温室水肥一体化智能灌溉管控装置设计

李 爽，崔翀翔，陈奕萌，缪 宏，胡小琴，徐 杰，杨 铮

（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）

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。

1.2 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。

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220V 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。