温室水肥一体化智能灌溉管控装置设计.pdf

总 第 219 期 0 引 言 我国是一个水资源缺乏的国家 农业灌溉用水 约占总用水量的 60 化肥用量占世界的 35 平 均单位面积化肥用量是世界平均的 4 倍 现代农业 污染占全部污染的 47 农业化肥的利用率低 仅为 30 相比发达国家低 20 在农业中过度投入化肥 所造成的生态环境污染 土壤板结 作物减产已经制 约我国现代化农业发展 水肥一体化灌溉系统节水 节肥 节省成本 减少温室气体排放 增加施肥效用 是现代温室农业种植领域必备装置和必然选择 具 有显著的经济和生态效益 温室水肥一体化技术是根据作物不同生育期实 际的需水需肥规律而进行科学灌溉施肥的技术 传 统大田漫灌方式导致水肥混合不均匀 营养肥液易 被水流冲刷到大田一侧 造成作物施肥不均匀现象 制约着农业向现代化 集约型和持续性方向发展 水 肥一体化设备可对水肥混合液进行科学比例调控 使水和母液以预期比例均匀混合 解决施肥不均匀 问题 1 装置整体结构设计与工作原理 1 1 整体结构 温室水肥一体化智能灌溉管控装置主要由视觉 传感器 温度传感器 pH 值传感器 EC 值传感器 微 机系统 搅拌杆 调配箱 水泵 灌溉喷头和单片机组 成 微机系统位于温室内壁 与各个传感器相连 搅 拌杆 调配箱和水泵位于温室外部 灌溉喷头位于温 室上方 1 搅拌杆 2 调配箱 3 单片机 4 水泵 5 微机系统 6 灌 溉喷头 7 视觉传感器 8 温度传感器 9 pH 值传感器 图 1 温室水肥一体化智能管控装置示意图 1 2 工作原理 通过视觉传感器 温度传感器 pH 值传感器 EC 值传感器对温室内环境进行信息采集 向微机系 统输入相关信息 微机系统分析数据 根据多种地域 土壤和设施果蔬种类组合成复杂交错的数据库 决 策出最佳水肥配比灌溉方案 根据提供的水肥配液 方案 水肥在调配箱中均匀混合 再通过水泵将配比 好的水肥输送到灌溉喷头从而达到对农作物施肥的 目的 实施过程中微机系统根据温室植物工厂中环境 实时显示作物生长状态 温度 液位 pH 值 EC 值等 信息 并变更配比灌溉策略 从而实现温室植物智能 管控水肥实施作业的优化调控与节肥增效的目标 温室水肥一体化智能灌溉管控装置设计 李 爽 1 崔翀翔 2 陈奕萌 1 缪 宏 1 胡小琴 3 徐 杰 2 杨 铮 1 1 扬州大学 江苏 扬州 225000 2 扬州大学广陵学院 江苏 扬州 225000 3 江苏德利尔现代农业科技有限公司 江苏 宿迁 223800 摘 要 针对我国农业化肥的利用率低造成的资源浪费 土壤板结以及作物减产等问题 设计温室水 肥一体化智能灌溉管控装置 基于树莓派 3B 为核心的上位机系统和 Arduino 开发板为核心的下位 机系统设计一套温室水肥智能控制系统 根据温室植物工厂中环境实时显示作物生长状态 温度 液 位 pH 值 EC 值等信息 并变更配比灌溉策略 从而实现温室植物智能管控水肥实施作业的优化调 控与节肥增效的目标 关键词 温室 水肥 智能化 管控 Agricultural Equipment Technology Vol 46 5 Oct 2020 第 46 卷第 5 期 2020 年 10 月 农业装备技术 13 总 第 219 期 图 2 系统控制原理图 2 系统设计 2 1 控制系统设计 适用于温室环境下的水肥一体化智能管控系统 设计如图 2 所示 系统主要由电源 上位机 下位机 和手机 APP 组成 系统所用电源为直流转换器 将 220 V 家用交流电转换为直流隔膜所需的直流电 根据隔膜泵的工作参数 选用性能稳定的直流转换 器可有效保护控制电路 上位机是基于树莓派 3B 开 发板所研发的调价控制系统 负责人机交互控制 湿 润时间控制 水肥混合比例调节控制 施肥时间控制 和清洗时间控制等 下位机是基于 Arduino 开发板 的水速和肥速数据采集系统 为上位机运行各个控 制阶段的控制算法提供实时数据支持 下位机也是 手机 APP 与上位机通信的中间设备 负责两者之间 的数据传输 2 2 上位机系统硬件设计 上位机以树莓派 3B 为控制核心的调节控制系 统 硬件组成包括树莓派 3B 调速控制模块 直流隔 膜泵 继电器 蜂鸣器 矩阵按键键盘 LCD1602 液晶 显示屏 导线 杜邦线 上位机利用上述硬件模块完 成灌溉施肥任务控制 具体控制过程为 上位机控制 通过控制矩阵按键键盘或接收 APP 所发送的数据 以获取总的灌溉水量和肥量 通过所获取的灌溉水 量和肥量计算施肥过程中的标准水肥比例 系统根 据在润湿阶段所获取的水速 计算出期望肥速并判 断该值是否在系统可调控范围内 若肥速可调控 系 统将计算润湿温室土壤环境所占用的时间 该时间 段过后 系统通过控制直流隔膜泵开启施肥过程 根 据实时水肥比例与标准水肥比例之间的误差 系统 通过调速模块调控直流隔膜泵的施肥速率 直至两 者之间的误差达到系统所设置的误差范围 参考文献 1 宋新财 温室轻简水肥一体化控制系统设计与实现 D 泰 安 山东农业大学 2020 2 贾宋楠 刘胜尧 范凤翠 等 日光温室秋冬茬番茄滴灌水肥 一体化技术规程 J 河北农业科学 2020 24 3 48 50 3 王振民 温室水肥一体化灌溉控制系统的设计与应用 D 大庆 黑龙江八一农垦大学 2020 4 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 D 大庆 黑龙江八一农垦大学 2020 农业装备技术 AET 2020 5 14