水肥一体化管控系统设计和实现

　　摘要:针对目前水肥一体化系统存在首部和田间设备随机组成、规格标准不统一、对各部件不能统一管理、运行维护智能化程度不高及管理效率低等问题，设计了一套水肥一体化管控系统。系统由水肥一体机、田间设备、云端服务平台、数据传输系统和管理网站及微信小程序等部分组成，应用了数据采集、数据传输、控制决策、智能控制等技术，在管理软件的集成下实现了集信息采集、传输、管理与决策控制于一体。实际应用表明:系统集成度高，实现了水肥一体化精量灌溉和施肥，提升了管控水平，达到了节本增效和管理模式的创新，可为水肥一体化系统设计和应用提供参考，应用前景较好。

　　关键词:高效节水灌溉;水肥一体化;管控系统;智能决策;云端服务平台;微信小程序

　　0引言

　　我国水资源总量仅为世界的6%，人均不足世界平均水平的1/4，严重短缺。每年农业灌溉用水缺口超过300亿m3，约有667万hm2面积得不到有效灌溉［1－2］。主要粮食作物水分生产效率与发达国家相比仅为其1/2左右，存在较大差距。同时，因化肥施用量过高，化肥利用率偏低。水肥已成为制约农业可持续发展的瓶颈因素，因而大力发展节水农业、实施化肥使用量零增长行动及推广普及水肥一体化技术是促进农业可持续发展的必由之路［3－4］。根据农业部《推进水肥一体化实施方案(2016—2020年)》，到2020年水肥一体化技术推广面积将达到1000万hm2，发展空间巨大。

　　1系统总体设计

　　1．1系统组成

　　管控系统根据目前水肥一体化系统存在的不足，结合灌溉基础理论和最新的管理技术手段，通过相关设备、管理系统，对环境、设备状态和参数进行监测，并做出决策和控制;用户可通过多种方式实现查看和操作，达到了信息采集、传输、管理、决策和控制于一体的目的。本系统分为3个部分:一是以水肥一体机为核心的田间管控单元，包括水肥一体机、过滤设备、管道、阀门、喷头滴头、田间控制设备和管控软件等;二是以云端服务器为核心的管控平台，包括云端服务器、数据库、网站等;三是用户使用端，包括通过Internet网连接的电脑和通过WIFI/4G等网络连接的移动设备(手机或PAD)。系统架构如图1所示。

　　1．2系统工作原理

　　管控系统以云端服务器作为管理核心，每个田间灌溉单元为管理对象，在电脑上通过网站、在移动端设备通过微信小程序进行查看和操作。田间灌溉单元配置1台水肥一体机，每台水肥一体机有1个固定的设备号，水肥一体机通过有线或无线管理本灌溉地块内的水泵、施肥泵、电磁阀、流量、压力、环境传感器等设备，并可在本地设置灌溉方式，通过决策系统实现自动水肥一体化灌溉;同时，把相关数据传送给云端服务器，用户可通过各种终端设备进行查询，并可对各种运行参数进行设置、对设备进行远程控制。

　　2系统关键技术及硬件设计

　　系统由水肥一体机、田间控制部分、云端服务器、数据传输网络等部分组成，拓扑结构如图2所示。

　　2．1水肥一体机

　　水肥一体机集成了灌溉泵、施肥泵、灌溉变频器、施肥变频器、触摸屏和控制系统，利用决策控制软件对灌溉、施肥等操作进行集中控制，结合各传感器的数据分析，制定灌溉施肥计划。设备具有本地手动触摸屏操作和通过电脑端、手机的远程控制双重操作功能，能在异地通过电脑及手机监控，实现灌溉水量、施肥浓度和施肥量的精准控制。

　　2．2田间控制部分

　　田间控制部分主要由田间控制器、电磁阀、传感器及网关组成，如图4所示。田间控制器及各传感器由太阳能供电系统提供电源，传感器采集的数据传输到田间控制器，控制器接收后通过网关发送到水肥一体机，水肥一体机将数据存储在本地同时也上传至云端服务器。数据由管控软件自动分析处理后做出决策，水肥一体机接收到服务器或本地程序发出的控制命令，打开对应的电磁阀或执行相关的操作。

　　3应用程序开发

　　3．1水肥一体化控制系统程序

　　水肥一体机的主要功能是灌溉和施肥，在实际使用时分两种情况:一种是只灌溉，不需要施肥;一种是按一定比例水肥同施。因而，要针对这两种情况分别编制不同的控制流程和程序。灌溉分为手动模式和时间模式:在手动模式下，可直接打开和关闭选定的田间电磁阀进行灌溉，在调试设备或临时使用时也可采用。在时间模式下，先设定各电磁阀的开启时间和灌溉时长，系统自动开启和关闭，实现自动化控制;也可配置各种传感器，配合决策模型实现智能化灌溉。

　　3．2网站程序开发

　　系统采用B/S结构，在用户端采用浏览器方式，负责接收用户通过Internet网络访问、输入及控制命令的发送、监测数据的获取等，在服务器端通过网络为浏览器提供数据服务。本系统根据实际需求建成了一个面向管理人员和用户的网站。管理人员可通过网站发布设备相关信息、管理用户权限和设备数据;用户通过网站可浏览信息、查看设备运行数据、设置运行参数和对设备进行操作。

　　4管控系统田间应用

　　2018年春季，在江西鹰潭余江芦笋种植基地进行了安装应用。该基地芦笋种植面积约15hm2，采用水肥一体化管控系统，实现了灌溉施肥全程自动化、智能化，让芦笋基地精准肥水管理成为现实。图12为水肥一体机安装现场，图13为芦笋滴灌系统。目前，设备运行良好。传统灌溉方式(漫灌)每次需灌水450m3/hm2，而采用管控系统的滴灌方式每次仅灌溉150m3/hm2，可节水60%以上;施肥可用水溶肥并能精确控制比例，采用少量多次的方法，肥效利用率大幅提高，显著减少了肥料的用量，与原有施肥相比费用可节省50%以上;采用该系统灌溉施肥，通过在水肥一体机上的触摸屏或手机操作，只需1人即可完成，节省人工80%以上，而产量和品质均有提高，效益有较大提升，1年就可收回设备投入，取得了很好的效果。

　　5结论

　　设计的水肥一体化管控系统将传统的灌溉技术与智能控制技术、信息技术相结合，包括水肥一体机、田间控制系统和以云端服务器为核心的管控平台，实现了对水肥一体化系统的现场和远程查看、操作、控制和维护。系统实现了田间各种数据动态直观显示及智能决策，提高了水肥控制的精准度，同时可完成多个灌溉单元的集中操作和管理，节省人工。应用表明，系统可以节省大量人力、物力和水资源，通过精准灌溉、科学规范化施肥，提高了水肥利用率，减少了化肥农药施肥量，有利于提高产品质量和安全，提升了农业生产效益。

　　参考文献:

　　［1］赵文杰，丁凡琳．我国节水灌溉技术推广现状与对策研究综述［J］．节水灌溉，2015(4):95－98．

　　［2］赵峰，李寒松，孔凡祝，等．我国节水灌溉技术发展现状与趋势［J］．农业装备与车辆工程，2018，56(2):25－28．

　　［3］韩启彪，冯绍元，黄修桥，等．我国节水灌溉施肥装置研究现状［J］．节水灌溉，2014(12):76－79+83．

　　［4］袁洪波，程曼，庞树杰，等．日光温室水肥一体灌溉循环系统构建及性能试验［J］．农业工程学报，2014，30(12):72－78．

《水肥一体化管控系统设计和实现》

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