蓝莓温室智能水肥一体化系统构建.pdf

第null期 卞东超 等 蓝莓温室智能水肥一体化系统构建 nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 蓝莓温室智能水肥一体化系统构建 null 卞东超 杨发展 赵国栋 郑凯瑞 林海波 青岛理工大学机械与汽车工程学院 山东青岛 nullnullnullnullnullnull 摘要 蓝莓基地传统的灌溉施肥方式 不仅水肥利用率低 造成大量浪费 带来环境污染 还导致农产品品质的降低 制约 我国现代农业的健康发展 针对上述问题 利用无线传感器物联网监控技术和自动控制技术相结合 基于蓝莓生长环境 和水肥需求的规律 构建包括环境信息采集系统 智能化服务平台 灌溉施肥系统以及环境调节设备 可实时监测蓝莓生 长环境与生长发育状况 并根据蓝莓生长模型与精准算法及时按需足量实现对蓝莓的灌溉施肥与生长发育智能化控制的 蓝莓温室智能水肥一体化系统 试验结果表明设计的智能水肥一体化系统用于蓝莓种植可节水nullnullnull nullnullnull 节肥 nullnullnull nullnullnull 蓝莓增产 nullnullnull nullnullnull 减少 nullnullnull以上劳动力 降低农业污染 关键词 智能水肥一体化 蓝莓温室 物联网 智慧农业 中图分类号 nullnullnull nullnull 文献标识码 null nullnull 文章编号 nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 卞东超 杨发展 赵国栋 郑凯瑞 林海波null蓝莓温室智能水肥一体化系统构建 null null中国农机化学报 nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnull年null月nullnull日 nullnull 修回日期 nullnullnullnull年null月nullnull日 null 基金项目 国家重点研发计划子课题 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 青岛市科技惠民示范引导专项 基于nullnullnull的智能高效山地丘陵水肥一体化技术及装备 研发 青岛西海岸新区科技项目 科技惠民 nullnullnullnull nullnull 第一作者 卞东超 男 nullnullnullnull年生 山东潍坊人 硕士研究生 研究方向为水肥一体化系统及装备开发等 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 通讯作者 杨发展 男 nullnullnullnull年生 山东郓城人 博士 教授 博导 研究方向为智能农机装备 水肥一体化装备开发等 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 引言 我国是一个水资源极度短缺的国家 同时在时空 分布方面也不尽合理 null 此外 我国的水资源利用方 式非常不科学 特别是农业领域 突出表现为用水量 大 用水缺口大 浪费严重 且呈现逐年增加的趋势等 第nullnull卷 null 第null期 nullnullnullnull年null月 中国农机化学报 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 中国农机化学报 nullnullnullnull年 特点 null nullnull 同时 目前我国农业用水的有效利用率不到 nullnullnull 有效利用率仅为发达国家的一半 亟需更合理更 有效的农业用水方式 同时 我国又是世界肥料生产 和使用大国 化肥的使用量居全球第一 但化肥的有效 利用率仅有 nullnullnull 左右 造成化肥的巨大浪费 还污染 了环境 null nullnull 水肥一体化技术统筹灌溉和施肥过程 是 当今世界目前公认的一项节水节肥 增产降污 绿色环 保的技术 null nullnull 这一技术不仅极大地提高了水肥的利用 率 大大降低了水肥的施用量 还大幅提高了农产品产 量和质量 减少了病虫null的发生 减少了农药的施用 在降低生产成本的同时降低了农业生产污染 null nullnull 国外水肥一体化技术发展得较早 nullnull 世null上半 叶 部分发达国家开始进行以喷灌为代表的水肥一体 化技术的研究 经过 nullnull 多年的发展 随着null料工业的 兴起 水肥一体化技术逐渐发展起来 nullnull nullnullnull nullnull 世null nullnull 年代 部分发达国家加大了研发力度 开发了大量的水 肥一体化设备 并开始大规模投入到农业生产之中 水 肥一体化技术迅速发展 nullnull nullnullnull 进入 nullnull 世null 随着物联 网 传感器 智能控制等技术的普及与发展 发达国家的 灌溉施肥设备也逐渐进入智能化时代 灌溉施肥设备的 自动化程度 水肥供应能力 灌溉施肥量精准度都得到 了质的飞跃 nullnull nullnullnull 我国水肥一体化技术起步较晚 但发 展迅速 目前 我国已自主研发了大量的水肥一体化设 备及元器件 并逐渐朝智能化方向发展 但是我国的智 能化水肥一体化设备多是与高校或者科研单位合作 目 前多处于试验阶段 实际应用较少 nullnull nullnullnull 尤其是在蓝莓 温室大棚内部 目前该领域的研究较为落后 针对蓝莓温室大棚内缺乏对蓝莓生长发育状况与 温室内环境的采集分析 灌溉施肥量凭人工经验 缺少 科学的灌溉施肥策略以及精准稳定的灌溉施肥系统设 备等问题 设计开发了蓝莓温室智能水肥一体化系统 nullnull 基于蓝莓温室的智能水肥一体化系统框架 nullnullnullnull 系统总体架构 为保证蓝莓生长能按需灌溉施肥并有适宜的生长 环境 开发的智能水肥一体化系统能够借助传感器技 术 自动控制技术 物联网技术等获取作物的生长环境 及生长发育状况信息 并根据蓝莓生长的不同阶段对 其进行数据的分析以及数据的提取和解析算法 根据 实时状况 实现自动灌溉施肥操作或远程手动灌溉施 肥操作 该系统能够全面监测蓝莓作物生长发育信息 如株高 叶片大小 秆径长度 与生长环境信息 如土 壤墒情 气温 二null化碳含量等 根据蓝莓作物的生长 发育模型对作物生长或环境异常问题自动进行判断 并快速准确启动灌溉施肥系统以及其他环境调节设 备 解决出现的缺水缺肥 病虫null 生长环境问题 快速 准确地满足作物的生长需求 实现信息化 数字化的动 态精准管理 蓝莓温室智能水肥一体化系统架构设计 如图 null 所示 图null null 智能水肥一体化系统框架 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 基于蓝莓温室的智能水肥一体化系统组成 设计的面向蓝莓温室的智能水肥一体化系统包括 环境信息采集系统 智能服务平台 灌溉施肥系统以及 其他环境调节设备 如图 null 所示 图null null 智能水肥一体化系统组成 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 环境信息采集系统 蓝莓温室环境信息采集系统是蓝莓精准灌溉施肥 的基础 蓝莓温室环境信息采集系统由传感器件与信 号传输网络组成 通过传感器对蓝莓生长发育信息 如 株高 叶片大小 秆径长度等 与生长环境信息 如土壤 墒情 气温 二null化碳含量等 全面监测 获得的数据信 息经过 nullnullnullnullnullnull 信号传输网络传输到蓝莓智能水肥一 体化服务平台 nullnullnullnullnullnull 智能服务平台 蓝莓智能水肥一体化服务平台是整个系统的核 第null期 卞东超 等 蓝莓温室智能水肥一体化系统构建 nullnull 心 蓝莓智能水肥一体化服务平台对 nullnullnullnullnullnull 信号传输 网络传输的蓝莓生长发育信息与生长环境信息数据 根据蓝莓生长的不同阶段对其进行数据的分析以及数 据的提取和解析算法 做出灌溉施肥决策 并给蓝莓灌 溉施肥系统与其他环境调节设备下达指null nullnullnullnullnullnull 灌溉施肥系统 蓝莓灌溉施肥系统可分为灌溉系统和施肥系统 灌溉系统用于蓝莓灌溉 由灌溉水泵 过滤装置 流量 计 灌溉管路 滴灌管 微喷头以及电磁阀等构成 施肥 系统用于精准配肥混肥并将肥液注入灌溉管路 由混 肥罐 混肥泵 注肥泵 电磁阀 施肥管路以及液位高度 传感器 nullnull 和 nullnull 传感器等元器件组成 nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull 环境调节设备 蓝莓温室除灌溉施肥设备外 还要配备其他调节 蓝莓温室环境参数的设备 如卷帘机 nullnullnull 发生器 排 风系统 植保喷药机等设备 nullnull 蓝莓温室智能水肥一体化系统构建 nullnullnullnull 蓝莓温室环境信息采集系统 蓝莓温室环境信息采集系统 图 null 需要采集蓝莓 温室内影响蓝莓生长发育的环境信息以及蓝莓的生长 发育状况 蓝莓温室需要监测的参数包括空气温湿度 二null化碳浓度 光照强度 土壤湿度 土壤 nullnull 值和 nullnull 值 蓝莓生长各时期最佳温度变化较大 在 nullnull nullnullnull 之间 nullnull 温室的湿度变化范围在 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 之间 nullnull 为保证测量准确 选用 nullnullnullnullnull 型空 气温湿度传感器 安装在蓝莓温室中下部 作物最佳二 null化碳浓度范围在 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnull 选用 nullnullnullnullnullnull 型二null化碳传感器 安装在蓝莓温室中下 部 监测光照强度选用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 型光照强度 传感器 安装在蓝莓温室顶部 图null null 蓝莓温室环境信息采集系统 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull土壤nullnull值传感器nullnullnull土壤湿度 nullnull值传感器nullnullnull摄像头 nullnull光照强度感应器nullnullnull信号发射器nullnullnullnullnullnull浓度感应器 nullnull空气温湿度感应器nullnullnull气象站nullnullnull配电箱 蓝莓温室中蓝莓生长发育土壤体积含水量在 nullnullnull nullnullnull 为适宜 最佳土壤体积含水量为 nullnullnull nullnullnull nullnull 蓝莓生长最适宜土壤 nullnull 为 nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull 土 壤过null或过碱都会影响蓝莓生长 选用 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 型土壤湿度 nullnull 值一体传感器和 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 型土壤 nullnull 值传感器 传感器插入蓝莓根 部附近土壤中 在温室内安装摄像头 实时监测蓝莓生 长状况 传感器参数如表 null 所示 表null null 环境信息采集系统传感器参数 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 传感器 量程 分辨率 精度 空气温湿度 nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull 二null化碳 null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull null 光照强度 null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull 土壤湿度 nullnull值 nullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnull 土壤 nullnull 值 null nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull 环境信息采集系统选用的传感器均为输出标准电 信号的变送器 输出信号为 null nullnullnullnull 的电流信号 传感 器配有数据采集主机 传感器连接线直接连接到数据采 集主机串口 数据采集主机内设有电源模块 主控模块 nullnullnullnullnullnull 无线通信模块