基于监测技术的葡萄水肥混合灌溉系统设计.pdf

基于监测技术的葡萄水肥混合灌溉系统设计 杨 进 高世华 马慧敏 王富贵 内蒙古农业大学职业技术学院 内蒙古包头 摘 要 智慧大棚的生产模式应用了大量的现代化控制技术 是先进生产力的直观体现 近年来 针对智慧大棚 节水灌溉技术的研究逐渐增多 为水资源的合理化利用提供了良好的保证 葡萄是十分适合大棚生产的水果品 种 利用大棚栽培 葡萄可实现全年的优质产出 除品种和地域条件的影响外 灌溉合理性与施肥合理性对葡萄 的产量与品质影响很大 为此 结合现代化的节水灌溉技术 利用电气控制理论将施肥与灌溉过程进行整合 并 在环境监测技术的支持下实施水肥自动混合灌溉 可有效优化葡萄大棚的灌溉施肥系统 以葡萄生产农艺需求 为基础 对水肥自动混合灌溉系统进行了设计 完成了软硬件系统的配置 并对灌溉施肥过程的合理性展开了分 析 关键词 水肥自动混合灌溉 监测技术 葡萄 中图分类号 文献标识码 文章编号 引言 截至 年底 我国的节水灌溉面积已经达到 万 且具有高效节水特点的喷灌 微灌 管道 输水灌溉等技术应用面积达到 万 对于有 效利用水资源意义重大 葡萄产业是我国水果产业 的重要组成部分 随着现代化大棚技术的应用普及 利用自动化大棚技术栽培葡萄 能够保证葡萄的更长 时间供给 并有效提高葡萄的产量与品质 从我国葡 萄生产的实际情况来看 由于葡萄根系主要生长在 左右的较深耕层中 对于灌溉的要求很高 而在目 前的大多数大棚栽培中 应用的施肥与灌溉模式较为 落后 不能根据葡萄根系对水分的需求量进行合理灌 溉是灌溉技术存在的主要问题 造成了葡萄产量的下 降 也造成了水资源的严重浪费 为此 在传统节水 灌溉技术的基础上 利用现代化的传感器技术配合自 动控制技术 对土壤中的水分状态与肥力状态进行监 测 从而实施科学的水肥自动灌溉技术 既能为葡萄 生长创造良好土肥环境 更有利于节水灌溉技术的进 一步升级 收稿日期 基金项目 国家现代农业科技示范展示基地建设项目 农业科技示范园区基地建设补助资金项目 加 工番茄 皮燕麦品种选育科研创新团队项目 作者简介 杨 进 男 内蒙古赤峰人 实验师 硕士 通讯作者 王富贵 男 甘肃会宁人 讲师 博士 水肥自动混合灌溉技术发展现状 受智慧农业理念影响 我国针对农业机械设施的 自动化和智能化技术研究开展了大量的工作 在我 国自动灌溉技术普及率不断上升的同时 自动灌溉系 统的实际工作能力却与发达国家的先进设备存在较 大技术差距 如自动化程度低 水肥比例不合理 施加 量不合理 维护成本高及适应能力不足等问题广泛存 在 针对这些问题 为进一步提升我国的自动化灌 溉技术水平 研究开发结构简单 自动化程度高及适 应能力强的新型灌溉技术已经十分迫切 我国对于节水灌溉技术的研究起步于 世纪 年代 而对于自动灌溉技术的重点研究集中于 年以后 在这一过程中 不仅自动化灌溉的理论体系 得到很好的建立 我国自主的节水灌溉技术也得到了 大幅度的提升 雷永富等 设计了水肥耦合灌溉控 制系统 将单片机技术与通信技术进行结合 实现了 根据需要对作物进行水肥的实时耦合灌溉 并利用 工具箱对此灌溉系统实施过程进行建模和 分析 提高了水肥同步灌溉的合理性 曾文果等 根 据柑橘的生长特性设计了一套柑橘根部水肥一体自 动灌溉和数据采集系统 其利用可编程控制器实施 并利用人机界面 技术实现交互 可以定时采集 柑橘根部土壤温湿度 从而实现对柑橘的合理化灌 溉 谢文胜等 利用 组网技术设计了一种温 室水肥一体化灌溉系统 实现了温室环境信息的自动 采集与灌溉自动决策 并完成了硬件选型和灌溉系统 年 月 农机化研究 第 期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 07 035 的仿真验证 梁新书等 通过研究统计不同滴灌模 式下对温室花瓜生长状态的影响 证实了滴灌技术的 合理性 并强调了合理化实施滴灌技术的重要性 自动节水灌溉的系统组成 自动灌溉技术的实施需要结合多方面因素相互配 合 包括环境感知 逻辑判断与决策 管路控制 灌溉 实施及人机交互 大部分 各个部分承担着相应的功 能 如图 所示 图 自动节水灌溉的系统组成结构 环境感知通过多种传感器实施 包括对土壤温湿 度 值 值的定时获取 以及对灌溉水压 水位 的信息获取 并将获取到的信息传输给 控制器进 行数据分析与判断 做出是否灌溉 灌溉量 施肥量的 科学决策 在此过程中 可通过人机交互系统进行灌 溉数据的查询与灌溉决策的修整 并将可编程控制器 的决策或人机交互装置输入的决策传递给管路控制 装置 控制增压电机 电磁阀等装置实施灌溉 从而实 现微灌 滴灌 喷灌等技术的自动化实施 确保土壤获 得最合理的灌溉与施肥 除上述功能外 在智慧大棚 生产中 将自动灌溉系统与数字管理系统进行整合 能够实现远程查看灌溉数据和远程灌溉管理工作 进 一步提高大棚灌溉管理的便捷性 水肥自动混合灌溉系统功能需求 操作性需求 为降低农民使用水肥自动混合 灌溉设备的难度 要求设备具有良好的可操作性和使 用便捷性 不仅要求其自动化程度高 且还要具有操 作界面直观 简介 操作流程简单的特点 使农民易于 学习且便于使用维护 可靠性需求 灌溉系统在葡萄生长的过程中 使用频率很高 因此要求水肥自动混合灌溉设备及其 电子控制系统能够长期稳定的保持良好工作状态 除 机械结构 管路结构要有良好的使用寿命外 电气元 件的寿命和电气控制的抗干扰能力也应有良好的可 靠性 精确性需求 自动灌溉的过程对于用水量 用 肥量 灌溉位置的精确性要进行严格的把控 一方面 要保证土壤信息获取的准确性 另一方面要提高实施 过程的精确性 确保在土壤不同干湿度的区域能够实 施精准的灌溉 并针对不同的土壤肥力情况进行合理 化施肥 经济性需求 水肥自动混合灌溉系统作为先 进的智能控制系统 其引入必然会增加大棚初期建设 的成本 但从结构成本的角度来说 可通过模块化设 计为不同的用户提供不同的功能方案 要注意软硬 件选型的经济性 充分考虑系统工作能耗 尽量实现 节能要求 以降低系统整体成本 功能性需求 水肥自动混合灌溉系统既要满 足灌溉和施肥的功能 还应具备一定的可扩展性 使 系统具备一定的软硬件升级的空间 为其自动化和智 能化的进一步提升创造良好基础条件 此外 还应考 虑布置足够的数据接口 用以检测系统故障和调整系 统运行逻辑使用 水肥自动灌溉系统功能软硬件设计 系统运行总体思路设计 水肥自动灌溉系统的总体布置如图 所示 系统 执行过程中 首先通过均匀布置于大棚各个位置的传 感器模组实现对土壤温湿度 值 值的定时获 取 并传输给信息传输模组 信息传输模组将汇总的 环境信息通过串行有线传输的方式传递给控制终端 控制终端对数据信息进行分析运算后形成灌溉方案 并产生决策指令控制电磁阀接通管路供水 灌溉终 端采用个体可控的方式进行灌溉 每个灌溉位置或灌 溉区域范围可通过电气控制实现灌溉量的精细调整 从而实现根据环境条件的变量灌溉自动化控制 图 水肥自动灌溉系统的总体布置 年 月 农机化研究 第 期 硬件系统设计 为确保水肥自动灌溉系统的功能实现 在总体功 能布置的基础上 针对重要的电控元件进行了选型 并为其进行合理的供电匹配 确保各个电控元件工作 的可靠性与合理性 硬件选型如表 所示 表 水肥自动灌溉系统的主要硬件选型 硬件名称型号关键参数 中央处理器 额定电压 额定输出电流 液位传感器 额定电压 精度 压力传感器 额定电压 精度 湿度传感器 额定电压 最大湿度 值传感器 额定电压 测量范围 值传感器 额定电压 测量范围 灌溉电机 额定电压 电机功率 混肥装置电机 额定电压 电机功率 水肥自动灌溉系统的硬件主要实现两大部分的功 能 一是水肥的自动化混合功能 二是水肥混合液的供 给灌溉功能 灌溉系统根据系统提供的水量与肥料量 实现自动混合 通过电磁阀控制水与肥料自动注入混 合罐 再利用 电磁阀配套电机将肥料均匀混合 内部传感器 值 浓度 等检测设备对水肥混合情况 进行进一步调整 并将配置好的混合液输送至灌溉液 罐 混合液罐中的液体在灌溉电机 的作用 下获得流动力 为确保灌溉系统的使用寿命 在灌溉 总管路输出端设置有 级过滤设备 在电机动力的驱 动下 过滤后的水肥混合液输送至灌溉位置 在数字化 控制下 结合土壤湿度传感器 传感器等获得的土 壤湿度和肥力数据分布图 精准控制每个管路的电磁 阀开关时间 形成灌溉量的变量控制 确保各个灌溉位 置成网络化实施精准灌溉工作 软件系统设计 软件控制的系统执行流程 主程序是控制系统细节功能展开的基础程序 通 过设计主程序来明确系统运行的大体步骤 并在子程 序运行的过程中 按照系统功能需求调用子程序 从 而实现复杂的葡萄园区精确灌溉执行 在主程序的 基础上 扩展生成了葡萄水肥自动混合灌溉系统软件 控制实施流程图 如图 所示 在系统开始运行后 各个控制元件执行初始化指令 由单片机发送数据测 量命令 各个传感器执行检测与数据传输功能 获取 的数据信息经过数据转换进行传输 供中央处理器进 行数据分析比对 调用模糊算法形成水肥分布数据并 确立灌溉实施方案 在电气控制技术下 控制电机和 继电器工作 从而控制电磁阀实施自动且精确的灌 溉 灌溉过程中监测传感器实时工作 监测土壤湿度 及肥力情况 与最初的灌溉方案配合完成灌溉全过 程 图 葡萄水肥自动混合灌溉系统软件控制实施流程 主要软件功能设计 灌溉信息的转换与计算 当传感器采集土壤 中的湿度及 值 值等信息后 要实现数据的传 输 必须进行 转换 并进入对应端口实施数据输 送 针对获取到的数据 为进一步提高运算速度和灌 溉合理性 采用基于 编程的模糊算法处理获得的 数据 并根据灌溉的农艺要求 编制模糊控制规则表 将传感器的采样数据整合并与农艺要求的数据 进行比对 生成水分与肥力情况的偏差值及偏差值的 变化趋势 经过模糊算法处理后生成水肥灌溉模糊控 制处方图 进而通过单片机输出灌溉指令 控制继电 器和电磁阀实施不同区域的变量灌溉 执行电路的主要功能 要实现不同区域的变 量控制功能 就必须实现对各个灌溉管路不同位置电 磁阀开关时间和开关量进行精准控制 而电磁阀的开 年 月 农机化研究 第 期 关功能需要合理布置继电器模块才能实现 为满足 大面积灌溉的精确控制要求 水肥灌溉系统采用多路 继电器模块进行控制 通过 接口与继电器连 接 通过高低电平输入控制继电器的吸合与释放 以 有效满足控制过程时效性 人机交互界面的功能 葡萄水肥自动灌溉系 统人机交互界面应具有直观性和功能全面性特点 一 方面要满足生产管理人员使用和查看数据的需求 另 一方面还要为系统维护人员提供故障维护 系统升级 等便捷功能 人机交互界面功能包括了灌溉数据及 灌溉日志查看 灌溉方案选择 灌溉方案更改 系统联 网升级 系统远程控制 故障显示和程序人工维护等 且针对使用者的界面应尽量简洁 系统程序具有良好 的稳定性和程序语言兼容性 水肥自动混合灌溉关键技术 水肥混合与灌溉方案图 利用在葡萄大棚土壤中布置的多种传感器 组成 传感器获取的土壤信息网格 主要针对土壤的水分含 量和肥力含量情况进行信息汇总 处理器将汇总的所 有信息进行分析处理 并将不同的水肥状态信息与大 棚土壤的位置信息进行匹配 从而形成指导自动灌溉 与施肥的土壤状态图如图 所示 图 土壤含水率及 值分布图 由图 可见 计算机分布的大棚土壤单元格包括 两部分 左侧半格通过颜色表示土壤水分含量 右侧 半格通过颜色表示土壤 值状态 其中 土壤含水 率越低 左侧半格显示的颜色越浅 土壤 值越低 右侧半格显示的颜色越浅 根据单元格含水率及 值特征进行水肥状态的综合判断 以此为基础进行 混合施肥方案的确定 通过计算机模型分析各个单元格位置的缺水 状态和缺肥状态 计算出葡萄大棚内肥料与水分比例 最高的单元格位置 并以此为基础进行肥料与水的混 合 以高浓度水肥混合液为基础 以所需施肥量为 标准 计算出各个位置所需的水肥混合液的用量 并 通过水肥灌溉管路实施灌溉 在水肥灌溉的同时 对比单元格的土壤湿度确 定灌溉水分缺失量 通过水灌溉管路实施补充灌溉 生成的系统灌溉处方图如图 所示 图 肥水用量处方图 水肥混合与灌溉管路结构设计 葡萄大棚的自动灌溉管路 水肥混合结构 过滤 系统 肥水灌溉管路 纯水灌溉管路及灌溉实施设备 如图 所示 图 葡萄水肥混合灌溉管路布局 根据系统提供的处方图信息 在水肥混合罐中自 动配比肥水混合液的比例 电机实施肥水搅动 混合 确保混合液的均匀 在灌溉过程中可连续实现 混合配制与供给 混合后的肥水在 灌溉电 机的驱动下输送到各个肥水灌溉的管道 执行不同位 置的肥水灌溉工作 在肥水灌溉的同时 纯水管路会 对肥水浓度需求量低的单元格耕地进行无肥水灌溉 起到稀释作用 并提高土壤湿度 整个灌溉的过程通 过电控开关控制灌溉量 实现对不同区域内灌溉与施 肥量的精准控制 结论 从大棚栽培葡萄的实际需求出发 结合现代化智 慧大棚的技术特点 利用电控技术与机械技术结合 年 月 农机化研究 第 期 将葡萄生产过程的灌溉技术与施肥技术进行整合 通 过自动控制技术实现水肥的自动混合施肥 并能对不 同大棚区域的水肥条件进行调整 简化了传统的灌溉 与施肥设备 减少了人工工作量 有利于葡萄植株在 大棚中拥有更合理的土壤环境 更能促进葡萄的稳产 高产 从国际先进灌溉技术来看 该设计所采用的的 水肥自动混合与灌溉技术在自动化程度和结构合理 性上仍有较大的提升空间 需要进一步进行设计优 化 并在产品应用过程中不断改善现有技术模式 使 水肥自动灌溉技术的可靠性与先进性得到进一步提 升 参考文献 刘凤之 中国葡萄栽培现状与发展趋势 落叶果树 雷永富 水肥耦合灌溉控制系统的研究 武汉 华中 农业大学 曾文果 吴庆干 张永磊 等 柑橘水肥一体自动灌溉系统 的设计与数据采集研究 河南科学 谢文胜 基于 组网的设施温室水肥一体化灌溉系 统的研究 广州 仲恺农业工程学院 梁新书 廉晓娟 张金良 等 基于土壤水分的自动滴灌模 式对温室黄瓜产量及水肥利用效率的影响 江苏农 业科学 曹毅 基于物联网水肥控制系统的设施葡萄灌溉施肥模 式研究 大庆 黑龙江八一农垦大学 张志鹏 基于 的自动灌溉辅助系统的研究与实现 阿拉尔 塔里木大学 王淑芳 张喜平 黄羊滩农产葡萄滴灌自动控制系统的设 计搭建之研究 现代经济信息 贾德旺 基于 与 技术的农业智能灌溉系统 的研究与设计 兰州 兰州交通大学 戴琪鹏 马岙葡萄示范园的远程节水灌溉监控系统的设 计 舟山 浙江海洋学院 年 月 农机化研究 第 期