刘 现,李传辉,雷锦桂,蔡淑芳,林营志

(福建省农业科学院数字农业研究所 350003)

草莓为蔷薇科草莓属多年生草本植物，果实红色，外观呈心形，具有浓郁的水果芳香，含有丰富的维生素C、纤维素及果胶，有助消化、润泽喉部、促进胃肠蠕动、预防痔疮及肠癌等功效，被称为“水果皇后”，深受人们喜欢。草莓立体栽培是一种省力、高效的现代无土栽培方式，通过竖立的栽培柱或其他栽培形式作为植物生长的载体，充分利用有限空间，不仅能节约土地，还能提高产量。水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，在灌溉的同时将肥料配成的肥液一起输送到作物根部，实现水和肥一体施用和管理，具有省肥节水、省工省力、降低湿度、减轻病害、增产提质等优点。为了提高草莓的水肥利用率及其产量，福建省农业科学院数字农业研究所以自主研发的水肥机AB920为控制核心，设计一套水肥一体草莓立体栽培灌溉控制系统，实现草莓灌溉的自动控制，大幅提高工作效率，同时降低劳动力成本，实现良好的经济效益。

1 控制系统整体方案设计

根据立体培栽培用水需求，将温室草莓种植分成8个区域，采用分区轮灌方式。每个区域面积330 m2，种植草莓7200株，估算用水量为1 t/d，峰值流量为2 t/h，最长间隔期为180 min。

系统以自主研发的水肥机AB920为控制核心，简单易学、成本低廉、易于扩展。具有辅助配肥、分区轮灌、定时轮灌等功能，可结合种植作物的实际需水情况制定灌溉计划，实现无人值守自动灌溉；可以手动对系统进行操控，实现单个组件功能检测；可对系统运行状态进行实时监控，便于及时发现灌溉系统运行过程中的异常，在较短时间内通知系统维护人员排除故障，保障系统高效运行。

2 系统硬件设计

2.1 首部管路

在草莓立体栽培灌溉系统中，肥液存放于储液池，在一个相对封闭的管路内流动。采用一次配置、循环灌溉、按需补水补料、整体更换的方式，肥液在使用之初即稀释配制完成，比在线混肥灌溉系统简单。用户根据储液体积计算出所需的肥料用量，肥料先在肥料桶中溶解，然后送入储液池稀释即可，母液浓度不可太高，注肥速率无须精准控制，但要注意肥料间的相互作用和影响。

系统首部管路设计见图1。配备3个带搅拌溶肥功能的肥料母液桶(A、B、C)，母液经球阀、Y型过滤器、流量计，通过文丘里吸入储液池，同时完成稀释和混合，根据肥料特性可并行吸入或分步吸入，若肥料溶解速度慢，也可以交替溶解注入。

图1 水肥一体草莓立体栽培灌溉控制系统首部管路设计

使用潜水泵作为循环灌溉主泵，通过灌溉球阀和配肥球阀形成两个管路子系统。灌溉子系统中，肥液在灌溉泵的驱动下，通过灌溉球阀、主过滤器、分区电磁阀送入各个轮灌区后，经回流管路、灭菌灯、过滤系统回到储液池；在配肥子系统中，肥水在灌溉泵驱动下通过文丘里回流到储液池，在此过程中吸入肥料母液，吸取速度可通过流量计和球阀调节；储液补水也通过配肥子系统管路进入。

2.2 电气控制

水肥一体草莓灌溉系统电气结构见图2，以自主研发的水肥机AB920为控制核心，主要执行机构为灌溉主泵、搅拌混合泵和分区阀门。水培主机信号经灌溉泵控制柜来控制大功率灌溉泵的启闭，通过控制分区电磁阀实现8个分区的轮灌，在满足灌溉间隙的情况下，可扩展分区数量。主机通过液位传感器监测储液池的液位情况，使用流量传感器监测管路流量。

图2 水肥一体草莓立体栽培灌溉控制系统电气结构

3 系统软件设计

水肥机AB920以LEVI777A触摸屏为人机界面，开发环境基于Windows中文操作系统，采用维控公司开发的LEVIStudio组态软件。系统实现了草莓立体栽培灌溉的自动控制与手动控制的功能，主要功能模块包括状态查看、水肥配制、轮灌控制、组件手动。灌溉控制系统见图3。

3.1 状态查看

用户可在触摸屏上查看当前系统各部分的工作状态，包括灌溉周期、当前轮灌区等信息，便于用户随时了解灌溉状况，及时发现异常。

3.2 水肥配制

水肥配制包括肥料溶解和储液配制两部分功能，前者用于肥料溶解，肥料溶解搅拌和其他事务可以并行执行，在肥料搅拌中系统驱动肥料桶搅拌泵，可大大降低劳动强度。

图3 水肥一体草莓立体栽培灌溉控制系统功能逻辑

由于储液配制属于低频事务，为简化系统结构，水肥配制采用人工辅助操作的半自动方案。配肥时需要先手动将灌溉水流转至配肥回流通道，再从系统中启动配肥操作；并在配肥结束后恢复为灌溉状态。在配肥操作中，启动灌溉泵驱动水流经文丘里吸入肥液后回流到储液池中，在此过程中完成水肥混合。在水肥配制过程中灌溉计划被禁用。

3.3 轮灌控制

通过制定符合实际情况的灌溉计划来实现轮灌控制。用户可设定最多24个启动时间点，每个时点设“灌溉周期”“灌溉时间”参数和启用选项，同时在每个时间点设定启用分区及其灌溉时长(以分钟为单位)，建立起自动灌溉计划。例如，用户设置启用1个时间点，将启动时间设定为20：30，灌溉周期为1 d，2区启用4 min、4区启用3 min、6区启用5 min，则每天的20：30系统就会启动灌溉，首先开启2区电磁阀，灌溉2区4 min后关闭，开启4区电磁阀，灌溉4区3 min关闭，开启6区电磁阀，灌溉5 min后结束任务。

3.4 组件手动

该功能用于组件检修和应急灌溉，用户可通过开启组件手动功能人为地对某个组件进行调试，也可直接控制水泵、电磁阀进行灌溉。因手动状态下系统未启动安全监测，因此仅限熟悉系统的用户使用。在该模式下，计划灌溉暂停运行。

3.5 实现结果

系统运行主界面见图4。系统投入使用后，运行稳定，人机界面友好，操作便捷，简单实用，主要画面包括状态查看、水肥配制、计划管理、组件手动、密码修改等(图5-9)。

4 结语

我国水资源总量不足、时空分布不均，干旱缺水严重制约着农业发展。鉴此，大力发展节水农业，实施化肥使用量零增长行动，推广普及水肥一体化等农田节水技术，全面提升农田水肥利用率，是保障国家粮食安全、发展现代节水型农业、转变农业发展方式、促进农业可持续发展的必由之路。福建省农业科学院数字农业研究所以自主研发的水肥机AB920为控制核心，设计并实现了一套水肥一体草莓立体栽培灌溉控制系统，实现了水肥一体化自动管理，节水省肥，降低劳动强度，满足了水肥一体草莓立体栽培灌溉的实际生产需求，有效提高草莓栽培灌溉的效率，产生了良好的社会效益与经济效益，值得推广应用。