传感器0 10V 1 土壤温湿度传感器0 5V 1 水幕湿帘15cm 1 风扇12V 3 控制系统 显示器13 3寸1 控制板Inter UP2 1 电机驱动器4A 24V 3 继电器24V 3 数据采集卡USB DAQ V1 2 1 无线通信模块ATK LORA 01 1 在工作过程中 对用户输入的土壤湿度信息及作 物生长阶段进行施肥量和灌溉量的计算 控制系统根 据以上信息进行配肥控制指令生成 并驱动配肥装置 蠕动泵不同转速配比进行水肥配置 控制系统由控制 板 显示器 数据采集卡与继电器等组成 可对光照 CO2浓度 温湿度等环境信息采集并通过风扇 湿帘和 灯光进行温室内环境调节 也可对自吸泵 蠕动泵 电 磁阀等装置发出驱动指令 1 2 工作原理 水肥一体化装备启动后 输入作物信息 环境调 节系统随即开始对温室内光照 温湿度等信息采集 当温室内环境不在理想状况时 如温室内温度超出植 物生长所需条件时自动报警并启动湿帘与散热风机 进行温室温度调节 温度达标则自动关闭 当二氧化 碳浓度超出限度时 自动开启散热风机 自然光不足 时 控制系统自动开启3组LED植物组培灯进行补 光 反之启动遮光帘 当栽培基质温度过高或湿度不 足时 控制系统自动打开自吸泵和喷灌管道电磁阀执 行喷灌程序 直至基质传感器数值回归规定范围内 当需要供肥时 用户通过触控屏输入作物生长现 阶段需要的水肥比例 控制系统启动自吸泵和电磁 阀 自吸泵从水箱中抽取灌溉水 蠕动泵从肥液桶中 抽取母液 通过蠕动泵出口处浮子流量计中浮子位置 所对应玻璃管刻度即可知道肥液流速是否与设定值 吻合 浮子流量计顶部出口连接至文丘里吸肥器 肥 液在文丘里吸肥器的作用下汇入灌溉管道 随后与灌 溉水一同经过SK型静态混合器 将灌溉水和肥液均 匀混合成营养液 静态混合器出口管串联两个T型 等径三通接头 将管道分为3路 分别为滴灌管路 喷 灌管路和漫灌管路 在各个管道安装常闭型直动式 两位两通电磁阀并串联一个球形阀 营养液从静态混 合器出来后 根据具体灌溉类型选择对应电磁阀即可 实现不同的作业方式 如喷洒叶面肥 只需开启喷灌 管道电磁阀即可 要施加根部肥 只开启滴灌管道电 磁阀即可 为防止操作失误导致管道内压力过大 在 管路中设置有泄压阀 以保护管路运行正常 2 关键装置设计与控制系统设计 2 1 关键装置设计 在温室水肥一体化系统中 配肥装置是其核心所 在 混肥装置由蠕动泵 文丘里施肥器和静态混合器 等组成 如图1所示 1 水箱 2 过滤器 3 吸水泵 4 减压阀 5 废液阀 6 手动球阀 7 电磁阀 8 静态混合器 9 流量计 10 蠕动泵 图1 水肥灌溉系统示意图 Fig 1 Schematic diagram of water and fertilizer irrigation system 522 2022年9月 农机化研究 第9期 目前 文丘里吸肥器是水肥一体机吸肥装置主要 使用设备 但在吸肥过程中水压损失较大 工作时对 压力和流量的变化敏感 其运行工况的波动会造成水 肥混合比的波动 13 因此 为弥补文丘里吸肥器存在 的问题 以维持滴灌系统正常运行及压力和流量能保 持恒定 采用蠕动泵与文丘里相结合的方式 实现定 量定比供肥 蠕动泵是抽取肥液的理想设备 可以有效控制流 量大小 且流量均匀 同时断电时转子起到阀门的作 用 可防止肥液回流 14 工作时 通过电机带动转子 转动 转子上的辊子碾压泵管 将液体碾出泵体后 泵 管形成真空 可将后面的液体吸进泵体 后面的辊子 又将液体挤出泵体 循环往复 实现肥液抽取的目的 只需要控制电机转速即可实现对蠕动泵的精准控制 根据蠕动泵泵头辊子数的不同 分双辊子 三辊 子和四辊子3种类型 刘俊萍等人通过定体积计时法 对3种类型蠕动泵转速与流量关系进行了测量 结果 表明 四辊子结构蠕动泵辊子旋转交替挤压泵管频率 高 出液速度稳定 为蠕动泵最优结构 15 并得出如公 式 1 所示的流量与转速关系式 即 Q 0 032r 0 0165 1 式中 Q 四辊子蠕动泵实际流量 L min r 转速 r min 综上所述 选用高硕科技公司生产的S01型四辊 子泵头蠕动泵 其电机种类为两相四线制57型步进 电机 电机电压范围为3 50V 电机功率范围为30 50W 最高流速2000mL min 步进电机驱动器采用壹 胜电子科技公司生产的DM556型驱动器 文丘里吸肥器结构简单 成本低廉 不需要额外 动力 通过软管与文丘里喉部连接 即可将肥液吸入 滴灌管道 16 可以提高肥液汇入主管道的速度与效 率 保证肥液与水流交汇处肥液能全部进入主管道 同时防止水压过大产生分流影响肥液正常流动 对软 管和蠕动泵起到保护作用 当灌溉水从自吸泵流出 到达文丘里吸肥器喉道 时 管径减小 流速增大 在喉道会产生负压 利用负 压可自动吸取蠕动泵抽取的肥液 在不施肥时 蠕动 泵停止工作 内部转子相当于闭合阀门 可以防止水 流流入软管和蠕动泵内 同时较大流速水流通过文丘 里吸肥器喉道时产生的负压 可以进一步防止水流流 入软管与蠕动泵内部 文丘里吸肥器的应用在提高 水肥混合稳定性的同时不会对灌溉产生影响 本装备在水肥交汇处加装外螺纹接口1 2 文丘 里吸肥器 实物图如图2所示 其允许最小流量为 0 29m3 h 最大流量0 81m3 h 吸肥可达37L h 图2 文丘里吸肥器结构示意图 Fig 2 Schematic diagram of venturi fertilizer absorber structure 静态混合器是一种利用固定在管内壁混合单元体 来改变液体在管内流动状态的高效混合设备 如图3 所示 当水和肥液通过静态混合器内部的混合单元 时 会不断地被混合单元转向和分割 同时产生涡流 达到快速混合均匀的效果 具有安装方便 不消耗能 源的显著优势 是一种非常理想的混肥设备 综合考虑管路设计 选用型号为SK 68620SK型 静态混合器 其管壁透明 材质为UPVC 口径DN20 公称外径25mm 压力等级1 0MPa 图3 静态混合器结构示意图 Fig 3 Schematic diagram of static mixer structure 2 2 控制系统设计 编程软件选用Microsoft Visual Studio中微软基础 类库 Microsoft Foundation Classes MFC 进行编写 该软件是一个微软公司以C 形式封装Windows的 Application Programming Interface 包含有应用程序框 架 可以减少应用程序开发人员的工作量 17 其中 包含大量Windows句柄封装和很多Windows的内建控 件和组件的封装 可在编程界面直接调用封装函数 控件或组件即可完成目标程序编写 操作简单易上 手 编写出的程序可以直接转化为 格式 使其能 在Windows系统环境中完美运行 具有非常好的兼容 性 18 系统要求随时监测影响植物生长最主要的环境变 量 即空气温湿度 光照强度 二氧化碳浓度和基质温 湿度 并在环境变量不理想时自动控制并报警 同时 根据设置进行营养液精确配比与自动施肥 使栽培环 境满足植物生长所需 控制系统软件设计流程图如 622 2022年9月 农机化研究 第9期 图4所示 图4 控制系统设计流程图 Fig 4 Flow chart of control system design 利用MFC编程软件调用函数基础库类封装包进 行面向对象编程 可以方便快捷地设计人机交互界 面 通过人机交互界面触摸屏可以实时显示所采集数 据的结果 发出控制命令并监控设备的运行状态 实 现各种系统控制功能 软件系统分为环境监测及控 制 施肥控制与灌溉 警报界限设定等 环境监测及控 制窗口主要包括CO2浓度曲线 光照强度曲线等环境 变量曲线信息 还包括自动 手动控制模块 对补光 灯 散热风机等的控制按钮等 施肥控制与灌溉窗口主要包括无线通信与设置模 块 自动施肥模块 施肥量记录图标 肥路通断控制按 钮与手动施肥控制模块 通过简洁明了的人机交互界面 可以有效地实现 系统目标功能与需求 提高作业效率 3 样机与试验验证 在塔里木大学机械电气化工程学院创新实验室内 搭建水肥一体化智能控制装备并进行试验 温室长 1 9m 宽1m 占地面积1 9m2 实物如图5所示 图5 样机实物图 Fig 5 Prototype physical drawing 为验证性能是否达标 依次设定蠕动泵流量为 300 900 1500mL min 设定工作时间为1min 观察蠕 动泵运转情况 并用量筒收集测量蠕动泵抽取的溶 液 每个试验重复5次 取平均值为实际流量 流量 精度计算如公式2所示 12 记录表如表2所示 1 Vt t qs q s 100 2 式中 蠕动泵流量精度 Vt 量筒内液体体积 mL t 液体注入量筒时间 min qs 流量设定值 mL min 表2 蠕动泵流量试验结果 Table 2 Flow test results of peristaltic pump 设定流量 mL min 1实际流量 mL min 1精度 300 287 67 95 89 600 593 35 98 89 900 910 56 98 82 1200 1216 23 98 65 1500 1521 46 98 57 为进一步验证水肥混合效果 在完成蠕动泵流量 试验后 进行水肥混合试验 用蠕动泵吸取深色 粘稠 液体 并经文丘里管汇入灌溉管路 分别收集静态混 合器混合前后的水该肥混合溶液于试管中 观察发 现 相比混合器前的溶液 经过静态混合器混合后液 体颜色均匀且无拉丝 静态混合器功能正常 随后进行装备稳定性试验 开启水泵与各电磁阀 722 2022年9月 农机化研究 第9期 和球形阀 蠕动泵设置流量1500mL min 随后依次关 闭灌溉管路 当全部管路关闭时 管道内压力增大 减 压阀随即打开 混合液流入废液桶 管道内压力恢复 则灌溉管路功能正常 为保证环境监测与调节系统稳定可靠 对其进行 功能检测验证 首先 依次手动打开各调节模块 查看 各对应设备是否可以正常运行 对环境允许范围进行 设置 其次 采用人为干扰方式对温室内环境进行干 涉 具体为通过加热 输入二氧化碳气体等方式验证 风机是否可以自动开启 通过遮挡光照传感器 验证 LED植物组培灯是否自动开启 再次 通过输入干燥 气体 将基质温湿度传感器插入缺水基质中 验证灌 溉系统喷灌模式是否开启且喷洒均匀等 通过一系列试验验证 蠕动泵流量精度能够满足 实际应用需求 静态混合器可以有效将水肥混合 灌 溉管路和各灌溉模式功能正常 环境监测与调节系统 也稳定可靠 4 结论 1 从智能温室实际施肥与环境调节需求出发 结 合多个传感器设计了环境调节系统和蠕动泵与文丘 里吸肥器相结合的水肥混合灌溉模式 可以有效监测 并控制温室内环境 同时 蠕动泵与文丘里吸肥器的 组合可以实现定量定比供肥 提高供肥效率和稳定 性 最后 利用静态混合器 提高水肥混合效率和混合 度 能够实现智能温室实际需求 2 控制系统程序基于MFC面向对象编写 可直接 生成 程序 在Windows环境下兼容性好 结合显 示窗口使软件具有非常好的人机交互 同时目标数据 显示清晰 控制简单易上手 3 在塔里木大学机械电气化工程学院重点实验 室完成样机搭建与性能检测试验 结果表明 装置性 能可靠 运行稳定 能够实现所需功能 参考文献 1 付雨晴 丑洁明 董文杰 气候变化对我国农作物宜播 种面积的影响 J 气候变化研究进展 2014 10 2 110 117 2 王恒 韩庆祥 水资源合理保护的可持续发展策略研究 J 工程建设与设计 2020 4 157 158 3 黄玫 我国水肥一体化技术的商业模式研究 D 北京 北京交通大学 2018 4 马文丽 水肥一体化发展现状与展望 J 农业与技术 2018 38 18 47 5 高鹏 简红忠 魏样 等 水肥一体化技术的应用现状与 发展前景 J 现代农业科技 2012 8 250 257 6 黄语燕 王涛 刘现 等 水肥一体化循环灌溉系统的设 计与试验 J 节水灌溉 2019 8 94 97 101 7 杨培岭 任树梅 发展我国设施农业节水灌溉技术的对 策研究 J 节水灌溉 2001 2 7 9 43 8 李恺 尹义蕾 侯永 中国设施园艺水肥一体化设备应 用现状及发展趋势 J 农业工程技术 2018 38 4 16 21 9 孙宜田 李青龙 孙永佳 等 基于模糊控制的水肥药 一体化系统研究 J 农机化研究 2015 37 8 203 207 10 拜耳和Netafim开发新智能灌溉方法 J 世界农药 2018 40 1 59 11 胡昕宇 严海军 陈鑫 基于压差式施肥罐的均匀施肥 方法 J 农业工程学报 2020 36 1 119 127 12 徐灿 刘霓红 程俊峰 等 基于蠕动泵的水肥药一体化 装备设计与试验 J 农机化研究 2022 44 4 63 70 13 韩启彪 黄兴法 刘洪禄 等 6种文丘里施肥器吸肥 性能比较分析 J 农业机械学报 2013 44 4 113 117 136 14 张德利 张守东 李井卫 蠕动泵在液体施肥机中的应 用及性能分析 J 乡村科技 2017 12 88 89 15 刘俊萍 李吉鹏 史永杰 等 水肥一体化灌溉装置蠕 动泵结构优化 J 节水灌溉 2021 2 70 74 16 韩启彪 冯绍元 黄修桥 等 我国节水灌溉施肥装置 研究现状 J 节水灌溉 2014 12 76 79 83 17 朱尧 基于MFC的油田数据实时监测系统 D 荆州 长江大学 2014 18 李辉 MEMS自动气象站远程数据处理 控制与可视化 监测系统软件设计 D 南京 东南大学 2016 下转第235页 822 2022年9月 农机化研究 第9期 content has no significant effect on the results and the interaction between internodes and compression positions has an effect on the results The impact is extremely significant and the interaction between the water content and the compres sion position has a significant impact on the results multiple comparative analysis can be obtained the comparison be tween the sixth inter node and the second inter node and the fourth inter node have a significant impact on the result and the second inter node and the fourth inter node comparison has a significant impact on the results the comparison between the water content of 23 3 and the water content of 34 9 42 4 55 7 and 64 6 has a significant impact on the results and the water content is between 34 9 and 42 4 The mutual comparison is significant the moisture content is 42 4 and 55 7 and the moisture content is 55 7 and 64 6 The relationship between the maximum compressive load force of the industrial hemp in the 3 internodes is Section 6 Section 4 Section 2 the rela tionship of the maximum compressive load force on the 5 kinds of moisture content is 23 9 34 9 42 4 55 7 64 6 2 compressions the relationship between the maximum compressive load force on the position is knotted un knot ted The research results can be used to optimize the parameters of the stripping machine and improve the technical refer ence Key words industrial hemp compression mechanical properties 上接第228页 Abstract ID 1003 188X 2020 09 0224 EA Design and Test of W ater and Fertilizer Integrated Equipment in Intelligent Greenhouse Zhao Pengfei1 2 Wang Xufeng1 2 Hu Can1 2 Xu Can3 Guo Wensong1 2 He Xiaowei1 2 Wang Long1 2 Xing Jianfei1 2 1 College of Mechanical and Electronic Engineering Tarim University Alar 843300 China 2 The Key Laboratory of College 3 Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment Guangzhou 510630 China Abstract At present most nutrient solution in protected gardening are prepared first and then used which is costly and inefficient At the same time the environment in greenhouse is also very important to the growth of crops Therefore a set of intelligent greenhouse water and fertilizer integration equipment is designed which can dynamically mix water and fer tilizer according to needs and monitor the cultivation environment in real time The equipment consists of irrigation pipe line fertilizer distribution device environmental monitoring control system and control system The fertilizer distribution device adopts the combined design of peristaltic pump and venturi fertilizer absorber and a static mixer is installed in the main pipeline which effectively improves the speed and precision of fertilizer distribution and realizes the instant distribu tion and timely mixing of nutrient solutions At the same time an environmental monitoring and control system is designed to keep the greenhouse environment stable The control system software is developed based on microsoft foundation classes and has a concise human computer interface and functional partitions Experiments show that the combination of peristaltic pump and venturi tube can effectively improve the accuracy of fertilizer absorption Greenhouse environment monitoring and regulation system can keep the greenhouse environment stable the control software system stable the man machine inter action convenient the overall operation of equipment stable and achieve the target function which provides new ideas and technical support for the design of water and fertilizer integrated irrigation system Key words integration of water and fertilizer intelligent control system man machine interaction microsoft foundation classes 532 2022年9月 农机化研究 第9期