水肥一体智能灌溉设备的研发及应用.pdf

2 0 2 0 3 水 肥 一 体 智 能 灌 溉 设 备 的 研 发 及 应 用 宋 成 秀 1 李 合 营 1 王 雪 莹 2 1 山 东 锋 士 信 息 技 术 有 限 公 司 山 东 济 南 27 0000 2 中 国 灌 溉 排 水 发 展 中 心 北 京 100054 摘 要 本 文 阐 述 了 基 于 云 服 务 水 肥 一 体 智 能 灌 溉 设 备 的 研 发 设 计 方 案 和 关 键 技 术 环 节 并 通 过 应 用 实 例 对 云 服 务 技 术 嵌 入 水 肥 一 体 灌 溉 设 备 的 效 果 进 行 了 分 析 评 价 应 用 数 据 表 明 云 服 务 水 肥 一 体 化 灌 溉 技 术 能 够 有 效 降 低 用 水 用 肥 和 人 工 成 本 具 有 一 定 推 广 应 用 价 值 关 键 词 水 肥 一 体 云 服 务 智 能 灌 溉 设 备 中 图 分 类 号 S 2 7 4 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 1 0 0 9 6 1 5 9 2 0 2 0 0 3 0 0 4 3 0 3 水 资 源 短 缺 和 化 肥 用 量 高 是 制 约 我 国 农 业 可 持 续 发 展 的 重 要 瓶 颈 实 施 水 肥 一 体 化 技 术 以 提 高 水 肥 利 用 效 率 对 于 我 国 农 业 发 展 至 关 重 要 1 近 年 来 我 国 水 肥 一 体 化 技 术 发 展 速 度 呈 现 快 速 增 加 趋 势 水 肥 一 体 化 设 备 是 实 现 水 肥 一 体 化 技 术 的 重 要 基 础 设 施 现 阶 段 我 国 水 肥 一 体 化 设 备 的 应 用 呈 现 引 进 国 外 产 品 与 国 内 自 行 研 制 发 展 并 重 的 特 征 国 外 水 肥 一 体 化 设 备 普 遍 采 用 互 联 网 E C p H 综 合 控 制 气 候 控 制 循 环 加 热 降 温 自 动 排 水 反 冲 洗 喷 雾 控 制 等 技 术 基 本 实 现 混 配 肥 精 准 化 智 能 化 和 施 肥 管 控 一 体 化 2 4 国 内 市 场 上 主 要 产 品 有 施 肥 罐 施 肥 池 压 差 式 施 肥 机 如 比 例 泵 文 丘 里 计 量 泵 普 通 泵 等 5 尽 管 经 历 了 一 定 发 展 但 是 我 国 水 肥 一 体 化 设 备 研 制 应 用 仍 处 于 初 期 阶 段 质 量 和 管 理 水 平 与 发 达 国 家 仍 有 差 距 6 在 设 备 质 量 方 面 存 在 自 动 化 程 度 低 及 施 肥 不 精 准 的 问 题 在 管 理 方 面 缺 乏 与 之 配 套 的 智 能 灌 溉 软 件 控 制 精 度 不 高 不 能 实 现 水 肥 的 精 准 调 控 云 服 务 技 术 在 计 算 机 等 行 业 中 的 大 量 应 用 为 提 出 基 于 云 服 务 系 统 实 现 水 肥 一 体 化 灌 溉 设 备 性 能 提 升 提 供 了 参 考 但 是 仍 需 要 在 系 统 构 建 关 键 技 术 解 析 中 进 行 加 强 并 通 过 应 用 实 例 说 明 其 应 用 效 果 基 于 此 本 文 基 于 云 服 务 技 术 云 服 务 技 术 进 行 水 肥 一 体 智 能 灌 溉 设 备 设 计 讨 论 其 中 的 关 键 技 术 并 举 例 说 明 基 于 云 服 务 的 水 肥 一 体 智 能 灌 溉 设 备 应 用 场 景 及 效 果 1 水 肥 一 体 化 设 计 方 案 基 于 云 服 务 的 智 能 水 肥 一 体 化 解 决 方 案 由 智 慧 灌 溉 云 平 台 和 智 能 水 肥 一 体 系 统 构 成 智 慧 灌 溉 云 平 台 是 整 个 方 案 的 数 据 处 理 中 心 它 接 收 采 集 数 据 后 进 行 数 据 处 理 生 成 最 优 的 施 肥 灌 溉 方 案 同 时 可 以 将 方 案 下 发 到 控 制 中 心 指 导 智 慧 灌 溉 智 能 水 肥 一 体 化 系 统 是 整 个 方 案 的 执 行 系 统 主 要 由 核 心 控 制 器 数 据 采 集 单 元 灌 溉 控 制 单 元 及 肥 料 控 制 单 元 组 成 核 心 控 制 器 是 整 个 水 肥 一 体 化 系 统 的 控 制 中 心 它 负 责 将 采 集 数 据 上 传 到 云 平 台 也 负 责 接 收 云 平 台 计 算 生 成 的 最 优 施 肥 灌 溉 方 案 解 析 执 行 灌 溉 施 肥 计 划 数 据 采 集 单 元 负 责 将 当 前 种 植 物 的 实 时 墒 情 气 象 等 数 据 采 集 并 上 传 到 核 心 控 制 器 核 心 控 制 器 再 上 传 至 云 服 务 器 灌 溉 控 制 单 元 主 要 负 责 泵 阀 等 的 开 关 进 而 精 准 控 制 灌 溉 用 水 量 肥 料 控 制 单 元 主 要 负 责 肥 料 的 配 比 混 合 投 放 等 施 肥 工 序 的 执 行 进 而 达 到 精 准 施 肥 的 目 的 2 水 肥 一 体 化 技 术 实 现 2 1 核 心 控 制 器 工 作 原 理 核 心 控 制 器 由 主 控 模 块 无 线 L o R a 模 块 4G 移 动 通 信 模 块 视 频 采 集 模 块 分 控 制 器 控 制 模 块 等 组 成 核 心 控 制 器 主 控 模 块 负 责 协 调 各 个 收 稿 日 期 2 0 1 9 1 2 1 0 作 者 简 介 宋 成 秀 1 9 8 9 女 助 理 农 艺 师 山 东 水 利 43 2 0 2 0 3 模 块 之 间 的 运 行 无 线 L o R a 模 块 负 责 与 无 线 分 控 制 器 进 行 通 信 4G 移 动 通 信 模 块 主 要 是 通 过 4G 网 络 与 智 慧 灌 溉 云 平 台 通 信 视 频 采 集 模 块 负 责 采 集 视 频 信 息 并 上 传 至 智 慧 灌 溉 云 平 台 分 控 制 器 主 要 由 标 准 化 传 感 器 接 口 模 块 无 线 L o R a 模 块 继 电 器 模 块 485模 块 等 组 成 分 控 制 器 主 控 模 块 负 责 协 调 各 个 模 块 之 间 的 运 行 传 感 器 接 口 模 块 主 要 用 于 采 集 各 种 传 感 器 数 据 无 线 L o R a 模 块 负 责 与 核 心 控 制 器 通 过 无 线 通 信 继 电 器 模 块 负 责 核 心 控 制 器 下 发 命 令 的 执 行 2 2 核 心 控 制 器 内 部 结 构 核 心 控 制 器 主 要 由 核 心 控 制 单 元 移 动 通 信 单 元 无 线 组 网 单 元 数 据 采 集 单 元 外 围 设 备 驱 动 单 元 供 电 单 元 数 据 存 储 单 元 组 成 核 心 控 制 单 元 负 责 解 析 并 执 行 用 户 通 过 人 机 交 互 界 面 或 者 灌 溉 云 平 台 下 发 的 灌 溉 计 划 进 行 灌 溉 过 程 控 制 并 对 灌 溉 过 程 中 的 信 息 进 行 有 效 反 馈 通 过 以 太 网 移 动 通 信 无 线 L o R a 将 信 息 上 传 到 灌 溉 云 平 台 或 者 下 发 到 分 控 制 器 数 据 存 储 单 元 包 括 内 部 存 储 单 元 与 外 部 存 储 单 元 两 部 分 内 部 存 储 单 元 采 用 先 进 的 串 行 F L AS H 芯 片 能 够 快 速 完 成 读 写 程 序 与 数 据 外 部 存 储 单 元 采 用 外 挂 2T 存 储 硬 盘 能 够 对 视 频 数 据 灌 溉 计 划 等 进 行 存 储 供 电 单 元 中 核 心 控 制 器 采 用 交 流 220V 50H z 市 电 然 后 经 由 开 关 电 源 转 换 成 直 流 12V 电 源 再 通 过 电 源 转 换 芯 片 转 变 为 核 心 控 制 模 块 所 需 直 流 12V 电 源 的 5 V 3 3 V 1 5 V 1 2V 等 直 流 电 源 进 而 完 成 对 整 个 核 心 控 制 器 的 供 电 2 3 核 心 控 制 器 工 作 流 程 水 肥 一 体 智 能 灌 溉 设 备 的 嵌 入 式 软 件 主 要 由 L i n u x 系 统 软 件 和 核 心 控 制 应 用 软 件 两 部 分 组 成 L i n u x 系 统 软 件 为 核 心 控 制 应 用 软 件 提 供 可 靠 的 运 行 和 操 作 支 撑 核 心 控 制 应 用 软 件 由 灌 溉 进 程 控 制 程 序 多 地 块 水 肥 分 配 程 序 灌 溉 云 平 台 通 信 程 序 分 控 制 器 控 制 程 序 人 机 交 互 程 序 和 视 频 采 集 程 序 组 成 灌 溉 进 程 控 制 程 序 根 据 灌 溉 计 划 或 人 机 交 互 命 令 执 行 灌 溉 流 程 在 灌 溉 过 程 中 随 时 向 分 控 制 器 控 制 程 序 发 送 查 询 和 操 作 指 令 整 个 灌 溉 程 序 可 分 为 19个 阶 段 直 至 灌 溉 完 成 灌 溉 过 程 中 根 据 灌 溉 计 划 生 成 轮 灌 组 的 信 息 控 制 灌 溉 流 程 中 不 同 状 态 阶 段 的 执 行 和 跳 转 在 施 肥 过 程 中 通 过 检 测 传 感 器 的 p H 值 E C值 自 动 调 整 施 肥 的 浓 度 2 多 地 块 水 肥 分 配 程 序 多 地 块 水 肥 分 配 程 序 是 根 据 灌 溉 云 平 台 下 发 的 灌 溉 方 案 依 据 当 前 水 源 泵 站 的 流 量 水 源 水 量 地 块 支 管 流 量 施 肥 量 灌 水 量 施 肥 配 置 比 作 物 类 型 地 块 分 布 等 情 况 将 灌 溉 计 划 分 成 最 为 合 理 的 几 个 灌 溉 组 把 最 优 的 灌 溉 组 交 给 执 行 单 元 执 行 灌 溉 计 划 以 最 高 的 效 率 完 成 灌 溉 施 肥 过 程 3 智 能 灌 溉 云 服 务 通 信 程 序 灌 溉 云 平 台 通 信 程 序 负 责 建 立 保 持 管 理 与 灌 溉 云 平 台 的 连 接 实 时 接 收 云 平 台 下 发 的 数 据 包 并 解 析 出 指 令 和 数 据 内 容 分 发 给 其 他 各 单 元 同 时 向 其 他 各 单 元 开 放 数 据 共 享 接 口 4 分 控 制 器 控 制 程 序 分 控 制 器 控 制 程 序 主 要 创 建 一 个 事 件 服 务 器 同 时 监 听 网 络 和 串 口 为 请 求 连 接 的 有 线 或 无 线 分 控 制 器 程 序 建 立 对 应 的 连 接 接 收 分 控 制 器 程 序 消 息 并 解 析 同 时 为 其 他 单 元 开 放 数 据 共 享 接 口 监 控 各 分 控 制 器 工 作 状 态 该 事 件 服 务 器 实 现 有 线 分 控 制 器 和 无 线 分 控 制 器 的 同 时 控 制 为 核 心 控 制 器 安 装 到 复 杂 的 地 况 提 供 有 力 保 障 5 人 机 交 互 程 序 人 机 交 互 程 序 用 于 呈 现 人 工 操 作 界 面 管 理 人 员 可 通 过 操 作 界 面 对 核 心 控 制 器 进 行 硬 件 配 置 分 控 制 器 配 置 和 软 件 参 数 配 置 等 操 作 可 以 在 本 地 编 辑 执 行 自 动 灌 溉 计 划 手 动 灌 溉 操 作 流 程 还 可 以 执 行 地 块 信 息 管 理 历 史 数 据 查 询 传 感 器 数 据 实 时 查 看 监 视 视 频 实 时 查 看 回 放 视 频 查 看 灌 溉 计 划 执 行 状 态 查 看 等 功 能 6 视 频 采 集 程 序 视 频 采 集 程 序 负 责 实 时 监 测 作 物 的 生 长 情 况 查 看 设 备 的 运 行 情 况 视 频 采 集 程 序 包 括 远 程 云 台 控 制 视 频 采 集 视 频 存 储 视 频 回 放 等 程 序 7 过 滤 控 制 程 序 过 滤 控 制 程 序 负 责 检 测 管 道 压 力 变 化 情 况 根 据 用 户 设 定 的 时 间 控 制 过 滤 器 进 行 反 冲 洗 保 证 灌 溉 的 正 常 运 行 8 数 据 采 集 程 序 数 据 采 集 程 序 主 要 由 模 拟 量 采 集 数 字 量 输 入 开 关 量 输 出 R S 485通 信 等 程 序 组 成 数 据 采 集 单 元 采 用 进 口 高 精 度 芯 片 能 够 精 确 完 成 采 集 外 部 传 感 器 数 据 检 测 外 部 设 宋 成 秀 李 合 营 王 雪 莹 水 肥 一 体 智 能 灌 溉 设 备 的 研 发 及 应 用 44 2 0 2 0 3 表 2 对 苹 果 桃 品 质 的 影 响 表 1 折 合 每 亩 效 益 分 析 作 物 品 种 处 理 灌 溉 方 式 灌 溉 定 额 m 3 节 水 率 施 肥 量 k g 节 肥 率 产 量 k g 增 产 率 目 标 产 量 完 成 率 苹 果 红 富 士 智 慧 灌 溉 微 喷 118 43 8 112 25 3 3 7 7 2 5 8 4 9 4 31 小 管 出 流 9 6 54 3 118 23 3 3 8 25 2 9 9 9 5 63 对 照 常 规 漫 灌 210 150 3 37 1 6 桃 树 八 月 脆 智 慧 灌 溉 微 喷 116 22 7 8 9 40 7 2 47 3 6 37 9 8 9 2 对 照 常 规 漫 灌 150 150 2 325 作 物 品 种 处 理 灌 溉 方 式 优 质 果 比 例 产 量 k g 均 价 元 k g 增 收 元 苹 果 红 富 士 智 慧 灌 溉 微 喷 7 8 3 7 7 2 5 4 3 2 7 35 35 小 管 出 流 7 5 3 8 25 2 4 3 2 9 61 9 6 常 规 漫 灌 59 3 37 1 6 4 0 桃 树 八 月 脆 智 慧 灌 溉 微 喷 7 9 2 47 3 4 2 1 0 8 6 60 手 动 漫 灌 62 2 325 4 0 备 状 态 控 制 外 部 设 备 启 停 2 4 智 能 水 肥 一 体 化 系 统 工 作 模 式 水 肥 一 体 智 能 灌 溉 管 理 设 备 具 备 三 种 工 作 模 式 智 能 控 制 模 式 定 量 控 制 模 式 和 手 动 控 制 模 式 1 在 智 能 控 制 模 式 下 水 肥 一 体 智 能 灌 溉 设 备 下 载 灌 溉 方 案 设 备 按 照 灌 溉 方 案 要 求 自 动 控 制 设 备 各 单 元 的 运 行 实 现 灌 溉 方 案 的 精 确 执 行 2 在 定 量 控 制 模 式 下 以 设 备 下 载 的 水 肥 一 体 灌 溉 方 案 为 基 础 通 过 设 备 的 交 互 装 置 设 定 灌 溉 水 量 施 肥 量 灌 溉 时 间 等 关 键 参 数 满 足 对 灌 溉 方 案 微 调 的 使 用 需 要 3 在 手 动 控 制 模 式 下 在 参 照 水 肥 一 体 灌 溉 方 案 的 基 础 上 通 过 操 作 按 钮 人 工 控 制 水 肥 一 体 化 设 备 进 行 灌 溉 施 肥 作 业 满 足 自 主 进 行 灌 溉 施 肥 的 需 要 3 水 肥 一 体 化 设 备 的 应 用 案 例 莱 芜 市 致 远 林 果 专 业 合 作 社 位 于 辛 庄 镇 蔡 店 村 该 合 作 社 拥 有 林 果 基 地 200 h m 2 依 托 高 效 节 水 灌 溉 示 范 项 目 实 施 灌 溉 面 积 6 6 6 7 h m 2 其 中 小 管 出 流 灌 溉 面 积 54 6 7 h m 2 微 喷 灌 面 积 12 h m 2 在 首 部 泵 房 内 安 装 水 肥 一 体 智 能 管 理 设 备 一 套 可 同 时 控 制 8 个 地 块 本 文 选 取 1 33 h m 2 苹 果 树 龄 7 年 1 33 h m 2 树 龄 4年 进 行 试 验 示 范 苹 果 桃 的 目 标 产 量 分 别 为 每 公 顷 6 0 000 k g 37 500 k g 应 用 水 肥 一 体 化 智 慧 灌 溉 设 备 后 较 常 规 大 水 漫 灌 方 式 节 水 22 7 54 3 施 肥 量 合 理 控 制 节 肥 23 3 40 7 增 产 6 4 9 9 果 实 品 质 得 到 有 效 提 升 详 见 表 1和 表 2 4 结 语 基 于 云 服 务 的 水 肥 一 体 智 能 灌 溉 设 备 实 现 了 对 作 物 种 植 环 境 生 长 态 势 信 息 的 实 时 采 集 和 数 据 上 传 能 够 自 动 接 收 解 析 和 执 行 云 平 台 推 荐 的 水 肥 一 体 灌 溉 方 案 并 支 持 人 工 对 方 案 进 行 优 化 和 参 数 调 整 示 范 工 程 应 用 实 例 表 明 水 肥 一 体 智 能 灌 溉 设 备 不 仅 能 大 幅 度 降 低 用 水 用 肥 和 人 工 成 本 而 且 可 以 提 高 农 产 品 品 质 增 加 农 民 收 入 具 有 极 大 的 推 广 应 用 价 值 参 考 文 献 1 顾 涛 李 兆 增 吴 玉 芹 我 国 微 灌 发 展 现 状 及 十 三 五 发 展 展 望 J 节 水 灌 溉 2017 3 9 0 9 2 2 陈 广 锋 杜 森 江 荣 风 等 我 国 水 肥 一 体 化 技 术 应 用 及 研 究 现 状 J 中 国 农 技 推 广 2013 5 39 41 3 路 永 莉 白 凤 华 杨 宪 龙 等 水 肥 一 体 化 技 术 对 不 同 生 态 区 果 园 苹 果 生 产 的 影 响 J 中 国 生 态 农 业 学 报 2014 22 11 128 1 128 8 4 易 文 裕 程 方 平 熊 昌 国 等 农 业 水 肥 一 体 化 的 发 展 现 状 与 对 策 分 析 J 中 国 农 机 化 学 报 2017 38 10 111 115 120 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 8 250 250 257 6 黄 绍 文 设 施 番 茄 水 肥 一 体 化 技 术 J 中 国 蔬 菜 2013 13 40 41 基 金 项 目 北 京 房 山 节 水 型 社 会 创 新 试 点 关 键 技 术 应 用 与 示 范 S F 2 0 1 8 0 4 责 任 编 辑 张 玉 燕 宋 成 秀 李 合 营 王 雪 莹 水 肥 一 体 智 能 灌 溉 设 备 的 研 发 及 应 用 45