蓝莓温室智能水肥一体化系统构建*

2022-08-12卞东超杨发展赵国栋郑凯瑞林海波

中国农机化学报 2022年8期

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，266520)

0 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[1]。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特点[2-3]。同时，目前我国农业用水的有效利用率不到40%，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30%左右，造成化肥的巨大浪费，还污染了环境[4-5]。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[6-7]，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，减少了病虫害的发生，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[8-9]。

国外水肥一体化技术发展得较早，20世纪上半叶，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30多年的发展，随着塑料工业的兴起，水肥一体化技术逐渐发展起来[10-11]。20世纪70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[10-11]。进入21世纪，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[12-13]。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[13-14]，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。

1 基于蓝莓温室的智能水肥一体化系统框架

1.1 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、二氧化碳含量等)，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、病虫害、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1所示。

图1 智能水肥一体化系统框架Fig. 1 Framework of intelligent water and fertilizer integration system

1.2 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2所示。

图2 智能水肥一体化系统组成Fig. 2 Composition of intelligent water fertilizer integration system

1.2.1 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、二氧化碳含量等)全面监测，获得的数据信息经过Zigbee信号传输网络传输到蓝莓智能水肥一体化服务平台。

1.2.2 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心，蓝莓智能水肥一体化服务平台对Zigbee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令。

1.2.3 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、EC和pH传感器等元器件组成[15-16]。

1.2.4 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、CO2发生器、排风系统、植保喷药机等设备。

2 蓝莓温室智能水肥一体化系统构建

2.1 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3)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、二氧化碳浓度、光照强度、土壤湿度、土壤EC值和pH值。蓝莓生长各时期最佳温度变化较大，在5 ℃～35 ℃ 之间[17]，温室的湿度变化范围在25%RH～90%RH之间[18]，为保证测量准确，选用RS-WS型空气温湿度传感器，安装在蓝莓温室中下部；作物最佳二氧化碳浓度范围在900～1 800 mg/L[19-20],选用RS-CO2型二氧化碳传感器，安装在蓝莓温室中下部；监测光照强度选用RS-GZ-NO1-2型光照强度传感器，安装在蓝莓温室顶部。

图3 蓝莓温室环境信息采集系统Fig. 3 Blueberry greenhouse environment information collection system1.土壤pH值传感器 2.土壤湿度/EC值传感器 3.摄像头 4.光照强度感应器 5.信号发射器 6.CO2浓度感应器 7.空气温湿度感应器 8.气象站 9.配电箱

蓝莓温室中蓝莓生长发育土壤体积含水量在15%～25%为适宜，最佳土壤体积含水量为18%～20%[21]，蓝莓生长最适宜土壤pH为4.0～5.0[22-23]，土壤过酸或过碱都会影响蓝莓生长，选用PR-3000-ECH-1型土壤湿度/EC值一体传感器和PR-3000-TR-PH-1型土壤pH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1所示。

表1 环境信息采集系统传感器参数Tab. 1 Sensor parameters of environmental information acquisition system

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4～20 mA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、Zigbee无线通信模块、数据处理模块，数据传输到数据采集主机，主控模块和数据处理模块初步处理，由Zigbee无线通信模块传输到服务器，并在显示屏上显示，服务器通过RS485传输线连接到S7-200 Smart PLC的接口进行传输控制。设计过程如图4所示。

图4 蓝莓温室环境信息采集系统设计过程图Fig. 4 design process of blueberry greenhouse environmental information acquisition system

2.2 蓝莓温室智能水肥一体化服务平台

智能水肥一体化服务平台(图5)是蓝莓温室智能水肥一体化系统的核心，智能水肥一体化服务平台需要对信号传输网络传输的数据进行处理、存储、分析，并根据蓝莓生长模型做出决策，下达指令，本系统选择S7-200 Smart PLC作为控制中心，S7-200 Smart PLC采用模块化设计，通过扩展模块和数模转换模块能够完成众多传感器数据的接收与处理，进而建立实时数据库，使用SIMATIC HMI SMART 700 IE V3触摸屏作为显示屏，SIMATIC HMI SMART 700 IE V3触摸屏输出MODBUS信号，支持远程通信，抗干扰能力强，使用RS485传输线与S7-200 Smart PLC连接，显示服务平台接受的各个传感器数据。

图5 智能水肥一体化服务平台Fig. 5 Intelligent water fertilizer integrated service platform

蓝莓在花芽、开花、结果、采收等不同生长发育时期需要针对性给予水分和各种营养物质，水分及各种营养元素的施用量与施用比例需要进行动态调整，使各种营养元素的配比协调，从而满足蓝莓正常的生长发育需求。本文以黄岛区蓝莓种植基地蓝莓为例，根据蓝莓年周期内生长发育特点与水肥需求规律，划分了蓝莓灌溉施肥时期，并通过咨询种植专家以及对土壤养分含量、肥料利用率、肥料养分含量、蓝莓产量等进行综合分析，对不同时期的灌溉施肥量以及肥料配比进行了合理规划，建成了蓝莓灌溉施肥决策模型，并把蓝莓灌溉施肥决策模型写入S7-200 Smart PLC，作为决策依据，实现水肥精量控制。蓝莓灌溉施肥决策模型规则如表2所示。

表2 蓝莓灌溉施肥决策模型规则表Tab. 2 Rules of blueberry irrigation and fertilization decision model

蓝莓温室内各种环境参数相互影响以及系统稳定性的影响，智能水肥一体化服务平台很难一次决策就能达到最佳的环境参数，需要多次决策，所以服务平台的控制算法采用PID控制，PID控制结构简单，灵活性高，控制性能较强，应用非常广泛。本系统利用自编程将PID控制写入S7-200 Smart PLC，环境数据信息传输到PLC后，PLC经过处理分析与PID运算后下达控制指令。以土壤湿度调节为例，灌溉水经过灌溉系统进入蓝莓灌溉区后，土壤湿度传感器监测土壤湿度，并将湿度数据传输给蓝莓温室智能水肥一体化系统服务平台，经PLC分析处理后，再进行PID运算，根据运算结果控制各阀门的开合角度来控制不同支路流量，循环此过程，直至PLC分析结果显示达到湿度要求，PLC下达停止灌溉指令，灌溉停止，完成土壤湿度调节。

2.3 蓝莓灌溉施肥系统

蓝莓灌溉施肥系统也分为蓝莓灌溉系统和蓝莓施肥系统，如图6所示。蓝莓灌溉系统由灌溉水泵、过滤装置、灌溉管路以及流量计、压力表、电磁阀等组成。灌溉水依次经过滤器、灌溉水泵、流量计、压力表、电磁阀、支管、毛管进入蓝莓温室，滴灌管连接在毛管上，每一行蓝莓两侧均有一排滴灌管，以保证灌溉的效率和均匀性。本系统灌溉主管路使用50 mm PVC管，灌溉水泵一端与管路连接，一端经过滤器与水源连接，过滤器使用砂石过滤器与120目碟片式过滤器，采用反冲洗过滤系统，在灌溉管路上安装流量计、压力表与电磁阀，本系统选用DN50智能涡街流量计、2W-500-50电磁阀，支管采用25 mm PVC管，选用2W-250-25电磁阀。

图6 灌溉施肥系统Fig. 6 Irrigation and fertilization system

蓝莓施肥系统由施肥泵、储液罐、过滤器、电磁阀、施肥管路以及液位高度传感器、EC和pH传感器等元器件组成。肥液依次经过储液桶、电磁阀、过滤器、施肥泵、压力表、电磁阀注入灌溉管路，并通过EC和pH传感器检测水肥混合液的EC值和pH值，施肥管路采用25 mm PVC管，电磁阀均采用2W-250-25电磁阀，过滤器采用80目碟片式过滤器，水肥混合液EC值的正常范围在0.4～4 ms/cm之间，pH值的正常范围在5～7之间[24]，本系统选用RMD-ISEC2型EC值传感器和SIN-PH-160-PH型pH传感器，储液桶高度1 m，选用QDY30B直杆式液位计，安装在储液桶中，传感器参数如表3所示。

表3 灌溉施肥系统传感器参数Tab. 3 Sensor parameters of irrigation and fertilization system

2.4 蓝莓温室环境调节设备

蓝莓温室智能水肥一体化系统的环境调节设备有卷帘机、CO2发生器、排风器、植保喷药机等设备。卷帘机安装在温室外部，用于温室温度调节，CO2发生器用于温室二氧化碳浓度调节，视温室大小及发生器数量均匀分布，风机用于温室温度与二氧化碳浓度调节，安装在温室两侧位置，植保喷药机不仅可以喷洒农药，还可调节温室湿度，安装在蓝莓植株上部，水肥一体化服务平台通过电动开关、数据传输线等连接控制卷帘机、CO2发生器、风机、植保喷药机等设备。

2.5 蓝莓温室智能水肥一体化系统运作方式

蓝莓温室智能水肥一体化系统中的环境信息采集系统处于常开状态，监测温室内空气温湿度、CO2浓度、光照强度、土壤湿度、土壤pH与EC值，数据传输到服务中心处理后与设定数据进行对比，当温度过高时服务中心发出开启风机指令，风机开启降低温度，传感器监测温度调节到适宜温度后，服务中心发出关闭风机指令，温度过低时服务中心发出开启卷帘机指令，对温室进行保温，温度调节优先度高于湿度、CO2浓度和光照的调节；当空气湿度过高时服务中心发出开启风机指令，风机开启降低空气湿度，当空气湿度过低时服务中心发出开启植保喷药机指令，喷洒水雾提高空气湿度，湿度调节优先度高于CO2浓度调节；当CO2浓度过高时服务中心发出开启风机指令，风机开启降低CO2浓度，当CO2浓度过低时服务中心发出开启CO2发生器指令，CO2发生器运行提高CO2浓度。

为提高灌溉施肥的精准度，灌溉施肥均采用少量多次的方法，当传感器显示土壤湿度过低，土壤含水量过少时，服务中心发出信号，打开灌溉系统各级电磁阀，同时灌溉系统流量计和压力表开始监测流量和水压，之后控制中心发出信号开启灌溉水泵，开始进行灌溉，当传感器显示土壤湿度达到设定数值时，控制中心发出信号关闭灌溉水泵和电磁阀，停止本次灌溉；当传感器显示土壤pH和EC值过低时，进行灌溉施肥操作，服务中心发出信号，打开灌溉施肥系统各级电磁阀，同时灌溉施肥系统流量计和压力表开始监测流量和水压，EC传感器和pH传感器监测水肥混合液的EC和pH值，液位计监测储液桶水位，储液桶中是提前按比例配置的肥料，之后控制中心发出信号开启灌溉水泵和施肥泵，开始进行灌溉施肥操作，当施肥完成后，控制中心发出信号关闭施肥泵，停止施肥操作，继续灌溉5 min，对系统进行清洗，之后控制中心发出信号关闭灌溉水泵和各级电磁阀，完成灌溉施肥操作。

3 蓝莓温室智能水肥一体化系统试验研究与推广应用

3.1 节水节肥增产试验

本文采用智能水肥一体化系统灌溉施肥与传统灌溉施肥方式对蓝莓温室的灌溉量、施肥量、蓝莓产量进行对比试验。

选择地理位置相近、规模相同、蓝莓植株数目相近的4个蓝莓温室，分别编号温室1、温室2、温室3、温室4。温室1和温室2利用蓝莓温室智能水肥一体化系统进行灌溉施肥，温室3和温室4采用传统的灌溉施肥方式。

蓝莓从花芽前到休眠期为一个完整的生产周期，对一个生产周期内4个温室消耗的灌溉量、施肥量和产量进行监测记录，温室1和温室2利用传感器监测蓝莓温室土壤含水率和土壤EC值，到达每个时期设定的含水率和EC值后停止灌溉和施肥操作，分别记录温室1和温室2一个生产周期的总灌溉量、总施肥量；温室3和温室4利用人工经验控制灌溉施肥，分别记录温室3和温室4一个生产周期的总灌溉量、总施肥量；成熟期采摘完后分别记录温室1、温室2、温室3、温室4的蓝莓产量，结果如表4所示。

表4 蓝莓生产试验数据Tab. 4 Blueberry production test data

从表4可以看出，一个生产周期内温室1、温室2、温室3、温室4分别消耗水量为442 m3、437 m3、746 m3、719 m3，采用蓝莓温室智能水肥一体化系统进行灌溉的温室1和温室2，相比利用人工经验控制灌溉的温室3灌溉量节约40.75%和41.42%，相比温室4灌溉量节约38.53%和39.22%。考虑到传感器的精度与稳定性、人工经验的误差性以及取样的多寡与偶然性，利用蓝莓温室智能水肥一体化系统进行灌溉大约可节水35%～45%。

一个生产周期内温室1、温室2、温室3、温室4分别消耗肥料11.8 kg、12.2 kg、16.7 kg、17.5 kg，采用蓝莓温室智能水肥一体化系统进行施肥的温室1和温室2，相比利用人工经验控制施肥的温室3施肥量节约29.34%和26.95%，相比温室4施肥量节约32.57%和30.29%。考虑到传感器的精度与稳定性、人工经验的误差性以及取样的多寡与偶然性，利用蓝莓温室智能水肥一体化系统进行施肥大约可节肥25%～35%。

一个生产周期内温室1、温室2、温室3、温室4的蓝莓产量分别为788 kg、774 kg、695 kg、683 kg，采用蓝莓温室智能水肥一体化系统进行灌溉施肥的温室1和温室2，相比利用人工经验控制灌溉施肥的温室3蓝莓增产13.38%和11.37%，相比温室4蓝莓增产14.87%和12.83%。考虑到人工采摘的误差以及取样的多寡与偶然性，利用蓝莓温室智能水肥一体化系统进行灌溉施肥大约可提高蓝莓产量10%～15%。

3.2 推广应用

目前蓝莓温室智能水肥一体化系统已成功应用于青岛西海岸新区蓝莓产业基地，经过多个蓝莓温室的长时间使用显示，智能水肥一体化系统运行稳定，响应速度快，实现了蓝莓生长发育与灌溉施肥的精准智能化控制，不仅如此，传统灌溉施肥方式平均每人可管理1～2个蓝莓温室，采用智能水肥一体化系统灌溉施肥平均每人可管理5～6个蓝莓温室，节约劳动力60%以上，而且蓝莓温室智能水肥一体化系统灌溉施肥管理更加简洁方便，劳动强度大大降低。